分子篩的骨架結(jié)構(gòu)由初級結(jié)構(gòu)單元進行有限或者無限的連接后而形成的。有限的結(jié)構(gòu)單元,如次級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),比較常見的環(huán)結(jié)構(gòu)如四元環(huán)、五元環(huán)、六元環(huán)、雙四元環(huán)和雙六元環(huán)。現(xiàn)在所發(fā)現(xiàn)的為18種次級結(jié)構(gòu)單元。例如4-4次級結(jié)構(gòu)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(dāng)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(jié)構(gòu),不能這樣就認為是沸石分子篩晶化過程的真實物種。
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(guān),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(jié)果支持了液相轉(zhuǎn)變機理。對液相轉(zhuǎn)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。
雙相轉(zhuǎn)變機理
在人們對于沸石分子篩晶化究竟是通過液相轉(zhuǎn)變機理還是通過固相轉(zhuǎn)變機理爭執(zhí)不清時,八十年代之后,又有科學(xué)家提出了雙相轉(zhuǎn)變的機理。雙向轉(zhuǎn)變機理認為液相轉(zhuǎn)變和固相轉(zhuǎn)變同時存在沸石分子篩晶化過程中,既可以分別發(fā)生在兩種晶化反應(yīng)體系中,也可以同時發(fā)生在一個體系中。
Gabelica等人從對ZSM-5分子篩以及Na Y沸石晶化的研究印證了雙相轉(zhuǎn)變機理的存在性。Iton等人在ZSM-5分子篩的晶化過程中應(yīng)用小角中子散射技術(shù)進行研究,同時發(fā)現(xiàn)使用不同的硅源,ZSM-5沸石分子篩的晶化是遵循不同的機理進行。從而得出即使是同一種類型沸石分子篩,在不同的晶化條件下其生長的機理是不一樣的結(jié)論。
初始凝膠的配比往往能夠決定終產(chǎn)物的類型。初投料的反應(yīng)物的不同會導(dǎo)致后的生成物的完全不同,如,陽離子不同可以導(dǎo)致分子篩產(chǎn)物的不同,鈉離子容易導(dǎo)向LTA、CAN、FAU、GIS等分子篩骨架的生成;而鉀離子則容易導(dǎo)向LTL、CHA、ERI等類型的分子篩骨架。即使初的反應(yīng)物相同只是反應(yīng)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(dāng)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(dǎo)致分子篩晶體大小、形貌、甚至骨架類型的改變。當(dāng)我們用相圖來表述整個物料時,從中可以發(fā)現(xiàn)許多結(jié)構(gòu)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。
反應(yīng)物的起始硅鋁比對終的反應(yīng)產(chǎn)物有很大的影響,但是這兩者又沒有一定的對應(yīng)關(guān)系。一般而言低硅鋁比的LTA分子篩、SOD分子篩、FAU分子篩等都是從低的硅鋁比和高的堿度的原始投料體系中晶化而得的。對于ZSM-5,Beta等這類高硅沸石往往都是從高的投料硅鋁比以及低堿度的原始投料中獲得的。通常而言,增加投料的硅鋁比在一定范圍里往往能增加產(chǎn)物的硅鋁比,但是并不是所有分子篩都能通過調(diào)節(jié)原料硅鋁比來合成高硅或低硅的產(chǎn)物,如高硅LTA分子篩、低硅ZSM-5分子篩等超出正常硅鋁比范圍的產(chǎn)物是很難合成的。另外,終產(chǎn)物中得到的硅鋁比往往低于原始投料的硅鋁比,這是因為OH-溶解硅物種,使鋁物種幾乎全部進入骨架,母液中留下的是可溶的多余的硅。
從原料的均勻混合到升溫晶化前的靜止過程,這一個階段被叫做陳化。在陳化過程中,凝膠的組成、結(jié)構(gòu)都是會發(fā)生變化的,陳化過程有時甚至是緩慢的成核過程,導(dǎo)致分子篩生長周期的縮短。為典型的例子是在合成FAU分子篩時使用的Y導(dǎo)向劑就需要所有反應(yīng)物混合均勻后室溫陳化,這是因為導(dǎo)向劑經(jīng)過陳化產(chǎn)生了微小的沸石晶核,并且含有大量的六元環(huán)。