以高岭土为原料沸石分子筛的合成及其氮氧吸附性能研究

当今材料化学研究领域中沸石分子筛及相关科学的研究工作不断拓展创新,至今方兴未艾。沸石分子筛以其对氮氧具有选择性吸附的特性而成为氮氧吸附研究领域的热点。近年来随着变压吸附空分技术的发展以及气体吸附理论的不断完善,沸石分子筛吸附剂的研发迫在眉睫。本论文以廉价的高岭土为原料,利用水热合成法开展了沸石分子筛合成研究。借助于XRD分析了晶化反应条件对沸石分子筛结晶的影响,讨论了不同类型沸石分子筛的结晶变化规律和相转变规律。对所合成的沸石分子筛进行了平衡阳离子调变,制备了不同平衡阳离子的沸石分子筛吸附剂。利用XRD、比表面积及孔隙率分析仪等测试技术对其晶相、比表面积、氮氧吸附量进行了系统测试表征。探讨了沸石分子筛的类型、平衡阳离子性质等因素对其氮氧吸附性能的重要影响。主要研究结果如下: 1.以天然黏土矿物高岭土为原料利用水热合成法合成了多种沸石分子筛。未添加硅铝源,主要合成了NaX、NaP、SOD沸石分子筛,利用二元结晶相图分析了沸石分子筛的结晶变化规律及相转变规律。添加铝源,探讨了初始物料硅铝比对最终结晶产物的决定性作用。确定了较低初始物料硅铝比适合NaA沸石分子筛结晶,并详细分析了晶化反应条件对NaA沸石分子筛结晶的影响。添加硅源,研究了沸石分子筛的结晶情况,确定了较高初始物料硅铝比适合NaP沸石分子筛结晶。 2.对以高岭土为原料合成的NaA沸石分子筛进行了平衡阳离子调变,研究了25℃时不同平衡阳离子A型沸石分子筛的氮氧吸附性能,得到了气体吸附性能较好的两种沸石分子筛即NaMgA和NaCoA。NaMgA沸石分子筛具有较高的氮气吸附量和氮氧吸附选择性,分析了镁离子的关键作用,确定了镁离子与氮分子之间的范德华力为气体吸附的主要作用力。NaCoA沸石分子筛也具有较高的氮气吸附量和氮氧吸附选择性,利用朗格缪尔方程和维里方程拟合氮气吸附数据得到了较高的朗格缪尔常数和亨利常数,说明了氮分子和钴离子之间存在着吸附作用力。由克劳修斯-克拉柏龙方程计算得到的较高氮气吸附热及M-N≡N红外特征吸收峰的存在,推断了π络合作用为NaCoA吸附氮气的主要作用力。 3.对以高岭土为原料合成的NaX沸石分子筛进行了平衡阳离子调变,研究了25℃时不同平衡阳离子X型沸石分子筛的氮氧吸附性能,其中锂离子、钙离子、银离子、锰离子作为平衡阳离子的沸石分子筛具有较高的氮气吸附量。X型沸石分子筛的气体吸附结果与相同平衡阳离子A型沸石分子筛相比存在较大差异,分析认为沸石分子筛的骨架结构对气体吸附性能有着重要的影响。 4.对具有一维孔道结构的ANA沸石分子筛和二维孔道结构的MOR沸石分子筛进行了平衡阳离子调变,研究了其25℃时的氮氧吸附性能。ANA沸石分子筛的氮氧吸附量极低,分析与骨架结构和孔径大小相关。调变平衡阳离子后MOR沸石分子筛的气体吸附能力提高,但不及A型和X型沸石分子筛,探讨了硅铝比及孔道结构的不同是气体吸附性能差异的主要原因。