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催化领域的应用
沸石分子筛具有复杂多变的结构和特的孔道体系,是一种性能优良的催化剂。ZSM- 5 与Y型沸石分子筛共同作用应用于 FCC 反应,以获得较高产率的汽油、丙烯和丁烯。MCM- 22 沸石分子筛在烷基化反应上具有显著的优势,例如 MCM- 22 作为液相烷基化催化剂催化苯和乙烯反应制备乙苯,不仅提高了乙苯选择性,并且 MCM- 22 本身的稳定性高,用量少,可以在反应器中进行原位再生,而其它种类催化剂则从反应器中取出另行再生。在短链烷基取代芳烃的合成反应上,MCM- 56 有更好的活性,并且不容易失活。ZSM- 22 在许多工艺中用作催化剂,但主要是用于丁烯骨架异构和正庚烷异构化两个方面。
SOD笼间通过本身的共面连接形成的是SOD沸石分子筛;SOD笼间通过双四元环的连接,形成的是LTA型分子筛;SOD笼间通过双六元环的连接,形成的是FAU和EMT沸石分子筛。
另外,在沸石分子筛骨架结构中,常会发现一些特征的链和二维三连接的网层结构以及周期性结构单元(PBU)。我们为常见的五种链状结构为是Pentasil链、双锯齿形链、双之字形链、双机轴链和短柱石链。由边共享的笼所组成的Pentasil链是高硅沸石分子筛家族的一个特征链。具有代表性的,MFI的骨架结构就是由Pentasil链构成。平行堆积的二维三连接网层通过上下取向的三连接顶点间相互连接形成三维四连接的骨架结构。例如,GIS类型骨架结构是由4.82二维网层结构上下连接而成。
,沸石分子筛所需的原料混合后,主要物种硅酸盐与铝酸盐聚合生成硅铝酸盐初始凝胶。这种硅铝酸盐凝胶是在高浓度条件下快速形成的,因此具有很高无序度,但是这种硅铝酸盐凝胶中可能含有某些初级结构单元,如:四元环、六元环等等。同时,这种凝胶和液相之间建立了溶解平衡。另外,硅铝酸根离子的溶度积与凝胶的结构和温度息息相关,随着晶化温度的变化,这种凝胶和液相之间建立起新的凝胶和溶液的平衡。其次,液相中多硅酸根与铝酸根浓度的增加导致晶核的形成,然后是沸石分子筛晶体的生长。在沸石分子筛的成核和晶体生长过程中,消耗了液相中的多硅酸根与铝酸根离子,从而引起硅铝凝胶的继续溶解。由于沸石晶体的溶解度小于无定形凝胶的溶解度,后结果是凝胶的完全溶解,沸石分子筛晶体的完全生长。
双相转变机理
在人们对于沸石分子筛晶化究竟是通过液相转变机理还是通过固相转变机理争执不清时,八十年代之后,又有科学家提出了双相转变的机理。双向转变机理认为液相转变和固相转变同时存在沸石分子筛晶化过程中,既可以分别发生在两种晶化反应体系中,也可以同时发生在一个体系中。
Gabelica等人从对ZSM-5分子筛以及Na Y沸石晶化的研究印证了双相转变机理的存在性。Iton等人在ZSM-5分子筛的晶化过程中应用小角中子散射技术进行研究,同时发现使用不同的硅源,ZSM-5沸石分子筛的晶化是遵循不同的机理进行。从而得出即使是同一种类型沸石分子筛,在不同的晶化条件下其生长的机理是不一样的结论。
沸石合成大都是在碱性条件下合成的,常见的碱是无机碱氢氧化钠。我们通常用Na2O/SiO2来表示体系的碱度。一般而言,碱度增加,硅铝原料的溶解度增加,硅铝酸盐聚合度降低,使溶液中的过饱和度增大,从而加快成核速度,结果缩短了诱导期,使之晶化速度加快。此外,增大碱度时会使终产品的粒子变小并且粒径分布变窄,如在无模板条件下合成具有6nm小尺寸的EMT沸石分子筛。另外当体系的碱度增大,有利于生成富铝的沸石。在无有机模板存在的条件下,通过让无机碱充当模板的作用来合成如Beta,RUB-13, ZSM-12,ZSM-23,MCM-68等沸石分子筛,这些沸石分子筛不仅是高度富铝的而且还是高度富有无机金属阳离子的。另一个沸石合成的条件是在含有氟离子的中性或酸性条件下来合成沸石分子筛,氟离子在分子筛合成中取代了碱的作用,来溶解硅铝酸盐凝胶。在氟体系下合成的纯硅分子筛缺陷较少,也更容易得到比较的大单晶。
对于合成沸石分子筛,温度是一个很重要的因素。温度变化会影响水在反应釜中的压力的变化、硅铝酸盐的聚合状态和聚合反应、凝胶的生成和溶解与转变、分子筛的成核与生长以及介稳相间的转晶。相同的体系在不同的温度下可能会得到完全不一样的物相,温度越高得到的沸石的尺寸和孔体积越小,晶体骨架密度相应增大。一般而言在150 °C以下,初级结构往往是四元环或六元环,而当温度150 °C,则往往是五元环的初级结构单元。由此可见,在高温水热条件下,无机物(主要是硅铝酸盐物种)的造孔规律和晶化温度与水蒸汽压之间存在着密切的联系。
晶化时间往往也是分子筛合成的一个重要因素。晶化时间不够常常会有大量的原料未转化,时间过长,往往会发生晶体转晶的现象,一般由比较空旷的结构转化为比较致密的结构。晶化时间与晶化温度往往是相辅相成的,降低温度,就要增加晶化时间;升高温度,有时就要缩短晶化时间。