沸石分子篩的合成機(jī)理課件.ppt

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1、沸石分子篩生成機(jī)理蔣尚沸石的生成涉及到硅酸根與鋁酸根的縮聚反應(yīng)；溶膠的形成、結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變，凝膠的生成和結(jié)構(gòu)；沸石的成核，沸石的晶體生長；以及硅鋁酸根的聚合態(tài)和結(jié)構(gòu)；硅鋁酸根的結(jié)構(gòu)；亞穩(wěn)相的性質(zhì)和轉(zhuǎn)變等。沸石分子篩生成機(jī)理的研究必然會促進(jìn)開發(fā)新的分子篩以及對特定結(jié)構(gòu)、性能的新型分子篩進(jìn)行設(shè)計合成等。一、固相轉(zhuǎn)變機(jī)理固相轉(zhuǎn)變機(jī)理（固相機(jī)理）認(rèn)為，在晶化過程中既沒有凝膠固相的溶解，也沒有液相直接參與沸石的成核與晶體生長。在凝膠固相中，由于硅鋁酸鹽骨架縮聚、重排，而導(dǎo)致了沸石的成核和晶體的生長。固相轉(zhuǎn)變機(jī)理圖當(dāng)各種原料混合后，硅酸根與鋁酸根聚合生成硅鋁酸鹽初始凝膠。與此同時，雖然也產(chǎn)生凝膠

2、間液相，但是液相部分不參加晶化，并且液相在整個晶化過程中恒定不變。初始凝膠在OH-離子的作用下解聚重排，形成某些沸石所需要的初級結(jié)構(gòu)單元。這些初級結(jié)構(gòu)單元圍繞水合陽離子重排構(gòu)成多面體，這些多面體在進(jìn)一步聚合、連接、形成沸石晶體。二、液相轉(zhuǎn)變機(jī)理Kerr和Ciric等從A型分子篩的研究中提出液相機(jī)理，認(rèn)為沸石晶體是從溶液中生長的，初始凝膠至少是部分的溶解到溶液中，形成溶液中活性的硅酸根和鋁酸根離子，它們又進(jìn)一步連接，構(gòu)成沸石晶體的結(jié)構(gòu)單元，并且逐步形成沸石晶體。Zhdanov等人詳細(xì)論述了液相機(jī)理，并用實驗事實加以證明。它們認(rèn)為：沸石晶核是在液相中或在凝膠的界面上形成的，晶核生長消

3、耗溶液中的硅酸根水合離子，溶液提供了沸石晶體生長所需的可溶結(jié)構(gòu)單元，晶化過程中液相組分的消耗導(dǎo)致了凝膠固相的繼續(xù)溶解。原料混合后，首先生成初始的硅鋁酸鹽凝膠，這種凝膠是高濃度條件下形成的，其形成速度很快，因此是無序狀態(tài)的，但這種凝膠中可能含有某些簡單的初級結(jié)構(gòu)單元，如：四元環(huán)，六元環(huán)等。這種凝膠和液相建立了溶解平衡。硅鋁酸根離子的溶度積依賴于凝膠的結(jié)構(gòu)和溫度，當(dāng)升溫晶化時，建立起新的凝膠和溶液的平衡，液相中硅鋁酸根濃度的增加導(dǎo)致晶核的形成，相繼為晶體的生長。成核和晶體生長消耗了液相中的硅鋁酸根離子，并引起無定形凝膠的繼續(xù)溶解。由于沸石晶體的溶解度小于無定形凝膠的溶解度，其結(jié)果是凝

4、膠的完全溶解，沸石晶體的完全生長。1977年Angell等人采用多種方法，綜合研究了A型沸石生成過程，從中得出了A型沸石的生成屬于液相轉(zhuǎn)變的結(jié)論。這種液相轉(zhuǎn)化分三步：（1）初級硅鋁酸鹽凝膠的生成。（2）次級硅鋁酸鹽凝膠的生成。（3）次級凝膠的晶化。三、雙相轉(zhuǎn)變機(jī)理近年來，國內(nèi)外有人提出雙相轉(zhuǎn)變機(jī)理，認(rèn)為沸石晶化的固相轉(zhuǎn)變都是存在的。它們可以分別發(fā)生在兩種反應(yīng)體系中，也可以同時在一個體系中發(fā)生。四、液相中硅酸根與鋁酸根離子的聚合反應(yīng)S.P.DentGlasser等人認(rèn)為，存在著兩種形式的硅氧四面體和鋁氧四面體的結(jié)合形式，第一種是共價型的（圖1：Q1，Q2，Q3，Q4），第二種是五配

5、位中間體型，它的反應(yīng)如圖2。圖1圖2S.P.DentGlasser等在五配位中間體鋁的基礎(chǔ)上提出了兩種硅鋁酸鹽縮聚反應(yīng)機(jī)理：機(jī)理1(如下圖)：五配位中間體機(jī)理(堿延遲機(jī)理)：在低的硅鋁比（Si/Al<6），開始時，Al（OH）4-和帶負(fù)電荷不太高的單態(tài)硅氧四面體反應(yīng)，生成五配位的中間體（Al*），帶負(fù)電荷的五配位中間體（Al*）被陽離子吸引并且圍繞M+進(jìn)行縮聚反應(yīng)，生成共價型的復(fù)雜離子，然后繼續(xù)反應(yīng)生成凝膠骨架。機(jī)理1主要發(fā)生在低硅鋁比的條件下，因為這種條件下存在大量的Al(OH)4-。討論：（1）Al(OH)4-只能和負(fù)電荷不太高的單態(tài)硅氧四面體反應(yīng)，若堿濃度增加，單態(tài)硅氧四面

6、體的負(fù)電荷增加，不利于生成五配位中間體（Al*）的反應(yīng)進(jìn)行。（2）由于五配位中間體（Al*）帶負(fù)電荷，當(dāng)（Al*）圍繞M+進(jìn)行縮聚反應(yīng)時，要求M+離子具有適合的體積。在堿金屬離子中，K+離子的體積最適合，因而含鉀的硅酸鹽體系的膠凝最快。（3）按機(jī)理1反應(yīng)的體系，主要是含有Al（OH）4-和單態(tài)的硅氧四面體，其分子量較小，隨著反應(yīng)進(jìn)行生成相當(dāng)數(shù)量的五配位中間體（Al*），（Al*）之間可以很快反應(yīng)生成共價型的復(fù)雜離子，分子量聚增。機(jī)理2：陽離子“橋聯(lián)”膠凝機(jī)理：在水溶液中，堿金屬陽離子與水形成水合陽離子。由于這種水合作用不十分強(qiáng)，水分子往往可以被帶負(fù)電的復(fù)雜硅鋁酸根離子或硅酸根離子

7、所取代，然后這些硅鋁酸根或硅酸根圍繞著陽離子進(jìn)一步縮聚。陽離子起到了“橋聯(lián)”的作用。機(jī)理2主要發(fā)生在高硅鋁比的條件下，并要求有適當(dāng)聚合態(tài)的硅鋁酸跟或硅酸根存在。聚合度太高的硅鋁酸根或硅酸根難于取代陽離子周圍的水分子，這是必須解離成合適的較低的聚合態(tài)。討論：在高硅鋁比區(qū)域內(nèi)，（1）隨著堿度的降低，膠凝時間增加。（2）按Na+，K+，Cs+的順序，有效正電場強(qiáng)度依次降低，其“橋聯(lián)”膠凝作用也依次減弱，因而其膠凝時間依次增加。因為在高硅鋁比條件下，開始時硅酸根的聚合態(tài)就較高，分子量較大