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Vo1.28 高等学校化学学报 No.5 2 0 0 7年5月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 8l6~82O 以高岭土为原料合成沸石分子筛的相变规律 商云帅,孟长功 (大连理工大学化学系,大连116024) 摘要 以天然粘土矿物高岭土为原料,采用水热晶化法合成了NaX,NaP和SOD三类沸石.利用XRD、静态 饱和水吸附等测试手段详细考察了晶化温度、初始反应混合物的碱浓度对沸石结晶的影响.通过实验研究 得到了三类沸石的结晶相区和结晶变化规律,并优化出最佳合成工艺条件和相转变规律. 关键词高岭土;沸石;二元结晶相图 中图分类号O611.4 文献标识码A 文章编号0251-0790(2007)05-0816-05 20世纪60年代,Howell等 首次报道了利用高岭土矿物合成沸石分子筛.此后,又有对以高岭 土或煅烧高岭土为原料合成沸石分子筛的研究报道_2 J.特别是2O世纪7O年代以来,随着人们对传 统洗涤剂助剂三聚磷酸钠造成环境污染的认识及环保意识的增强,洗涤剂行业开始积极采用NaA沸石 作为替代品,从而促进了NaA沸石的合成并取得了许多有意义的研究结果 卜m J.另外,NaX沸石也广 泛作为吸附干燥剂用于气体分离与净化,作为催化剂用于石油加工业等.随着工业生产需求的扩大, 促进了以成本低廉的高岭土为原料合成沸石分子筛的研究 川.但到目前为止,有关使用高岭土为 原料开展的研究都是以合成具有理想组成和结构的沸石为目的 ,而关于相稳定性规律、结晶相 图等的系统研究则少见报道. 本文以天然粘土矿物高岭土为原料,采用水热法合成了NaX,NaP和SOD三种沸石,并着重讨论 了以高岭土为原料合成沸石的二元结晶相图,研究了其相稳定性规律.确定了在固相反应原料存在下 沸石分子筛的生长规律,这对以其它粘土矿物为原料合成沸石分子筛具有十分重要的意义. 1 实验部分 1.1原 料 实验用高岭土产自山西平陆,经600 oC焙烧2 h.采用x射线荧光光谱分析测定其化学组成,硅铝 比[n(SiO )/n(A1 O )]为1.97.经x射线粉末衍 射(见图1)分析表明其为无定形态. 1.2测试仪器 采用日本岛津XRD-6000型x射线衍射仪对所 有样品进行晶相分析.实验条件:Cu Ka(A= 0.154060 nm),管电压40 kV,管电流30 mA,扫描 范围(20):3。~50。,扫描速度:8 ̄/min.采用德国 布鲁克公司XRF-3400型x射线荧光光谱仪分析化 学组成. g.1 20/(。) X-ray diffraction lamttern of kaolin 1.3实验方法 将一定质量的原料高岭 ̄JJ ̄ek到一定体积和浓度的NaOH溶液中(浓度范围为2.0~7.0 mol/L), 混合,搅拌均匀,再将反应混合物装入70 mL的不锈钢反应釜中,密闭.在80~120 oC下晶化反应 20 h,对合成产物进行过滤,洗涤,烘干,即得沸石产品. 收稿日期:2006-09-05. 联系人简介:孟长功(1964年出生),男,教授,主要从事无机微孔材料研究.E—mail:cgmeng@dlut.edu.cn 维普资讯 http://www.cqvip.com
商云帅等:以高岭土为原料合成沸石分子筛的相变规律 817 2结果与讨论 ‘ 实验中固定初始反应混合物 (SiO ) (A1 0,)=1.97,晶化时间20 h,溶液体积30 mL,改变晶 化温度(80~120℃)和初始反应混合物的碱浓度 (2.0~7.0 mol/L),得二元结晶相图(如图2所 示). 2.1 NaX沸石结晶相区及结晶规律 图2中晶化温度为80—110 oC及碱浓度为 3.0~5.0 mol/L的相区是NaX沸石结晶相区.包含 纯相NaX(1)区及含杂相的NaX(2)区. 2.1.1 NaX(1)沸石结晶相区 晶化温度对沸石结 晶的影响:选取碱浓度为3.5 mol/L,在不同晶化温 。 三 呈 ! 度下均生成NaX沸石,但其结晶度不同.从图3可 知,随着晶化温度的升高,NaX沸石结晶度提高. 反应体系的碱浓度对沸石结晶的影响:选取晶 化温度为85℃,在不同碱浓度的条件下均生成 NaX沸石,但其结晶度不同.从图4可知,随着碱’Nd e(Nap oD MaA)‘ 一更浓度的增大,NaX沸石结晶度提高.