低硅鋁比X型分子篩的形成過程研究

王 芳，劉相李，徐 林*，王怡明，曹亞麗

(1.揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇揚農化工集團有限公司，江蘇 揚州 225009)

分子篩是一類具有均勻孔道結構的多孔材料，骨架內部存在大量互相連通的微孔孔道，并且具有可調的酸性和良好的離子交換性能，被廣泛應用于工業(yè)催化[1-2]和吸附分離[3-4]等領域。分子篩的骨架結構不同，其微孔孔道各有特點，適合不同的應用領域。其中，LSX型分子篩具有FAU類型的拓撲結構，晶胞內部包含特殊的十二元環(huán)孔道結構，且硅鋁摩爾比(SiO2/Al2O3)在2.0～2.2之間，骨架外陽離子的數目更多，可以交換更多的金屬陽離子，在變壓吸附制氧和C8芳烴異構體吸附分離領域有著非常廣泛的應用[5]。

LSX型分子篩合成體系配比和合成條件與A型分子篩非常相近，導致產物中不可避免地含有A型分子篩雜晶，很難制備得到純相、高結晶度的LSX型分子篩[6]。Basaldella等[7]采用高溫煅燒后的高嶺土為原料，制備LSX型分子篩同樣含有少量A型分子篩雜晶。李志良等[8]采用分段投堿法制備LSX型分子篩，考察了分段投堿對LSX型分子篩的合成時間、結晶速率和粒徑分布的影響。對于LSX型分子篩的研究多集中在合成體系配比和合成條件優(yōu)化，LSX型分子篩的形成過程及如何抑制A型分子篩雜晶的研究未見報道。本工作采用XRD、SEM和固體核磁等分析方法研究了LSX型分子篩的形成過程，為合成純相LSX型分子篩提供依據。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與儀器

氫氧化鈉，分析純，天津市大茂化學試劑廠；氫氧化鉀，質量分數95%，阿拉丁生化科技股份有限公司；氫氧化鋁粉，工業(yè)級，中國鋁業(yè)山東分公司；水玻璃，工業(yè)級，中國石化催化劑有限公司。

SW22振蕩水浴鍋，德國JULABO公司；DHG-9145A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海恒科科學儀器有限公司；EUROSTAR power control-visc攪拌器，德國IKA實驗室技術公司；Chemvak C410隔膜真空泵，德國Chemvak公司。

1.2 LSX型分子篩的制備

將氫氧化鋁粉按n(Na2O)/n(Al2O3)=2.50溶解于氫氧化鈉溶液中，制成偏鋁酸鈉溶液備用。靜置條件下將氫氧化鈉固體、氫氧化鉀溶液、去離子水、偏鋁酸鈉溶液、水玻璃加入反應釜中，劇烈攪拌條件下形成配比為n(SiO2)∶n(Al2O3)=2.2；n(Na2O+K2O)∶n(SiO2)=3.25；n(H2O)∶n(Na2O+K2O)=17；n(K2O)∶n(Na2O+K2O)=0.23的白色膠體溶液。將其轉移至水浴鍋中，在70 ℃下老化，隨后升高溫度至95 ℃晶化，在老化和晶化過程的不同階段分別取樣，經過濾、洗滌、烘干后，試樣分別進行XRD、SEM和固體核磁分析。

1.3 分析與表征

采用PHILIPS公司的X’PERT型X射線衍射儀分析試樣的粉末衍射譜圖，管電壓為40 kV，管電流為40 mA，掃描步長為0.013°，掃描范圍為2θ=5°～50°；采用FEI Quanta 200 FEG型掃描電子顯微鏡分析試樣的形貌；采用Varian Infinity plus 400型核磁共振儀分析試樣的29Si魔角旋轉核磁共振譜和27Al魔角旋轉核磁共振譜。

2 結果與討論

2.1 LSX型分子篩形成過程XRD結果分析

圖1(a)、(b)、(c)分別為老化0～6 h、晶化0～1 h、晶化1～5 h的LSX型分子篩形成過程XRD譜圖。

圖1 LSX型分子篩老化和晶化過程XRD譜

從圖1(a)可知，在老化0～6 h內，X射線衍射譜圖在2θ為20°～40°范圍內均為包峰，未出現X型分子篩特征峰，說明老化過程未形成X型分子篩晶體，此階段為誘導期和成核過程。從圖1(b)可知，升高溫度至95 ℃，晶化20 min后，2θ為6.1°、10.0°、15.4°、23.3°、26.6°和30.9°處都可以觀察到X型分子篩特征峰，說明此時開始出現X型分子篩晶體，晶化30 min到50 min，X型分子篩特征峰明顯增強，2θ在20°～40°范圍內包峰減小，說明無定形的硅鋁酸鹽快速反應生成X型分子篩，同時2θ為7.1°處出現A型分子篩雜晶特征峰，說明A型分子篩雜晶出現。從圖1(c)可知，當晶化時間小于2 h，產物中均含有A型分子篩雜晶，隨著晶化時間延長，A型分子篩雜晶特征峰強度逐漸減弱，X型分子篩分子篩特征峰強度逐漸增強，晶化時間達到3 h以上，得到純相的LSX型分子篩。

