基于铁尾矿的SBA-15介孔材料合成和功能修饰化研究

Based on the resource and mineral characteristics of iron ore tailing, using valuable elements recovered from waste iron ore tailing for the synthesis of new materials is an effective way to achieve value-added utilization of tailings. In this project, the leaching process of valuable elements is studied in detail. Based on these results, we propose an effective approach to synthesis Fe modified SBA-15 ordered mesoporous material using valuable elements from iron ore tailing. Fe modified SBA-15 is synthesized via a simple strategy in the acidic environment supplied by acid leaching system (i.e., without or little addition acid), using highly strong acidic iron salt solution and sodium silicate solution from the iron ore tailing as iron sources and silicon sources, respectively. The impacts of the synthetic condition on the structure and characteristics of Fe modified SBA-15 mesoporous material are investigated. The impacts of Fe salt on the synthesis of SBA-15 and the synthesis mechanism are also studied. The research results provide an effective way to synthesize Fe modified SBA-15 mesoporous material from inexpensive silicon resources. Converting the waste iron ore tailing into useful mesoporous materials has important economic and environmental implications.

利用铁尾矿的资源属性和矿物特性提取其中的有价组分用于制备新材料是矿物加工、化学、材料及纳米技术交叉融合应用的前沿领域，是实现尾矿高效增值的有效途径。基于铁尾矿富含硅、铁和铝等有价元素的特点，本项目采用矿物化学处理方法对铁尾矿中有价成分的提取过程进行详细的研究，在此基础上提出一种综合利用这些有价成分制备金属功能化修饰介孔二氧化硅材料的新方法，即分别以铁尾矿中提取的强酸性铁盐溶液和硅酸钠溶液为铁源和硅源，利用酸浸出体系中产生的强酸性介质提供合成体系的酸度，采用直接合成法合成物理化学性质可与化学试剂制备的介孔材料相媲美的Fe修饰SBA-15有序介孔材料。研究不同合成条件对材料结构和性能的影响，揭示铁盐在SBA-15介孔材料组装过程中的作用机制及材料合成机理。研究结果不仅为介孔材料的高效低成本合成提供一种新的思路，而且对于实现铁尾矿的综合利用以及提高铁尾矿资源的附加值，具有十分重要的经济意义。

有序介孔二氧化硅材料是一种新型的纳米结构材料，因其较大的比表面积、窄的孔径分布和可调的孔径、较高的孔体积、规则的孔道以及优异的物理化学稳定性，在催化、分离、生物、环境以及功能材料等领域具有巨大的潜在的应用前景，已经成为化学和材料等领域的研究热点。在介孔材料的传统合成和金属改性方法中，涉及的硅和金属源多为化学试剂，使得合成成本高，难以实现工业化生产。铁尾矿由于丰富的硅、铁成分，有望成为制备介孔材料新方法中的首选原料。. 本项目采用矿物化学处理方法对铁尾矿中有价成分的提取过程进行了详细的研究，获得了从铁尾矿中提取有价元素的方法和工艺参数；以尾矿中提取的含铁溶液和含硅溶液为原料，利用含铁溶液的强酸性提供合成SBA-15所需要的酸性环境，采用直接合成法合成了介孔Fe-SBA-15介孔材料，其比表面积可达600-1000m2/g。对Fe-SBA-15介孔材料的吸附、催化和光催化性能进行了研究，发现其对有机物和重金属离子均具有较强的吸附性能，对4-硝基苯酚溶液具有较好的催化效果，对亚甲基蓝具有较强的光催化效果。以光催化为例，进行了详细的动力学理论研究，认为光照过程中产生的电子-空穴对在光催化反应中应被视为单一物种，基于此结论首次建立了Langmuir 形式的电子-空穴对激发平衡方程，提出了适用于所有光强范围的Langmuir-Hinshelwood形式的光催化动力学方程。. 本项目研究把介孔材料的制备和掺杂改性同步进行，充分实现了二次资源-功能材料的一体化，不仅为介孔材料的高效低成本合成提供了一条新的思路，而且对于实现铁尾矿的综合利用以及提高铁尾矿资源的附加值，具有十分重要的实际意义。