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对于沸石分子筛的形成及其生长机理的深入研究有助于人们更好的设计合成新型沸石分子筛拓扑结构、扩展沸石分子筛材料合成新路线、开发沸石分子筛材料的新性质及新用途。尽管沸石分子筛的发展已经有许多年了,但是对于它的合成机理方面一直未有一个真正的定论。研究分子筛的晶化机理即具有十分重要的理论意义,也对合成新型的沸石分子筛合成具有实际的指导意义。目前具有代表性的为固相转变机理(Solid hydrogel Transformation mechanism)、液相转变机理(Solution-mediated Transport mechanism)和双相转变机理这三种机理。
,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。
Zhdanov的实验表明,沸石分子筛晶体生长速度与液相中多硅酸根和铝酸根离子的浓度息息相关,并且晶化过程中液相各组分浓度是不断变化的,这些实验结果支持了液相转变机理。对液相转变机理有利的证明是从液相中直接晶化沸石分子筛,Koizumi等人直接从澄清溶液中合成出了SOD,GIS、FAU等沸石分子筛。
水热合成法是在沸石分子筛合成中常用和有效的途径,深入研究分子筛水热合成的主要困难是对分子筛的生成机理了解的还不够清楚。但是,对于沸石分子筛的合成来说无论哪种生成机理,其晶化过程都要经历相同的基本步骤:多硅酸盐与铝酸盐的再聚合、分子筛成核、核生长、分子筛晶体的生长以及引起的二次成核。为了很好的控制和调变沸石分子筛的合成反应,重要的是研究反应的条件对合成反应的影响。根据多年的实践经验,下列影响因素在沸石分子筛的合成中占有很重要的地位,主要包括:反应物的组成、硅铝比、碱度、陈化、晶化温度与时间等等。研究这些因素对于合成沸石具有很重要的意义。
反应物的起始硅铝比对终的反应产物有很大的影响,但是这两者又没有一定的对应关系。一般而言低硅铝比的LTA分子筛、SOD分子筛、FAU分子筛等都是从低的硅铝比和高的碱度的原始投料体系中晶化而得的。对于ZSM-5,Beta等这类高硅沸石往往都是从高的投料硅铝比以及低碱度的原始投料中获得的。通常而言,增加投料的硅铝比在一定范围里往往能增加产物的硅铝比,但是并不是所有分子筛都能通过调节原料硅铝比来合成高硅或低硅的产物,如高硅LTA分子筛、低硅ZSM-5分子筛等超出正常硅铝比范围的产物是很难合成的。另外,终产物中得到的硅铝比往往低于原始投料的硅铝比,这是因为OH-溶解硅物种,使铝物种几乎全部进入骨架,母液中留下的是可溶的多余的硅。
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。