活性炭/八面沸石双功能材料及其制备方法 一、技术领域
本发明活性炭/八面沸石双功能材料及其制备方法属于属于材料领域，涉及一种以煤矸石为原料制备的活性炭/沸石双功能材料及其制备方法的技术方案。
二、技术背景
煤矸石是煤炭开采及洗选加工过程中排放的固体废弃物，约占原煤当年产量的10％-20％，是我国目前排放量最大的固体废弃物之一。长期以来，我国对煤矸石的处理方式以混杂堆放为主，目前煤矸石的堆存量已达30多亿吨。大量煤矸石的堆存，不仅占用大量宝贵的土地资源，而且带来严重的环境污染和安全隐患，但我国目前对煤矸石的资源化利用率尚不足20％。因此，实现煤矸石的综合利用处理，不但具有显著的环境效益，而且具有显著的经济及社会效益。
煤矸石质地坚硬，含碳量一般较低，煤矸石中的主要晶相组成为高岭石，主要化学成分为SiO2和Al2O3。根据煤矸石中的残留碳含量及晶相组成，目前国内外对煤矸石的综合利用处理主要集中在供热发电、再洗、生产建筑材料、制取化工产品、提取微量元素、复垦和回填等方面。这些开发利用途径普遍存在经济附加值不高或原料有效成分利用率低，生产成本高等缺点，因此，如何提高煤矸石综合利用的经济附加值及其有效成分利用率，依然是一个重要的研究课题。
在充分利用煤矸石中的碳、硅和铝成分方面，唐颐等提出了以煤矸石为原料制备活性炭-沸石复合物的方法(唐颐，董安钢，高滋，中国专利申请号：00119588.3，已公开)。该发明方法是将原料煤矸石磨碎至100目，然后加入碱液并混合均匀，烘干，研碎，氮气保护下焙烧，再经研碎，老化，水热晶化，过滤，洗涤，干燥等步骤制备出活性炭-沸石复合物。该发明方法制备地活性炭-沸石复合物是粉体材料。由于粉体材料在应用中受到了极大的限制。
三、发明内容
本发明活性炭/八面沸石双功能材料及其制备方法的目的在于，公开一种以煤矸石为原料的该双功能材料为片状或柱状或球形。片状、柱状或球形型体活性炭/八面沸石双功能材料及其制备方法，可直接应用于催化、气体净化和水处理等领域，为煤矸石的综合利用提供了又一个新的途径。
本分明活性炭/八面沸石双功能材料其特征在于是一种具有活性炭和沸石双重性能的材料，是一种将原料煤矸石、碱和水三者充分混和均匀，压制成型体，型体在氮气保护下高温碱熔活化，再经老化、水热晶化、洗涤和干燥制备的活性炭/八面沸石双功能材料。
上述的活性炭/八面沸石双功能材料的制备方法，其特征在于是以煤矸石为原料制备而成，具体方法是：将原料煤矸石、碱和水三者充分混和均匀，压制成型体，型体在氮气保护下高温碱熔活化，再经老化、水热晶化、洗涤和干燥即可制得。
上述的活性炭/八面沸石双功能材料的制备方法，其特征在于，所压制成的型体为片状、柱状或球形。
上述的活性炭/八面沸石双功能材料的制备方法，其特征在于所述的碱是各种类型的钠型碱、钾型碱或二者的混合物，碱的最佳加入量按质量百分比为原料煤矸石的15％-30％。
上述的活性炭/八面沸石双功能材料的制备方法，其特征在于所述的型体在氮气保护下高温碱熔活化，其最佳活化温度范围是750-850℃；最佳活化时间范围是2-4h。
上述的活性炭/八面沸石双功能材料的制备方法，其特征在于所述的老化就是加入NaOH碱溶液，碱液在静止老化时的浓度范围是2.0-5.0N，搅拌老化时的浓度范围是1.5-3.0N，老化时间范围是10-40h，加热静止老化及加热搅拌老化时的温度范围是50-70℃。
上述的活性炭/八面沸石双功能材料的制备方法，其特征在于所述的水热晶化的晶化温度范围是80-100℃，晶化时间范围是8-50h，晶化时可以加入晶种，也可以不加，晶种的加入量相当于焙烧后型体质量的3-5％。
上述的活性炭/八面沸石双功能材料的制备方法，其特征在于制备的活性炭/八面沸石双功能材料中的沸石是X型沸石。
本发明的有益效果是，由煤矸石制备的活性炭/八面沸石双功能材料是片状或柱状或球形的型体，并且不添加任何硅铝资源及任何粘结剂，因此降低了制备活性炭/八面沸石双功能材料的生产成本，而且充分利用了煤矸石中的碳、硅和铝三种主体成份及其结构特点，因此，这种型体双功能材料可为煤矸石在化工、环保及日常生活等方面的资源化综合利用开拓出一条新的应用途径。
四、附图说明
图1是本发明由煤矸石制备的活性炭/八面沸石双功能材料产品的XRD图。
从图1中可以看出，由煤矸石制备的活性炭/八面沸石双功能材料产品的具有X型沸石的典型的XRD衍射特征峰，表明了产品中X型沸石材料的存在；从表1中可以看出，按实施例1-7所制备的产品均具有活性炭的典型的碘吸附性能和沸石的吸水性能，表明了产品中确实具有活性炭性质的碳质存在及沸石的存在。
