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從簡單的基本結(jié)構(gòu)單元進行研究。通常來講,沸石分子篩都是一個個四面體通過共用頂點來堆積得到的,所以一個四面體就是一個初級的結(jié)構(gòu)單元(TO4四面體)。例如:對于silicalite-1沸石分子篩來講,它的初級結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體([Si O4]0),并且這個四面體結(jié)構(gòu)單元呈現(xiàn)電中性,這些硅氧四面體通過共用氧原子的連接,形成了具有MFI結(jié)構(gòu)的沸石分子篩。在合成中模板劑和吸附水是存在于它的孔道中的。當然,當在合成體系中有鋁存在的條件下,則有兩種四面體:硅氧四面體([Si O4]0)和鋁氧四面體([Al O4]-),并且鋁氧四面體是存在一個負電荷的,通過組裝合成了硅鋁的具有MFI結(jié)構(gòu)的分子篩,由于這種結(jié)構(gòu)本身帶有一定的負電荷,因此必然要通過額外的陽離子來平衡,使其整體終呈現(xiàn)電中性。而磷鋁分子篩則是磷氧四面體([PO4]+)和鋁氧四面體([Al O4]-)嚴格交替構(gòu)成,骨架呈電中性。當然,在初級結(jié)構(gòu)單元與初級結(jié)構(gòu)單元的連接中,要遵守Lowenstein規(guī)則:在硅鋁骨架結(jié)構(gòu)中,鋁與鋁不能相鄰;在磷酸鹽骨架結(jié)構(gòu)中,如SAPO-34,鋁是不能和二價或者三價金屬原子相鄰、以及磷不能與硅或磷相連的。
分子篩的骨架中存在一特征籠狀結(jié)構(gòu)單元,而籠狀結(jié)構(gòu)單元又是根據(jù)確定它們多面體的多元環(huán)來描述的。例如,我們所熟悉的SOD籠它由八個六元環(huán)和六個四元環(huán)來組成的,一般簡寫成4668。不同的分子篩骨架會含有相同的籠狀結(jié)構(gòu)單元,換句話說,同一個籠狀結(jié)構(gòu)單元通過不同連接方式會形成不同的分子篩骨架結(jié)構(gòu)類型。一個經(jīng)典的例子就是SOD籠。
合成沸石分子篩的基本原料有:硅源、鋁源、堿源、金屬陽離子、其它礦化劑、模板劑和水等。常用的硅源有白炭黑、硅溶膠、固體硅膠、有機硅酸酯、水玻璃等。常用的鋁源有偏鋁酸鈉、硫酸鋁、薄水鋁石、金屬鋁、硝酸鋁、異丙醇鋁、氫氧化鋁等。堿源有氫氧化鈉,氫氧化鉀等。金屬陽離子包括堿金屬陽離子和堿土金屬離子如:Li+、Na+、K+、Ca2+、Ba2+等。分子篩合成的礦化劑有兩種:氫氧根離子和氟離子。模板劑有各種含氮的有機物、季磷鹽等。
反應(yīng)物的起始硅鋁比對終的反應(yīng)產(chǎn)物有很大的影響,但是這兩者又沒有一定的對應(yīng)關(guān)系。一般而言低硅鋁比的LTA分子篩、SOD分子篩、FAU分子篩等都是從低的硅鋁比和高的堿度的原始投料體系中晶化而得的。對于ZSM-5,Beta等這類高硅沸石往往都是從高的投料硅鋁比以及低堿度的原始投料中獲得的。通常而言,增加投料的硅鋁比在一定范圍里往往能增加產(chǎn)物的硅鋁比,但是并不是所有分子篩都能通過調(diào)節(jié)原料硅鋁比來合成高硅或低硅的產(chǎn)物,如高硅LTA分子篩、低硅ZSM-5分子篩等超出正常硅鋁比范圍的產(chǎn)物是很難合成的。另外,終產(chǎn)物中得到的硅鋁比往往低于原始投料的硅鋁比,這是因為OH-溶解硅物種,使鋁物種幾乎全部進入骨架,母液中留下的是可溶的多余的硅。
從原料的均勻混合到升溫晶化前的靜止過程,這一個階段被叫做陳化。在陳化過程中,凝膠的組成、結(jié)構(gòu)都是會發(fā)生變化的,陳化過程有時甚至是緩慢的成核過程,導致分子篩生長周期的縮短。為典型的例子是在合成FAU分子篩時使用的Y導向劑就需要所有反應(yīng)物混合均勻后室溫陳化,這是因為導向劑經(jīng)過陳化產(chǎn)生了微小的沸石晶核,并且含有大量的六元環(huán)。
對于合成沸石分子篩,溫度是一個很重要的因素。溫度變化會影響水在反應(yīng)釜中的壓力的變化、硅鋁酸鹽的聚合狀態(tài)和聚合反應(yīng)、凝膠的生成和溶解與轉(zhuǎn)變、分子篩的成核與生長以及介穩(wěn)相間的轉(zhuǎn)晶。相同的體系在不同的溫度下可能會得到完全不一樣的物相,溫度越高得到的沸石的尺寸和孔體積越小,晶體骨架密度相應(yīng)增大。一般而言在150 °C以下,初級結(jié)構(gòu)往往是四元環(huán)或六元環(huán),而當溫度150 °C,則往往是五元環(huán)的初級結(jié)構(gòu)單元。由此可見,在高溫水熱條件下,無機物(主要是硅鋁酸鹽物種)的造孔規(guī)律和晶化溫度與水蒸汽壓之間存在著密切的聯(lián)系。
晶化時間往往也是分子篩合成的一個重要因素。晶化時間不夠常常會有大量的原料未轉(zhuǎn)化,時間過長,往往會發(fā)生晶體轉(zhuǎn)晶的現(xiàn)象,一般由比較空曠的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為比較致密的結(jié)構(gòu)。晶化時間與晶化溫度往往是相輔相成的,降低溫度,就要增加晶化時間;升高溫度,有時就要縮短晶化時間。
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