廉价矿物原料水热法制备沸石分子筛的形成机理与晶体生长模型研究

申少华¹

(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083)

摘要:(1)通过综合分析广西资源红辉沸石和湖南临澧玻屑凝灰岩的矿物组成、化学成分和部分工艺性能,对这两种矿物原料的资源特性进行了评价.并根据其资源特性,对它们进行了预处理,使之成为水热制备沸石分子筛的合格原料.(2)首次以红辉沸石或玻屑凝灰岩为原料,采用水热反应法制备了沸石分子筛系列产品.并在大量实验研究的基础上,深入探讨了反应混合物组成和反应条件对沸石分子筛水热制备的影响,确定了A型、X型和P型沸石水热制备的最佳工艺技术参数.(3)结合反应过程中固相组分的化学成分及红外光谱变化特征,对沸石分子筛的形成条件、晶核形成及其影响因素、晶体生长及其影响因素作了综合分析,证实了水热体系沸石分子筛的形成机理为液相转化机理.(4)首次运用FKM法对反应初期的反应混合物进行TEM制样,并在透射电镜下对所制样品进行了TEM观察和电子衍射分析.结果表明,在水热反应初期,伴随着前驱物的溶解,沸石分子筛以成核作用为主,形成粒度为几个nm的小粒子,这些小粒子迅速聚合生长生成约50nm的纳米晶粒,从而为纳米晶粒的聚合生长提供了有力的证据.(5)通过对沸石分子筛水热制备的分析表征及其晶体生长过程的深入研究,证实水热反应体系中存在着聚合生长和聚集生长两种晶体生长方式,建立了晶体聚合生长模型.聚合生长是小粒子之间相互作用形成粒度更大的粒子的过程;聚集生长则是物料从小尺寸粒子向大尺寸粒子输运的重结晶过程.两者的热力学驱动力都是粒子平均粒度的增大降低了体系总的表面自由能.水热条件下沸石晶粒的形成经历了‘前驱物溶解→成核并形成纳米小粒子→纳米晶粒和微米晶粒的聚合生和→微米晶粒的聚集生长''四个阶段,最后得到的晶粒是以聚合生长为主,同时伴随着聚集生长的综合结果.

关键词:红辉沸石; 玻屑凝灰岩; 水热制备; 沸石分子筛; 形成机理; 聚合生长; 聚集生长; 晶体生长模型;

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