从结合附图和实施方式对本发明进一步说明中可以看出，由煤矸石制备的系列产品X1～X7中既有活性炭材料的存在，又有X型沸石材料的存在。活性炭具有亲油特性，而沸石具有亲水特性，因此，由煤矸石制备的系列产品X1～X7是既有亲油特性又有亲水特性的活性炭/八面沸石双功能材料，而且沸石是X型沸石。
五、实施方式
下面的实施例是对本发明所提供的活性炭/八面沸石双功能材料的制备方法的进一步说明。
实施方式1
取粉碎至100目的原料煤矸石20g(主要化学成分的质量百分组成为36.24％SiO2，16.55％Al2O3，34.33％FC.d，12.88％的CaO和MgO等氧化物及其它物质)，按质量百分比向原料煤矸石中加入20％的分析纯无水K2CO3及适量的水，将三者充分混匀后压制出片状或柱状或球形的型体，将型体置入管式炉，在氮气保护下以20K/min的升温速率升至800℃并在800℃焙烧活化3h。
取活化后的型体原料11.6g，将其置入带四氟磁力搅拌子的反应笼中，将反应笼置入不锈钢反应釜中，按固液比1∶4向反应釜中加入3.0mol/l的NaOH溶液，将反应釜密封，在65℃水浴中静止老化6h，然后转为室温静止老化18h，再向反应釜中加入蒸馏水将固液比调为1∶8，即将老化时的碱液浓度调为约1.5mol/l，然后定容并在65℃的水浴中搅拌老化6h，将反应釜密封，在90℃的烘箱中晶化24h，晶化产品再经洗涤和干燥等步骤后，制得片状或柱状或球形的活性炭/八面沸石双功能材料，该产品记为X1。
实施方式2
按实施例1的方法处理煤矸石，但活化后的型体原料取为14g，静止老化时的碱液浓度为4.0mol/l，65℃水浴中静止老化6h，搅拌老化时碱液浓度调为约2.0mol/l，在65℃水浴中定容搅拌老化6h，晶化16h。制得的产品记为X2。
实施方式3
按实施例1的方法处理煤矸石，但活化后的型体原料取为20g，静止老化时加入的碱液浓度为4.0mol/l，65℃水浴中静止老化8h，室温静止老化12h，搅拌老化时碱液浓度调为约2.5mol/l，在65℃水浴中定容搅拌老化4h，晶化8h。制得的产品记为X3。
实施方式4
按实施例1的方法处理煤矸石，但活化后的型体原料取为20g，静止老化时加入的碱液浓度为4.0mol/l，65℃水浴中静止老化8h，室温静止老化12h，搅拌老化时碱液浓度调为约2.4mol/l，在65℃水浴中定容搅拌老化5h，晶化12h。制得的产品记为X4。
实施方式5
按实施例1的方法处理煤矸石，但活化后的型体原料取为9g，静止老化时加入的碱液浓度为2.8mol/l，65℃水浴中静止老化7h，室温静止老化1h，65℃水浴中定容搅拌老化3h，晶化22h。制得的产品记为X5。
实施方式6
按实施例1的方法处理煤矸石，但原料煤矸石中K2CO3的加入量为30％，活化后的型体原料取为15.8g，静止老化时加入的碱液浓度为4.0mol/l，65℃水浴中静止老化8h，室温静止老化19h，搅拌老化时碱液浓度调为约2.0mol/l，65℃水浴中定容搅拌老化6h，晶化12h。制得的产品记为X6。
实施方式7
按实施例1的方法处理煤矸石，但原料煤矸石中K2CO3的加入量为25％，活化后的型体原料取为13.2g，静止老化时加入的碱液浓度为4.0mol/l，65℃水浴中静止老化8h，搅拌老化时碱液浓度调为约2.0mol/l，65℃水浴中定容搅拌老化5h，晶化10h。制备的样品记为X7。
上述的产品采用XRD法表征活性炭/八面沸石双功能材料中的沸石成分，图1是制得的活性炭/八面沸石双功能材料产品的XRD，其具有X型沸石的典型的XRD衍射特征峰，表明了产品中X型沸石的存在。对制得的活性炭/八面沸石双功能材料产品中的活性炭成分，采用GB 7702.7-87“煤质颗粒活性炭碘吸附值测定方法”对其中的活性炭的性能进行了碘吸附值的测定，表1给出了该方法制备的产品的碘吸附值，表明产品中的碳质确实具有活性炭的典型的碘吸附性能，即产品中确实有活性炭的存在。沸石的亲水特性采用30℃的饱和食盐水蒸气相24h吸附法，表1给出了该方法制备的产品的吸水值。
活性炭具有亲油特性，而沸石具有亲水特性。从图1和表1对制得的产品的分析和测试可以看出，由煤矸石制备的系列型体产品X1～X7是既有亲油特性又有亲水特性的活性炭/八面沸石双功能材料，而且沸石是X型沸石。这种由煤矸石制备的活性炭/八面沸石双功能材料可广泛应用于催化剂、吸附剂、净水剂和废气处理等。
表1给出了该方法制备的产品的碘吸附值和吸水值的数据
表1产品编号 碘吸附值/mg·g-1 吸水值/w(X)％ X1 110.66 12.39 X2 136.02 15.04 X3 135.97 13.45 X4 110.56 14.82 X5 110.60 12.00 X6 136.05 13.64 X7 148.64 12.20