根據LSX型分子篩形成過程XRD譜，得到LSX型分子篩的結晶度隨時間變化曲線，如圖2所示。在老化過程中，沒有X型分子篩特征峰，結晶度為0，晶化0～1 h，LSX型分子篩結晶度迅速增加，晶化1 h，LSX型分子篩結晶度達到90%，晶化3 h，LSX型分子篩結晶度達到95%以上。

圖2 LSX型分子篩結晶度隨老化和晶化時間的變化

分子篩形成過程分為成核過程和晶體生長兩個階段，在老化過程中，溫度較低，以成核過程為主，此時，活性硅、鋁酸根發(fā)生縮合反應形成分子篩晶核，晶體生長速度緩慢，沒有明顯的X型分子篩晶體。晶化過程升高溫度后，高溫條件克服了分子篩形成的能壘，此時以晶體生長過程為主。在晶核的誘導下，大量的活性硅、鋁酸根反應生成特征的籠形結構單元，并進一步組裝形成LSX型分子篩，LSX型結晶度迅速增加，隨著晶化時間的延長，晶體生長過程基本完成，結晶度趨于穩(wěn)定。

2.2 LSX型分子篩形成過程SEM結果分析

圖3為老化6 h、不同晶化時間LSX型分子篩形成過程的SEM照片。

圖3 LSX型分子篩形成過程的掃描電鏡照片

從圖3(a)可知，老化過程，硅鋁酸鹽均為無定形物質；晶化20 min時，開始出現球形X型分子篩及立方體A型分子篩和大量無定形物質；晶化30 min時，立方體A型分子篩和無定形物質減少；晶化40 min時，產物為X型分子篩和A型分子篩混合物；晶化1 h時，晶化過程基本完成，產物絕大部分為X型分子篩，仍有少量立方體的A型分子篩雜晶；晶化3 h，產物為純相LSX型分子篩球，且晶粒大小均勻，輪廓清晰，結晶度較高。

2.3 LSX型分子篩形成過程固體核磁分析

圖4和圖5分別為LSX型分子篩老化0、3、6 h和晶化30 min、40 min、3 h的29Si和27Al固體核磁表征。從圖4可知，老化0、3、6 h的29Si固體核磁譜圖上δ在-70～-100有寬峰，在-100～-125有肩峰，分別歸屬于Si(4Al)、Si(3Al)、Si(2Al)和Si(1Al)位置的硅[9]和固相凝膠中未溶解的硅Si(0Al)[10]。隨著老化時間從0 h延長至6 h，δ在-70～-100的寬峰和-100～-125的肩峰逐漸減小，說明老化過程中固相凝膠中的硅在堿性條件下不斷溶解進入液相。晶化30 min時，δ在-84處有一尖峰，歸屬于Si(4Al)位置上的硅，在-89處有一寬的肩峰，歸屬于Si(3Al)、Si(2Al)和Si(1Al)位置上的硅[11]。隨著晶化時間的延長，δ在-84處的尖峰逐漸增強，-89處的肩峰逐漸消失，說明Si(3Al)，Si(2Al)和Si(1Al)位置上的硅逐漸消失，轉化為Si(4Al)位置上的硅，符合LSX型分子篩每個硅氧四面體均與4個鋁氧四面體相連接的結構特征。

圖4 LSX型分子篩形成過程的29Si MAS NMR譜

從圖5可知，老化過程，27Al固體核磁譜圖中δ在50～70有一寬峰。Ren等[11]認為此時凝膠中存在Al(OSi)4和Al(OSi)3OH結構，老化階段50～70的寬峰不斷增強，表明凝膠中Al(OSi)4和Al(OSi)3OH不斷增多[12]。晶化30 min時，δ在63處出現歸屬于Al(OSi)4的尖峰，59處有歸屬于Al(OSi)3OH的肩峰。晶化時間從30 min延長至3 h，59處的肩峰逐漸減小并消失，63處的尖峰逐漸增強，說明晶化過程中Al(OSi)3OH結構逐漸消失，最后完全轉變?yōu)锳l(OSi)4結構，此時分子篩骨架結構中的鋁都以Al(OSi)4結構存在，驗證了LSX型分子篩的骨架結構特征。

圖5 LSX型分子篩形成過程的27Al MAS NMR譜

3 結 論

LSX型分子篩的形成過程呈現以下特點：1)LSX型分子篩形成過程誘導期長、成核速度慢，需要長時間的老化過程；2)LSX型分子篩晶化過程中晶體生長速度快，晶化20 min時，首次出現X型分子篩特征峰，晶化40 min時，硅鋁酸鹽基本完全轉化為X型分子篩；3)LSX型分子篩晶體生長過程會出現A型分子篩雜晶先形成后消失的現象，晶化3h以上，產物為純相LSX型分子篩。