動態(tài)晶化法合成NaP分子篩的研究

陳彥廣，王 皓，張亞男，吳 凱，楊秀琪，韓洪晶， 韓 彤，王海英，劉艷麗，張 梅

(1.東北石油大學化學化工學院，大慶 163318；2.黑龍江省石油與天然氣化工省重點實驗室，大慶 163318； 3.黑龍江省大慶石化公司煉油廠，大慶 163000)

0 引 言

分子篩是一種晶體微孔材料，通過共享氧原子，把硅氧組成的四面體和鋁氧組成的四面體鏈接起來，進而形成框架結構[1]。分子篩廣泛應用于多相催化、離子交換、化學分離和吸附[2-3]等領域。NaP型分子篩具有良好的吸附與離子交換性能，有利于吸附和分離小分子氣體或液體分子，還可用于去除廢水中重金屬離子/銨根離子和從海水中提取鉀離子，并且可作為洗滌劑的添加劑[4]。

分子篩靜態(tài)晶化過程中，前驅物在重力作用，易沉積到反應器底部，在晶核和晶粒生長過程發(fā)生聚集，可能導致晶粒尺寸較大，且晶粒易發(fā)生聚集[5]。動態(tài)晶化通過外力場對晶化過程進行強化傳質，使得晶粒尺寸趨于變小，從而縮短晶化時間[6]，可提高分子篩產(chǎn)物的產(chǎn)量。劉艷惠等[7]分別采用動態(tài)和靜態(tài)的晶化方法合成了SAPO-11分子篩，85 ℃下動態(tài)老化，200 ℃下動態(tài)晶化72 h后，分子篩的平均粒徑由靜態(tài)的3～6 μm 減小到0.8 μm，比表面積由靜態(tài)的208 m2/g增加到292 m2/g。Jamil等[8]使用旋轉動態(tài)晶化法，在溫度160 ℃，轉速50 r/min的條件下合成了平均粒徑為117 nm的純ZSM-22分子篩，而使用常規(guī)靜態(tài)合成ZSM-22分子篩時的粒徑為2～5 μm。

目前NaP分子篩是通過靜態(tài)晶化法合成，而動態(tài)條件下合成NaP分子篩未見報道。本文在水熱合成過程中引入攪拌，通過強化晶化過程液固相間傳質作用實現(xiàn)對NaP粒徑和分散程度的調控，重點考察了硅鋁比、晶化溫度、晶化時間以及攪拌轉速對NaP分子篩合成的影響，并對動態(tài)晶化合成NaP分子篩的晶化過程進行了探究。

1 實 驗

1.1 原料及儀器

實驗原料：硅酸鈉，分析純，天津市大茂化學試劑廠；偏鋁酸鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津市大茂化學試劑廠；無水乙醇，分析純，天津市大茂化學試劑廠。

所用儀器設備：DF-101S集熱式磁力攪拌器，ZNCL-GS智能磁力攪拌器，SQP電子天平，AK-040ST超聲波清洗機，TG16G臺式高速離心機。

1.2 實驗過程

1.2.1 NaP分子篩的合成

稱量一定量硅酸鈉，倒入100 mL聚四氟乙烯內襯中，加入一定量去離子水，將內襯放置在30 ℃的恒溫水浴鍋內進行攪拌。再加入一定量的氫氧化鈉，待完全溶解后形成溶液A。稱量一定量的偏鋁酸鈉置于50 mL燒杯中，加入一定量去離子水，超聲至澄清形成溶液B，將溶液B緩慢滴入溶液A中。將混合后的溶液在30 ℃恒溫水浴中進行老化。老化結束后進行攪拌動態(tài)晶化。反應結束后將產(chǎn)物用去離子水與無水乙醇洗滌3～5次，然后放入80 ℃烘箱中干燥12 h，制得產(chǎn)物NaP分子篩。

1.2.2 樣品的表征

使用日本理學D/max-2200PC型18 kV轉靶X-射線衍射儀對樣品進行測定。

使用日本電子JSM-6360LA型掃描電子顯微鏡對樣品進行表征。

采用德國FT/IR6200傅里葉紅外光譜儀對樣品進行分析。

采用美國NOVA2000e型氮吸附比表面儀(BET)對樣品進行比表面積及孔容的測定。

采用英國Malvern2000粒度分析儀對樣品進行粒度測定與分析。

圖1 不同硅鋁比所合成NaP分子篩的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of synthesized NaP zeolite with different silica-alumina ratios

