Formation of nanocrystalline zeolites from industrial waste materials under strong alkaline conditions at short reaction times and low temperatures
Final Report Abstract
Das Forschungsvorhaben zielte auf die experimentelle Entwicklung neuartiger Synthesemöglichkeiten technisch wichtiger Zeolithe aus industriellen Reststoffen. Am Beispiel des Einsatzes von Papieraschen (PA) und Filterrückständen erfolgten systematische Aufschlussreaktionen bei einer Temperatur von nur 333K in 8M-, 12M- und 16 M NaOH. Die Untersuchung dieser Synthesemöglichkeiten erfolgte zunächst anhand der Reihen „Mechanismus und Alkalinität“, „Kinetik-Anfangsphase“ sowie „Kinetik-Langzeitphase“. Aus diesen experimentellen Arbeiten der ersten Förderstufe konnten grundlegende Erkenntnisse zum Aufschlussverhalten der Reststoffe gewonnen werden. Dazu zählt die Klärung von Fragen nach Parallel- und Folgereaktionen während der Auflösungsreaktion. Das Reaktionsverhalten wurde im Anfangsstadium (bis t= 240’) sowie im Langzeitstadium der Reaktion (bis t= 24h) ermittelt. Die Untersuchungen führten erfolgreich zu Zeolithen. Ein direkter einstufiger Umsatz ergab allerdings je nach Alkalinität und Synthesezeit nicht die gewünschten technisch wichtigen Zeolithtypen wie Na-A oder Na-X in phasenreiner Form, sondern Hydrosodalith, Zeolith mit intermediärer Struktur zwischen Sodalith und Cancrinit sowie zweiphasige Produkte aus Hydrosodalith und Zeolith Z 21 oder LTA. Die Synthese von Na-LTA und Na-X erforderte hingegen in diesem Stadium der Forschung einen zweistufigen Prozess aus Aufschluss und anschließender üblicher Gelkristallisation bei 80-90°C und 16 h Reaktionszeit. Auf Grundlage dieser Arbeiten konnten im abschließenden Forschungsjahr dann aber erfolgreich Syntheseoptimierungen erreicht werden und neue Erkenntnisse zum Reaktionsmechanismus unter diesen spezifischen Bedingungen abgeleitet werden. Die Forschungsziele konnten anhand der experimentellen Reihen zur Bedeutung der Kurzzeitphase im engsten Zeitintervall, zum Einfluss einer Alkaliaktivierung der Reststoffe bei Raumtemperatur und schließlich zur prozessbestimmenden Rolle des Zeitpunktes der Zugabe des Additivs erreicht werden. So gelang nun in einem einstufigen Prozess die Kristallisation von Zeolith Na-A aus den Reststoffen FR und FA und die direkte Bildung von (Ca, Na)-A Zeolith bei simultanem Einsatz der Reststoffe FR, FA und PA. Die Untersuchungen zum Reaktionsmechanismus und der Reaktionskinetik führten zur Bestimmung der optimalen Reaktionszeit des direkten Umsatzes der Reststoffe zu Zeolithen. Weiterhin gelang die Prozessoptimierung durch Einführung einer alkalischen Aktivierung bei RT und nachfolgender Kristallisation. Schließlich konnte der Einfluss des Zeitpunkts des Additivzusatzes mit und ohne vorherige alkalische Aktivierung der Reststoffe aufgedeckt werden. Die Auswertung sämtlicher experimenteller Ergebnisse führte schließlich zu einem einfachen effizienten Modellsystem für den effektivsten Einsatz der Reststoffe PA, FR und FA in der Zeolithsynthese.
Publications
- Kristallisationsprozesse in stark alkalischen Aufschlusslösungen von Aschen aus der Verbrennung von Schlämmen der Altpapieraufbereitung. Z. Krist. Suppl. Issue 33 (2013) PS 05-P55, S. 102-103
Hartmann, A., Petrov, V., Buhl, J.-Ch., Rübner, K.
- The use of paper sludge combustion ash in ion exchange process for preparation of zeolite Ca-LTA (5Å). 25.Deutsche Zeolithtagung (2013) book of abstracts P026, 117-118
Petrov, V., Hartmann, A., Buhl, J.-Ch.
- Zeolite synthesis under insertion of silica rich filtration residues from industrial wastewater reconditioning. 25.Deutsche Zeolithtagung (2013) book of abstracts P020, 106-107
Hartmann, A., Petrov, V., Buhl, J.-Ch.
- Optimierung der Kristallisation von Zeolith Na-A aus Rückständen der Silanpoduktion. Z. Krist. Suppl. Issue 34 (2014) MS 05-P10, S. 115-116
Hartmann, A., Petrov, V., Buhl, J.-Ch., Rübner, K., Lindemann, M.
- Zeolite synthesis under insertion of silica rich filtration residues from industrial wastewater reconditioning. J. Advances in Chemical Engineering 4 (2014) 120-134
Hartmann, A., Petrov, V., Buhl, J.-Ch., Rübner, K., Lindemann, M
(See online at https://dx.doi.org/10.4236/aces.2014.42015) - Zeolithkristallisation bei simultanem Einsatz SiO2- und CaO-reicher industrieller Reststoffe und alkalischer Aktivierung. Z. Krist. Suppl. Issue 34 (2014) MS 05-P11, S. 116-117
Petrov, V., Hartmann, A., Buhl, J.-Ch., Rübner, K., Lindemann, M.
- Digestion reactions of paper sludge combustion ash in strong alkaline solutions at 60 °C. J. Mater. Cycles Waste Management (2014) in review, January 2016, Volume 18, Issue 1, pp 132–145
Hartmann, A., Petrov, V., Buhl, J.-Ch., Rübner, K., Lindemann, M
(See online at https://doi.org/10.1007/s10163-014-0320-4)