晶化温度90℃的各点,碱浓度对沸石结晶影响与之相同.故NaX 沸石最佳晶化合成条件为晶化温度90℃,碱浓度为3.5 mol/L. 20/(。) Fig.3 XRD patterns of zeolite NaX synthesized at 2 (。) Fig.4 XRD patterns of zeolite NaX synthesized at difreI1ent concentrations of NaOlt solutions different temperatures 口.80℃;b.85℃;c.90℃. c(NaOH)/(tool・L’ ):口.3.0;b.3.5;c.4.0; d.4.5:e.5.O.t=85℃. cfNaOH):3.5 mo//L. 通过沸石静态饱和吸水量方法¨ 测定沸石结 晶相的相对纯度.由于产物杂晶相为吸水量极小的 无定形硅铝酸盐,所以静态饱和吸水量越大,说明 沸石结晶越好.从NaX(1)相区中各点静态饱和吸 水量与碱浓度的关系图(图5)可知,晶化温度越 高,初始反应混合物碱浓度越大,沸石结晶度越 高.静态饱和吸水量对沸石结晶的反应得到的结论 与XRD分析结果相一致. c(NaOH)/(mol‘L。) .2.1.2 NaX(2)沸石结晶相区 图2中N aX(2)相 Fig5 区是含NaP和SOD杂相的NaX沸石结晶相区.在 碱浓度为3.0~4.0 mol/L时主要含有NaP杂相;Rela 璐hips betw咖wa r adsorp廿oⅡcapa. c and concentration of NaOlt solution at diferent temperatures 在碱浓度为4.0—5.0 mol/L时主要含有SOD杂相;而碱浓度为4.0 mol/L时表现为杂相沸石相变的过 渡状态,即杂相NaP沸石生成趋势逐渐减小,杂相SOD沸石生成趋势逐渐增大,甚至在两相交界处出 维普资讯 http://www.cqvip.com
818 高等学校化学学报 V0】.28 现纯相. 图6为碱浓度3.0 mol/L时,于不同晶化温度下所制得的NaX沸石的XRD图.在95℃时(图6谱 线a)NaP沸石刚刚形成,晶化不完全;100~105℃时(图6谱线b和c)NaP沸石结晶度逐渐提高;在 110℃时(图6谱线d),NaP沸石特征峰已经比较明显.图7为碱浓度3.5 mol/L时,不同晶化温度下 NaX沸石的XRD图,NaP沸石的结晶变化规律与图6完全一致.故晶化温度升高有利于杂相NaP沸石 结晶. 2o/(。) 2o/(。) Fig.6 XRD patterns of zeolite NaX synthesized Fig.7 XRD patterns of zeolite NaX synthesized at different temperatures at different temperatures 口.95℃;b.100℃;c.105℃;d.110℃. 口.95℃;b.100℃;c.105℃;d.110℃. c(NaOH)=3.0 mol/L;P:NaP. c(NaOH)=3.5 mob/L;P:NaP. 分别对应比较图6和图7中的谱线a~d可知,在相同温度下碱浓度对NaP杂相结晶也有重要影 响.图7谱线a中NaP沸石的结晶度高于图6谱线a中NaP沸石的结晶度,但因NaP沸石刚刚形成, 变化并不十分明显;进一步对比图66,76;6c,7c及6d,7d可以得到相同的结论,即图7中NaP沸石 的结晶度普遍高于图6中NaP沸石的结晶度.故较高的碱浓度有利于NaP沸石结晶. 图8和图9分别示出碱浓度为4.5和5.0 mol/L时在不同晶化温度下结晶的NaX沸石的XRD图. 从图8和图9可知,晶化温度升高有利于杂相SOD沸石结晶.分别对应比较图8和图9中谱线a~e 知,较高的碱浓度有利于SOD沸石结晶. 2 (。) 2o/(。) Fig.8 XRD patterns of zeolite NaX synthesized Fig.9 XRD patterns of zeolite NaX synthesized at different temperatures at different temperatures 口.90℃;b.95℃;c.100℃;d.105℃; 口.90℃;b.95℃;c.100℃;d.105℃; e.110℃.c(NaOH)=4.5 mol/L. e.110℃.c(NaOH)=5.0 mol/L. 2.2 NaP沸石结晶相区及结晶规律 图2中碱浓度为2.0~2.5 mol/L、晶化温度为8O~1 15℃的相区是NaP沸石结晶相区.