地大北京Applied Clay Science：超快焦耳加热秒级转化高岭土杂质合成4A

沸石4A作为一种具有微孔结构和优异离子交换性能的结晶硅铝酸盐，在吸附、催化和分离等领域应用广泛。然而，其传统合成依赖高纯度化学试剂（如硅酸钠和铝酸钠），导致成本高昂且资源消耗大。近年来，以天然高岭土为原料的替代方案备受关注，因其硅铝比与沸石4A相近且储量丰富。但实际应用中，高岭土常含白云母、石英等紧密共生的杂质矿物——白云母需>1000℃才分解，石英熔融温度>1700℃，而常规煅烧法（400-800℃）仅能使高岭石脱羟基生成活性偏高岭石，无法转化杂质，导致最终沸石产品纯度不足。现有除杂技术（如浮选、磁选）存在能耗高、效率低等问题，亟需开发兼具高效、绿色与经济性的新型合成技术。

论文概要

近日，中国地质大学（北京）黄朝晖教授等在《Applied Clay Science》期刊上发表了题为“Synthesis of zeolite 4A from low-grade kaolin containing muscovite and quartz via ultrafast Joule heating route: A comparison with conventional calcination”的论文。本研究采用超快焦耳加热法（UJH），首次实现从含白云母/石英杂质的低品位高岭土高效合成高纯度沸石4A。通过将高岭土与Al(OH)₃、Na₂CO₃混合，在1300℃下进行20秒超快加热，使杂质矿物迅速转化为钠铝硅酸盐和钾长石前驱体；再经水热结晶（90℃, 10小时）成功将杂质中的硅铝组分整合至沸石骨架，并利用白云母释放的K⁺通过离子交换部分替代骨架Na⁺（仅影响约3%位点）。对比实验表明：传统煅烧法产物因残留杂质而纯度较低，而UJH法制备的沸石4A经XRD、SEM等表征证实无杂质相，且热重分析显示其结构水含量提升28%（9.41 wt% vs 7.20 wt%），标志产物纯度和晶相均一性显著提升。该方法为低品位黏土资源高值化利用提供了安全（采用温和Na₂CO₃替代强腐蚀性NaOH）、高效（秒级反应）的新途径。

图文解读

超快焦耳加热路线首次实现从低品位高岭土秒级合成沸石4A：原料与Al(OH)₃/Na₂CO₃混合后，经1300°C闪速加热20秒，再通过水热结晶（90°C/10小时）定向转化，该工艺突破传统煅烧法对杂质矿物的处理瓶颈，为资源高效利用提供全新方法框架。

XRD图谱证实超快焦耳加热彻底重构矿物相——高岭石、白云母及石英的衍射峰完全消失，同步生成钠铝硅酸盐与钾长石新相，表明1300°C/20s的极端条件成功解离惰性杂质矿物，将其硅铝组分高效转化为可结晶前驱体，实现杂质资源化利用。

产物XRD对比直接验证超快焦耳加热的提纯革命：传统法产物中顽固残留的石英（26.6°峰）和白云母（8.8°峰）在UJH路线中完全消失，仅存尖锐的沸石4A特征峰（如12.5°、21.6°），晶体学证据确证该方法将沸石纯度提升至近理论极限。

SEM形貌图微观揭示纯度差异——超快焦耳加热产物呈现均一立方沸石晶体（1-2μm），而传统法产物中清晰可见板状白云母（5-10μm）和棱柱状石英（3-5μm）嵌入沸石基体，从空间分布证实UJH技术对杂质矿物的完全消解能力。

EDS元素分析阐明钾离子归宿：白云母释放的K⁺以微量形式（K/Na≈0.026）通过离子交换进入沸石骨架，未形成独立杂质相，原子级分散机制保障杂质元素无害化，破解低品位原料合成高性能沸石的材料安全性难题。

总结展望

本研究通过超快焦耳加热（UJH）技术（1300°C/20s）成功将含白云母、石英杂质的低品位高岭土转化为高纯度沸石4A，突破传统煅烧法无法转化杂质矿物的局限。核心发现表明：UJH促使高岭石、白云母及石英与Al(OH)₃/Na₂CO₃快速反应生成钠铝硅酸盐与钾长石前驱体，经水热结晶后，杂质中的Si/Al组分被整合至沸石骨架，白云母释放的K⁺通过离子交换部分替代骨架Na⁺（仅占位点约3%），实现杂质资源化利用。相较传统方法，UJH路线显著提升产物纯度（XRD无杂质峰，结构水含量提高28%）与晶相均一性，为复杂矿物原料合成沸石提供新范式。

文献信息：Jiahang Fan, Xianjie Liu, Mengyao Yang, Mingyong Liu, Qianchao Ma, Liangjie Fu, Xin Min, Zhaohui Huang,

Synthesis of zeolite 4A from low-grade kaolin containing muscovite and quartz via ultrafast Joule heating route: A comparison with conventional calcination. Applied Clay Science, Volume 275,

2025, 107889, ISSN 0169-1317.

https://doi.org/10.1016/j.clay.2025.107889.