從簡(jiǎn)單的基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行研究。通常來(lái)講,沸石分子篩都是一個(gè)個(gè)四面體通過(guò)共用頂點(diǎn)來(lái)堆積得到的,所以一個(gè)四面體就是一個(gè)初級(jí)的結(jié)構(gòu)單元(TO4四面體)。例如:對(duì)于silicalite-1沸石分子篩來(lái)講,它的初級(jí)結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體([Si O4]0),并且這個(gè)四面體結(jié)構(gòu)單元呈現(xiàn)電中性,這些硅氧四面體通過(guò)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(dāng)然,當(dāng)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(gè)負(fù)電荷的,通過(guò)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(fù)電荷,因此必然要通過(guò)額外的陽(yáng)離子來(lái)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(yán)格交替構(gòu)成,骨架呈電中性。當(dāng)然,在初級(jí)結(jié)構(gòu)單元與初級(jí)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(jià)或者三價(jià)金屬原子相鄰、以及磷不能與硅或磷相連的。
,沸石分子篩所需的原料混合后,主要物種硅酸鹽與鋁酸鹽聚合生成硅鋁酸鹽初始凝膠。這種硅鋁酸鹽凝膠是在高濃度條件下快速形成的,因此具有很高無(wú)序度,但是這種硅鋁酸鹽凝膠中可能含有某些初級(jí)結(jié)構(gòu)單元,如:四元環(huán)、六元環(huán)等等。同時(shí),這種凝膠和液相之間建立了溶解平衡。另外,硅鋁酸根離子的溶度積與凝膠的結(jié)構(gòu)和溫度息息相關(guān),隨著晶化溫度的變化,這種凝膠和液相之間建立起新的凝膠和溶液的平衡。其次,液相中多硅酸根與鋁酸根濃度的增加導(dǎo)致晶核的形成,然后是沸石分子篩晶體的生長(zhǎng)。在沸石分子篩的成核和晶體生長(zhǎng)過(guò)程中,消耗了液相中的多硅酸根與鋁酸根離子,從而引起硅鋁凝膠的繼續(xù)溶解。由于沸石晶體的溶解度小于無(wú)定形凝膠的溶解度,后結(jié)果是凝膠的完全溶解,沸石分子篩晶體的完全生長(zhǎng)。
水熱合成法是在沸石分子篩合成中常用和有效的途徑,深入研究分子篩水熱合成的主要困難是對(duì)分子篩的生成機(jī)理了解的還不夠清楚。但是,對(duì)于沸石分子篩的合成來(lái)說(shuō)無(wú)論哪種生成機(jī)理,其晶化過(guò)程都要經(jīng)歷相同的基本步驟:多硅酸鹽與鋁酸鹽的再聚合、分子篩成核、核生長(zhǎng)、分子篩晶體的生長(zhǎng)以及引起的二次成核。為了很好的控制和調(diào)變沸石分子篩的合成反應(yīng),重要的是研究反應(yīng)的條件對(duì)合成反應(yīng)的影響。根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),下列影響因素在沸石分子篩的合成中占有很重要的地位,主要包括:反應(yīng)物的組成、硅鋁比、堿度、陳化、晶化溫度與時(shí)間等等。研究這些因素對(duì)于合成沸石具有很重要的意義。
合成沸石分子篩的基本原料有:硅源、鋁源、堿源、金屬陽(yáng)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(jī)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(yáng)離子包括堿金屬陽(yáng)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(jī)物、季磷鹽等。
沸石合成大都是在堿性條件下合成的,常見(jiàn)的堿是無(wú)機(jī)堿氫氧化鈉。我們通常用Na2O/SiO2來(lái)表示體系的堿度。一般而言,堿度增加,硅鋁原料的溶解度增加,硅鋁酸鹽聚合度降低,使溶液中的過(guò)飽和度增大,從而加快成核速度,結(jié)果縮短了誘導(dǎo)期,使之晶化速度加快。此外,增大堿度時(shí)會(huì)使終產(chǎn)品的粒子變小并且粒徑分布變窄,如在無(wú)模板條件下合成具有6nm小尺寸的EMT沸石分子篩。另外當(dāng)體系的堿度增大,有利于生成富鋁的沸石。在無(wú)有機(jī)模板存在的條件下,通過(guò)讓無(wú)機(jī)堿充當(dāng)模板的作用來(lái)合成如Beta,RUB-13, ZSM-12,ZSM-23,MCM-68等沸石分子篩,這些沸石分子篩不僅是高度富鋁的而且還是高度富有無(wú)機(jī)金屬陽(yáng)離子的。另一個(gè)沸石合成的條件是在含有氟離子的中性或酸性條件下來(lái)合成沸石分子篩,氟離子在分子篩合成中取代了堿的作用,來(lái)溶解硅鋁酸鹽凝膠。在氟體系下合成的純硅分子篩缺陷較少,也更容易得到比較的大單晶。
對(duì)于合成沸石分子篩,溫度是一個(gè)很重要的因素。溫度變化會(huì)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(zhǎng)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(huì)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(jí)結(jié)構(gòu)往往是四元環(huán)或六元環(huán),而當(dāng)溫度150 °C,則往往是五元環(huán)的初級(jí)結(jié)構(gòu)單元。由此可見(jiàn),在高溫水熱條件下,無(wú)機(jī)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(shí)間往往也是分子篩合成的一個(gè)重要因素。晶化時(shí)間不夠常常會(huì)有大量的原料未轉(zhuǎn)化,時(shí)間過(guò)長(zhǎng),往往會(huì)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(shí)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(shí)間;升高溫度,有時(shí)就要縮短晶化時(shí)間。
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