当晶化温 度低于100℃时,结晶产物为无定形或只有少量NaP沸石结晶;只有在晶化温度高于100℃时,才有 纯相NaP沸石生成. 当碱浓度为2.0 mol/L时,不同晶化温度的点均生成NaP沸石,但其结晶度并不相同.从图1O可 知,随着晶化温度的升高,NaP沸石的结晶度提高.当晶化温度达1 15℃时,不同的碱浓度均生成NaP 沸石,但其结晶度并不相同.从图11可知,随着碱浓度增大,NaP沸石结晶度提高. 维普资讯 http://www.cqvip.com
No.5 商云帅等:以高岭土为原料合成沸石分子筛的相变规律 8l9 2o/(。) 20/(。) Fig.10 XRD paUerns of zeolite NaP synthesized Fig.11 XRD lmRerns of zeolite NaP synthesized at at diferent temperatures dif】ferent concentrations of NaOH solutions Ⅱ.105℃:b.I10℃:c.I15℃. a.2.0 m0L/L:6.2.5 m0L/L- C(NaOH)=2.0 moVL. £:115℃. 从晶化温度和反应体系碱浓度对NaP沸石结晶影响得到NaP沸石最佳晶化合成条件:晶化温度 1 15℃,碱浓度2.5 mol/L. 2.3 SOD沸石结晶相区及结晶规律 图2中碱浓度为5.5~7.0 tool/L,晶化温度为80~1 10 oC的相区是SOD沸石的结晶相区,包括含 杂相的SOD(1)区和纯相SOD(2)区.在SOD(1)区低温高碱浓度下生成NaX和NaP等杂相,只有在高 温或高碱浓度时结晶产物主相才是SOD沸石;SOD(2)区是纯相SOD沸石结晶相区. 在SOD(2)区中,当碱浓度为7.0 mol/L时,不同晶化温度下均生成SOD沸石,但其结晶度并不相 同.从图12可知,当t=80~90 oC(图12谱线口一c)时,虽然生成了纯相SOD沸石,但结晶并不完全; 当晶化温度提高到95~105℃(图12谱线d~. 时,SOD沸石晶化越来越完全;到t=110 oC(图12谱 线g)时结晶已非常完全.故晶化温度升高,SOD沸石结晶度提高. 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 2 (。) 28 ) Fig.12 XRD patterns of zeolite SOD synthesized at Fig.13 XRD patterns of zeolite SOD synthesized at different temperatures d如ferent concentrations of NaOH solutions 口.8O℃;b.85℃;c.9o℃;d.95℃;e.1oo℃; c(NaOH)/(mol・L ):口.5.5;b.6.0;c.6.5; f 105℃;g.11O℃.c(NaOH)=7.0 moL/L. d.7.0. =11O℃. 当晶化温度为110 oC时,不同碱浓度的点均生成SOD沸石,但结晶度并不相同.从图13可知,随 着碱浓度的增大,SOD沸石结晶度逐渐增大,但变化并不明显,因为在t:110 oC时SOD沸石结晶都已 经非常完全,所以不会再有太大幅度的变化. 从晶化温度和反应体系碱浓度对SOD沸石结晶影响得到SOD沸石最佳晶化合成条件:晶化温度 110 oC,碱浓度7.0 moL/L. 参考文献 [I]HoweH P.A.,Acara N.A..Process for Producing Molecular Sieve Bodies,US Patent,3119660[P],1964-01—28 [2]Lovat V.C.R.,Chandrasekhar S..Zeolitse[J],1993,13(7):524—533 [3]Deepak A.,Alan C.,Russell F.H..Zeolites[J],1997,19(5/6):359-_365 维普资讯 http://www.cqvip.com
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