地质聚合物凝胶转化法制备方沸石晶体研究

地质聚合物(Geopolymer)是一种由无定形的铝硅酸盐矿物(含有氧化铝和二氧化硅)与水玻璃、强酸(盐)、或强碱混合反应而成的具有非晶态或准晶态的一类无机聚合物胶凝材料。沸石分子筛(zeolite)不仅在其传统应用领域如：有毒有害物质吸附、石化催化、离子交换等方面得到了快速的发展；在高新技术先进材料领域上的应用,例如纳米反应器、微电子学、光学反射器,也发展迅速,成为无机多孔材料发展的重要方向之一。本论文在课题组前期研究的基础上,通过合成Na2O-4SiO2-Al2O3地质聚合物凝胶转换法制备了晶体尺寸可控制在50-1200μm的方沸石晶体,详细考察了水热时间、水热温度、碱度、陈化时间、陈化温度、不同硅铝比粉体等因素对方沸石晶体尺寸和形貌的影响,同时还探讨了大尺寸方沸石晶体的转化过程和生长机理。 偏高岭土与水玻璃反应是制备和研究地质聚合物的经典体系,为了减少原料中杂质的影响,保证反应活性,本课题组首先通过溶胶-凝胶法制备了与偏高岭土组成与结构类似Al2O3-SiO2干凝胶粉体。本文以合成的Al2O3-SiO2粉体为硅源和铝源,以工业级水玻璃为碱激发剂,按照方沸石理论配比(Na:Al:Si=1:1:2)制备了Na2O-Al2O3-4SiO2地质聚合物凝胶体,再通过水热合成法制备了不同尺寸方沸石晶体。实验通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、BET等测试手段对方沸石产物的相组成、微观形貌、孔径及比表面积等进行了研究,确定了利用地质聚合物制备大尺寸方沸石的最佳工艺参数。实验的主要结论如下： (1)根据方沸石的理论配比设计地质聚合物体系的原料组成,研究了陈化时间、陈化温度、不同水玻璃模数等对地质聚合物及其后续转化制备方沸石晶体的影响。确定了制备碱基地质聚合物的最佳条件为：水钠比为9.5,水玻璃模数为1.0,陈化温度为70℃,陈化时间为72h。 (2)主要研究了水热釜中水热母液的水钠比、水热温度、水热时间、不同水玻璃模数和不同硅源的摩尔比对地质聚合物转化为方沸石晶体尺寸和形貌的影响；实验结果表明,在上述影响因素中,水热时间和水热温度对方沸石尺寸和形貌影响最大；研究表明通过控制水热时间,方沸石晶体可以控制在50-1200μ m范围内,且形貌规整；地质聚合物凝胶转化制备方沸石分子筛的最佳制备工艺参数为：水热母液的体积为100ml,水热时间为6h,水热晶化温度为240℃。 (3)合成Na2O-Al2O3-4SiO2地质聚合物与方沸石晶体存在一个物质传递和结构遗传的关系,论文提出了由Na2O-Al2O3-4SiO2地质聚合物凝胶转化方沸石晶体的“解聚过程、缩聚过程和水热晶化过程”三个阶段过程。在大尺寸方沸石晶体形成过程中,控制晶化过程的各种因素至关重要。其中前驱体反应物的活性对大尺寸方沸石晶体的形成和生长起着最重要的作用,不同的硅源(水玻璃与Al2O3-SiO2粉体)由于其存在形式和物质结构的不同,其在碱性溶液中的溶解度、溶酸根解后硅酸根离子的聚合状态和硅铝酸根结合程度也存在差异,控制着晶体生长动力学,影响方沸石晶体成核与生长,从而影响产物晶体粒径大小与分布。研究表明由于两种硅源的活性不同,造成晶化过程中方沸石的成核和成长速度显著降低,从而有利于大尺寸方沸石的形成与生长。