2 結果與討論

2.1 不同硅鋁比對NaP分子篩合成的影響

從圖1可以看出，當硅鋁比為0.75時，產(chǎn)物中有大量的NaA分子篩[9]，有較少的NaP分子篩產(chǎn)物。當硅鋁比提高到1.00時，晶體發(fā)生轉晶，NaP分子篩特征峰強度增強，NaA分子篩的特征峰強度變弱。當硅鋁比為1.25時，NaA分子篩特征峰消失，分別在2θ為12.7°、17.8°、21.8°、28.3°、33.6°、38.1°、46.3°處出現(xiàn)NaP分子篩特征峰[10]。在硅鋁比1.25到2.00的范圍內均可合成NaP分子篩。隨著硅鋁比的升高，合成NaP分子篩的相對結晶度逐漸增加，粒徑逐漸變小。這是由于骨架中的硅的原子半徑小于鋁的原子半徑[11]，引起分子篩的晶粒尺寸變小。

從圖2可以看出，硅鋁比為0.75時，產(chǎn)物中存在著大量的片狀NaA型分子篩。硅鋁比1.25～2.00的范圍內合成的分子篩晶粒形貌為球形，表面無裂痕，隨著硅鋁比的增加，晶粒尺寸逐漸減小，這與XRD譜圖分析結果相一致。當硅鋁比為2.00時，合成的NaP分子篩晶粒尺寸最小，約為1.8 μm左右。

圖2 不同硅鋁比所合成NaP分子篩的SEM圖
Fig.2 SEM images of synthesized NaP zeolite with different Si/Al ratios

圖3為不同硅鋁比下合成NaP分子篩的紅外圖，可以看出在3425 cm-1和1645 cm-1左右出現(xiàn)的吸收峰皆為-OH官能團的振動譜帶[12]，是NaP分子篩吸水造成的。在990 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰是由于Si-O四面體或Al-O四面體的不對稱拉伸所致，在460 cm-1處的吸收峰是分子篩內部的Si-O或Al-O彎曲振動峰[13]，在743 cm-1和674 cm-1處的吸收峰是NaP分子篩結構骨架的Si-O-T(T=Si，Al)振動峰，在612 cm-1處的吸收峰為NaP分子篩結構的雙環(huán)振動峰[14]。這與文獻報道的NaP分子篩紅外譜圖基本一致[15]，證明成功的合成了NaP分子篩。

圖3 不同硅鋁比所合成NaP分子篩的FTIR圖譜
Fig.3 FTIR spectra of synthesized NaP zeolite with different Si/Al ratios

圖4 不同轉速所合成NaP分子篩的XRD圖譜
Fig.4 XRD patterns of synthesized NaP zeolite at different rotational speeds

2.2 不同轉速對分子篩合成的影響

動態(tài)晶化條件下不同的轉速對NaP分子篩的合成也有顯著的影響。從圖4可以看出，在50～100 r/min的轉速下，均合成了NaP分子篩，且分子篩的相對結晶度隨著轉速的增加有著先升高后降低的趨勢。相對于較低的轉速來說，提高轉速有利于促進硅氧四面體與鋁氧四面體的結合，加速分子篩晶體的成核與生長速率，提高相對結晶度。然而繼續(xù)增加轉速，可能導致剛生成的部分晶核被打碎，從而降低了相對結晶度。

圖5 不同轉速下合成NaP分子篩的SEM圖和PSD圖
Fig.5 SEM and PSD images of synthesized NaP zeolite at different rotational speeds

圖5可以看出，在50～100 r/min合成的NaP分子篩為球狀晶體，形貌規(guī)整，且晶體表面無裂痕。在動態(tài)條件進行晶化反應，溶液中不同位置承受的剪切力不同，不同位置濃度梯度不一樣，導致不同位置的分子篩晶體生長情況不同，導致晶粒尺寸大小不均一。結合XRD和SEM圖可以看出，在70 r/min下合成的分子篩相對結晶度較高，粒徑大小相對均一，且平均粒徑在1.8 μm左右。從PSD圖可以看出，當轉速由50 r/min提高到70 r/min時，粒徑分布曲線變窄，表明NaP分子篩粒徑的尺寸趨向均一化，然而當轉速增加到100 r/min，粒徑分布曲線略有變寬，綜合上述分析，最佳的轉速為70 r/min。

2.3 不同晶化溫度對NaP分子篩合成的影響

在水熱動態(tài)晶化合成分子篩的過程中，晶化溫度與晶化時間也是重要的影響因素。圖6為100～140 ℃下動態(tài)晶化8 h合成的NaP分子篩的XRD圖譜。從圖中可以看出，100～140 ℃均出現(xiàn)了NaP分子篩特征峰，峰高先逐漸升高再略有降低，說明產(chǎn)物的相對結晶度先升高后降低，但降幅不明顯。當晶化溫度較低時，有利于生成更多的晶核，但晶粒的生長速度緩慢。然而過高的晶化溫度雖然加快了分子篩晶粒的成長速率，但卻抑制其晶核的形成[16]。所以在一定范圍內升高晶化溫度，對分子篩純度的提高是有利的。

