分子篩的骨架中存在一特征籠狀結(jié)構(gòu)單元,而籠狀結(jié)構(gòu)單元又是根據(jù)確定它們多面體的多元環(huán)來(lái)描述的。例如,我們所熟悉的SOD籠它由八個(gè)六元環(huán)和六個(gè)四元環(huán)來(lái)組成的,一般簡(jiǎn)寫(xiě)成4668。不同的分子篩骨架會(huì)含有相同的籠狀結(jié)構(gòu)單元,換句話說(shuō),同一個(gè)籠狀結(jié)構(gòu)單元通過(guò)不同連接方式會(huì)形成不同的分子篩骨架結(jié)構(gòu)類型。一個(gè)經(jīng)典的例子就是SOD籠。
,沸石分子篩所需的原料混合后,主要物種硅酸鹽與鋁酸鹽聚合生成硅鋁酸鹽初始凝膠。這種硅鋁酸鹽凝膠是在高濃度條件下快速形成的,因此具有很高無(wú)序度,但是這種硅鋁酸鹽凝膠中可能含有某些初級(jí)結(jié)構(gòu)單元,如:四元環(huán)、六元環(huán)等等。同時(shí),這種凝膠和液相之間建立了溶解平衡。另外,硅鋁酸根離子的溶度積與凝膠的結(jié)構(gòu)和溫度息息相關(guān),隨著晶化溫度的變化,這種凝膠和液相之間建立起新的凝膠和溶液的平衡。其次,液相中多硅酸根與鋁酸根濃度的增加導(dǎo)致晶核的形成,然后是沸石分子篩晶體的生長(zhǎng)。在沸石分子篩的成核和晶體生長(zhǎng)過(guò)程中,消耗了液相中的多硅酸根與鋁酸根離子,從而引起硅鋁凝膠的繼續(xù)溶解。由于沸石晶體的溶解度小于無(wú)定形凝膠的溶解度,后結(jié)果是凝膠的完全溶解,沸石分子篩晶體的完全生長(zhǎng)。
Zhdanov的實(shí)驗(yàn)表明,沸石分子篩晶體生長(zhǎng)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(guò)程中液相各組分濃度是不斷變化的,這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了液相轉(zhuǎn)變機(jī)理。對(duì)液相轉(zhuǎn)變機(jī)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(chǎn)物的類型。初投料的反應(yīng)物的不同會(huì)導(dǎo)致后的生成物的完全不同,如,陽(yáng)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(duì)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(jiǎn)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(lái)表述整個(gè)物料時(shí),從中可以發(fā)現(xiàn)許多結(jié)構(gòu)只能在一個(gè)特定的區(qū)域里得到。有時(shí)由于過(guò)于多的影響因素,只能選擇一兩個(gè)變量來(lái)作圖。另外,投料時(shí)的加料順序,人為操作對(duì)于分子篩的合成也是一個(gè)影響因素。
反應(yīng)物的起始硅鋁比對(duì)終的反應(yīng)產(chǎn)物有很大的影響,但是這兩者又沒(méi)有一定的對(duì)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(duì)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(guò)調(diào)節(jié)原料硅鋁比來(lái)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?yàn)镺H-溶解硅物種,使鋁物種幾乎全部進(jìn)入骨架,母液中留下的是可溶的多余的硅。
對(duì)于合成沸石分子篩,溫度是一個(gè)很重要的因素。溫度變化會(huì)影響水在反應(yīng)釜中的壓力的變化、硅鋁酸鹽的聚合狀態(tài)和聚合反應(yīng)、凝膠的生成和溶解與轉(zhuǎn)變、分子篩的成核與生長(zhǎng)以及介穩(wěn)相間的轉(zhuǎn)晶。相同的體系在不同的溫度下可能會(huì)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(yīng)增大。一般而言在150 °C以下,初級(jí)結(jié)構(gòu)往往是四元環(huán)或六元環(huán),而當(dāng)溫度150 °C,則往往是五元環(huán)的初級(jí)結(jié)構(gòu)單元。由此可見(jiàn),在高溫水熱條件下,無(wú)機(jī)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(lián)系。
晶化時(shí)間往往也是分子篩合成的一個(gè)重要因素。晶化時(shí)間不夠常常會(huì)有大量的原料未轉(zhuǎn)化,時(shí)間過(guò)長(zhǎng),往往會(huì)發(fā)生晶體轉(zhuǎn)晶的現(xiàn)象,一般由比較空曠的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為比較致密的結(jié)構(gòu)。晶化時(shí)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(shí)間;升高溫度,有時(shí)就要縮短晶化時(shí)間。