以高炉渣为原料微波辅助合成 ZSM-5：绿色高效制备新型沸石材料

为解决传统 ZSM-5 合成方法存在的高成本、不环保等问题，研究人员开展以高炉渣（BFS）为原料微波辅助合成 ZSM-5 的研究。结果表明优化条件下可制得特定结构的 ZSM-5，该研究为沸石合成提供新途径，助力可持续发展。

　　在化学工业的广阔领域中，沸石材料扮演着极为重要的角色，尤其是 ZSM-5 这种属于 Mobil Five（MFI）晶型结构族的合成沸石，在石油化工催化领域备受青睐。它能有效促进烷基化、异构化和低聚反应等，其独特的三维晶体框架由硅（Si）和铝（Al）原子通过四面体配位形成 8 元环和 10 元环，这些环相互连接构成通道和孔隙。凭借阳离子交换容量（CEC）、特定的孔径和通道长度等优良特性，ZSM-5 在工业上大显身手。

然而，传统的 ZSM-5 合成方法却存在诸多弊端。常规的水热合成法需要在高温高压的碱性介质中对硅铝酸盐凝胶进行热处理，不仅成本高昂，而且过程不够环保。合成过程中使用的结构导向剂（SDA）多为有机物质，在后续热处理去除时会释放有害气体。同时，该方法对原料要求苛刻、能源消耗大、反应周期长，极大地限制了其发展。为了突破这些困境，研究人员不断探索新的合成路径，在此背景下，以高炉渣（BFS）为原料，利用微波辅助合成 ZSM-5 的研究应运而生。

来自国外的研究人员开展了这项极具意义的研究。他们巧妙地将绿色化学理念融入水热合成技术中，旨在实现高炉渣的高值化利用，同时提高 ZSM-5 的合成效率。研究人员以南非钢铁工业产生的高炉渣为原料，通过一系列实验操作，成功制备出一种新型的 ZSM-5 沸石材料，该材料还浸渍了 Fe₂O₃、MnO、TiO₂、Cr₂O₃和 NiO 等内在金属合金。

该研究的重要意义不可小觑。一方面，实现了高炉渣这种工业废弃物的资源化利用，为冶金行业的可持续发展提供了新方向；另一方面，微波辅助合成方法显著缩短了合成时间、降低了能源消耗，为 ZSM-5 的大规模生产提供了更高效、环保的途径。此研究成果发表在《Current Research in Green and Sustainable Chemistry》上，为相关领域的研究提供了重要参考。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是酸浸技术，对高炉渣进行预处理，去除其中的 CaO 和 MgO 等杂质，提高原料纯度；接着采用微波辅助水热合成技术，通过精确控制微波辐射的温度和时间，促进 ZSM-5 的结晶过程；最后利用多种表征技术，如 X 射线荧光光谱（XRF）、X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）以及 N₂吸附 / 脱附等温线分析等，对合成产物的化学组成、晶体结构、微观形貌、框架结构和织构性质进行全面表征。

研究结果

1. 高炉渣的选矿处理：通过酸浸处理，高炉渣（BFS）中的杂质 CaO 和 MgO 浓度显著降低，但同时 Al₂O₃也有较多损失。处理后的预处理渣（PTS）中 SiO₂含量升高，Si/Al 摩尔比从 2.4 提升至 8.0。这表明酸浸虽能有效去除杂质，但需合理控制，以维持适宜的 Si/Al 比，确保后续 ZSM-5 的合成。
2. 合成产物的衍射图谱分析：研究发现，合成时间和温度对 ZSM-5 的结晶度和纯度影响显著。延长合成时间，ZSM-5 特征峰逐渐形成且强度增强，13 小时时结晶度达到 52.4%，为较优合成时间；提高合成温度，有利于形成有序的晶体结构，180°C 时结晶度较好，进一步升温对 ZSM-5 形成的促进作用不明显。
3. 合成产物的形貌观察：随着合成时间增加，产物晶体从初始的薄片状逐渐发展为类似商业 ZSM-5 的立方棱柱形，且表面逐渐细化。7 - 13 小时晶体平均尺寸基本不变，说明合成时间主要影响晶体表面的细化。
4. 合成产物的框架结构研究：FT-IR 光谱显示，合成产物具有 ZSM-5 的典型结构特征，但由于存在微量金属，光谱出现一些细微变化。较短合成时间和较低温度下的产物，部分振动带缺失，表明其结晶不完全，未形成完整的 ZSM-5 框架结构。
5. 合成产物的织构性质测定：合成的 ZSM-5 产物孔径较大、比表面积较低，主要为介孔结构。合成时间延长，平均孔径减小，结构更精细。虽然产物结晶度相对较低，但介孔结构在某些应用领域可能具有独特优势。
6. ZSM-5 的化学组成分析：合成的 ZSM-5 与商业 ZSM-5 相比，Si/Al 比不同，且含有 CaO、MgO 和微量金属等杂质。不过，这些微量金属可能提升材料的催化活性，为材料的功能增强提供了可能。

研究结论与讨论

本研究成功将绿色化学与水热合成技术相结合，利用高炉渣和微波辐射制备出新型 ZSM-5 沸石。确定了 13 小时和 180°C 为较优合成条件，在此条件下得到的 ZSM-5 具有稳定的 Si/Al 摩尔比，且合成条件对其化学组成影响较小。合成的 ZSM-5 虽在结晶度和比表面积等方面与商业产品存在差异，但在特定应用场景下，其介孔结构和所含微量金属有望发挥独特作用。

这项研究不仅证实了高炉渣作为低成本、可持续原料用于沸石合成的潜力，还凸显了微波辅助方法在提升合成效率方面的优势。然而，研究也存在一定局限性，如合成产物的结晶度和比表面积有待进一步提高。未来研究可聚焦于优化合成条件，深入探究合成产物在工业催化、吸附等实际应用中的性能，评估微量金属对其性能的具体影响，从而推动该材料在相关领域的广泛应用，为绿色化学和可持续发展贡献更多力量。