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從簡單的基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)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(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負(fù)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(fù)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(yán)格交替構(gòu)成,骨架呈電中性。當(dāng)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。
液相轉(zhuǎn)變機理由Kerr和Ciric提出,與固相轉(zhuǎn)變機理的提出幾乎是在同一個時期。他們認(rèn)為:沸石分子篩晶體的成核和生長是在溶液中直接進(jìn)行,初始凝膠慢慢的溶解到溶液中,生成了活性物種硅鋁酸根離子,然后再發(fā)生縮合,慢慢的形成了沸石分子篩所需要的結(jié)構(gòu)單元,再進(jìn)一步生成了沸石分子篩。
雙相轉(zhuǎn)變機理
在人們對于沸石分子篩晶化究竟是通過液相轉(zhuǎn)變機理還是通過固相轉(zhuǎn)變機理爭執(zhí)不清時,八十年代之后,又有科學(xué)家提出了雙相轉(zhuǎn)變的機理。雙向轉(zhuǎn)變機理認(rèn)為液相轉(zhuǎn)變和固相轉(zhuǎn)變同時存在沸石分子篩晶化過程中,既可以分別發(fā)生在兩種晶化反應(yīng)體系中,也可以同時發(fā)生在一個體系中。
Gabelica等人從對ZSM-5分子篩以及Na Y沸石晶化的研究印證了雙相轉(zhuǎn)變機理的存在性。Iton等人在ZSM-5分子篩的晶化過程中應(yīng)用小角中子散射技術(shù)進(jìn)行研究,同時發(fā)現(xiàn)使用不同的硅源,ZSM-5沸石分子篩的晶化是遵循不同的機理進(jìn)行。從而得出即使是同一種類型沸石分子篩,在不同的晶化條件下其生長的機理是不一樣的結(jié)論。
初始凝膠的配比往往能夠決定終產(chǎn)物的類型。初投料的反應(yīng)物的不同會導(dǎo)致后的生成物的完全不同,如,陽離子不同可以導(dǎo)致分子篩產(chǎn)物的不同,鈉離子容易導(dǎo)向LTA、CAN、FAU、GIS等分子篩骨架的生成;而鉀離子則容易導(dǎo)向LTL、CHA、ERI等類型的分子篩骨架。即使初的反應(yīng)物相同只是反應(yīng)物含量有微少的差別也極有可能得到不同的物相,如堿度對分子篩合成體系的影響。另外當(dāng)所有物料比例都相同,只是簡單的使用不同的硅源也有可能導(dǎo)致分子篩晶體大小、形貌、甚至骨架類型的改變。當(dāng)我們用相圖來表述整個物料時,從中可以發(fā)現(xiàn)許多結(jié)構(gòu)只能在一個特定的區(qū)域里得到。有時由于過于多的影響因素,只能選擇一兩個變量來作圖。另外,投料時的加料順序,人為操作對于分子篩的合成也是一個影響因素。
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(jìn)入骨架,母液中留下的是可溶的多余的硅。
沸石合成大都是在堿性條件下合成的,常見的堿是無機堿氫氧化鈉。我們通常用Na2O/SiO2來表示體系的堿度。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,增大堿度時會使終產(chǎn)品的粒子變小并且粒徑分布變窄,如在無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。在無有機模板存在的條件下,通過讓無機堿充當(dāng)模板的作用來合成如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機金屬陽離子的。另一個沸石合成的條件是在含有氟離子的中性或酸性條件下來合成沸石分子篩,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。
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