圖6 不同溫度所合成NaP分子篩的XRD圖譜
Fig.6 XRD patterns of synthesized NaP zeolite at different temperature

圖7 動態(tài)條件下不同晶化時間合成NaP分子篩的XRD圖譜
Fig.7 XRD patterns of synthesized NaP zeolite at different crystallization time in dynamic condition

圖7是120 ℃動態(tài)條件不同晶化時間合成NaP分子篩的XRD圖譜。從圖中可以看出，當晶化時間為1 h時，XRD并未檢測到NaP分子篩晶體的存在，合成的產(chǎn)物是無定形產(chǎn)物。進一步延長晶化時間，晶化2 h后出現(xiàn)了NaP分子篩的特征峰，且無雜峰。隨著晶化時間的延長，XRD的峰值逐漸升高。晶化時間延長到8 h以后，XRD峰值趨于平穩(wěn)。

2.4 動態(tài)和靜態(tài)合成NaP分子篩的晶化過程對比

圖8 動態(tài)與靜態(tài)晶化下NaP分子篩的晶化曲線對比圖Fig.8 Comparison of crystallization curve of NaP zeolite in static and dynamic crystallization

圖8為動態(tài)晶化與靜態(tài)晶化條件下NaP分子篩的晶化曲線對比圖，在分子篩的晶化過程中，有三個階段，第一階段為誘導期，第二階段為晶體生長期，第三個階段為晶體生長穩(wěn)定期[17]。從圖中可以看出，靜態(tài)晶化下的NaP分子篩誘導期為3 h左右，3～8 h階段為NaP分子篩的生長期，晶核生長成晶體。8 h后晶體的生長比較緩慢，相對結晶度變化不大，此階段為NaP分子篩的晶體生長穩(wěn)定期。晶化曲線呈“S”形，這與其他分子篩的晶化趨勢大致相同[18]。與靜態(tài)晶化相比，動態(tài)晶化的誘導成核期為2 h左右，進入快速生長期階段的晶體生長速率明顯高于靜態(tài)晶化，最終趨于平穩(wěn)?？梢钥闯鰟討B(tài)晶化比靜態(tài)晶化具有更快的晶體成核與生長速率，大大縮短了晶化時間。

2.5 BET

圖9表明不同晶化方式下的NaP分子篩樣品的結構參數(shù)。從圖中可以看出，動態(tài)與靜態(tài)晶化下的NaP分子篩均表現(xiàn)出以介孔通道為主的Ⅳ型等溫線特征[19]，且滯后環(huán)屬于H3類型。圖10表明不同晶化方式下的孔徑分布，可以看出，合成的NaP分子篩孔徑主要集中在5 nm左右，且動態(tài)晶化下的孔徑分布較寬。從表1可看出，動態(tài)晶化下合成的NaP分子篩比靜態(tài)晶化下合成的分子篩具有較大的比表面積。這可能由于在動態(tài)晶化條件下，分子篩的粒徑變小所致。

圖9 動態(tài)與靜態(tài)晶化下所合成NaP分子篩 的N2吸附-脫附等溫線
Fig.9 N2adsorption-desorption isotherms of synthesized NaP zeolite in static and dynamic crystallization

圖10 動態(tài)晶化與靜態(tài)晶化下所合成NaP 分子篩的孔徑分布圖
Fig.10 Pore size distribution of synthesized NaP zeolite in dynamic and static crystallization

表1 NaP分子篩比表面積和孔結構參數(shù)Table 1 Specific surface area and pore structure parameters of NaP zeolite

3 結 論

(1)以硅酸鈉和偏鋁酸鈉為原料，在硅鋁比為2.00，晶化溫度為120 ℃，晶化時間為8 h，動態(tài)轉速為70 r/min的條件下合成了粒徑為1.8 μm左右的球狀NaP分子篩。

(2)NaP分子篩動態(tài)晶化與靜態(tài)晶化的晶化曲線皆為“S”形，且相比靜態(tài)晶化來說，動態(tài)晶化具有更快的晶體成核速率和生長速率，晶化時間顯著降低。

(3)動態(tài)晶化下合成的NaP分子篩比靜態(tài)晶化下合成的分子篩具有較大的比表面積和孔分布。