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從簡單的基本結構單元進行研究。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構單元(TO4四面體)。例如:對于silicalite-1沸石分子篩來講,它的初級結構單元是硅氧四面體([Si O4]0),并且這個四面體結構單元呈現電中性,這些硅氧四面體通過共用氧原子的連接,形成了具有MFI結構的沸石分子篩。在合成中模板劑和吸附水是存在于它的孔道中的。當然,當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電荷的,通過組裝合成了硅鋁的具有MFI結構的分子篩,由于這種結構本身帶有一定的負電荷,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]-)嚴格交替構成,骨架呈電中性。當然,在初級結構單元與初級結構單元的連接中,要遵守Lowenstein規(guī)則:在硅鋁骨架結構中,鋁與鋁不能相鄰;在磷酸鹽骨架結構中,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。
分子篩的骨架結構由初級結構單元進行有限或者無限的連接后而形成的。有限的結構單元,如次級結構單元通常是指由TO4四面體通過共同使用的氧原子,從而按照不同的連接方式組成的多元環(huán)結構,比較常見的環(huán)結構如四元環(huán)、五元環(huán)、六元環(huán)、雙四元環(huán)和雙六元環(huán)?,F在所發(fā)現的為18種次級結構單元。例如4-4次級結構單元,它所代表的的是兩個四元環(huán),即雙四元環(huán)。正如我們所熟知的A型分子篩,它就是通過SOD籠與雙四元環(huán)之間進行連接從而形成了沸石分子篩。當然我們所說的SBU只是在理論意義上的拓撲單元,是為了更好的理解和解釋沸石分子篩的結構,不能這樣就認為是沸石分子篩晶化過程的真實物種。
固相轉變機理是由Flanigen和Breck提出的,也是早提出的沸石分子篩晶化機理。他們認為:
在沸石分子篩的整個晶化過程中只是凝膠固相本身在水熱條件下產生,然后直接進行硅鋁酸鹽骨架的結構重排,進而導致了沸石分子篩的成核和晶體的生長,而在沸石分子篩晶化過程中既沒有凝膠固相的溶解,也并沒有液相直接來參與沸石分子篩的成核以及晶體的生長。
,沸石分子篩合成所需的各種原料混合后,主要物種硅酸鹽與鋁酸鹽聚合生成硅鋁酸鹽初始凝膠。同時,凝膠間液相雖然也產生,然而液相部分并不參與晶化成核的過程中。其次,所形成的硅鋁酸鹽初始凝膠在OH-離子的作用下卻不斷發(fā)生解聚與結構重排,從而形成某些沸石晶化所需要的初級結構單元。后,這些初級結構單元進一步圍繞著水合陽離子發(fā)生重排構成多面體,這些多面體再進一步聚合、連接、形成沸石分子篩晶體。
Zhdanov的實驗表明,沸石分子篩晶體生長速度與液相中多硅酸根和鋁酸根離子的濃度息息相關,并且晶化過程中液相各組分濃度是不斷變化的,這些實驗結果支持了液相轉變機理。對液相轉變機理有利的證明是從液相中直接晶化沸石分子篩,Koizumi等人直接從澄清溶液中合成出了SOD,GIS、FAU等沸石分子篩。
初始凝膠的配比往往能夠決定終產物的類型。初投料的反應物的不同會導致后的生成物的完全不同,如,陽離子不同可以導致分子篩產物的不同,鈉離子容易導向LTA、CAN、FAU、GIS等分子篩骨架的生成;而鉀離子則容易導向LTL、CHA、ERI等類型的分子篩骨架。即使初的反應物相同只是反應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致分子篩晶體大小、形貌、甚至骨架類型的改變。當我們用相圖來表述整個物料時,從中可以發(fā)現許多結構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。
對于合成沸石分子篩,溫度是一個很重要的因素。溫度變化會影響水在反應釜中的壓力的變化、硅鋁酸鹽的聚合狀態(tài)和聚合反應、凝膠的生成和溶解與轉變、分子篩的成核與生長以及介穩(wěn)相間的轉晶。相同的體系在不同的溫度下可能會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,晶體骨架密度相應增大。一般而言在150 °C以下,初級結構往往是四元環(huán)或六元環(huán),而當溫度150 °C,則往往是五元環(huán)的初級結構單元。由此可見,在高溫水熱條件下,無機物(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系。
晶化時間往往也是分子篩合成的一個重要因素。晶化時間不夠常常會有大量的原料未轉化,時間過長,往往會發(fā)生晶體轉晶的現象,一般由比較空曠的結構轉化為比較致密的結構。晶化時間與晶化溫度往往是相輔相成的,降低溫度,就要增加晶化時間;升高溫度,有時就要縮短晶化時間。
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