Methode und Eigenschaften der Herstellung eines Zeolith-Molekülsiebs aus natürlichem silicolumineszierendem Ton
Das Zeolith-Molekularsieb ist eine Art Silicoaluminatkristall mit einer regulären Porenstruktur. Es wird weit verbreitet in den Bereichen Gasadsorption und -trennung, industrielle Katalyse, Kontrolle von Schwermetallionenemissionen und so weiter eingesetzt. Die traditionelle hydrothermale Synthese des Zeolith-Molekülsiebs verwendet oft chemische Produkte mit Silizium, Aluminium und organischer Schablone als Rohstoffe, was nicht nur teuer ist, sondern auch die Umwelt verschmutzt.
In den letzten Jahren, mit der Popularität des Konzepts der "grünen chemischen Industrie", haben natürliche Aluminosilikat-Tone wie Kaolin, Montmorillonit, Rektorit und Illit großes Potenzial als Rohstoffe für die Synthese von Zeolith-Molekülsiebungen gezeigt, da sie ihre reichen Reserven und den niedrigen Preis haben. Ihre Syntheseverfahren umfassen hauptsächlich die Saatgutmethode, die dampfunterstützte Festphasenmethode und die lösungsmittelfreie Methode.
1. Saatgutmethode
Da Holmes et al. die Herstellung eines hochreinen ZSM-5-Molekülsiebs mit natürlichem Kaolin als Siliziumquelle und kommerziellem Molekularsieb als Kristallsamen berichteten, hat die Kristallsamenmethode die Produktionskosten erheblich gesenkt, da sie die Synthese-Einzugszeit erheblich verkürzen, die Bildung von Hybridkristallen hemmen und die Korngröße sowie die Eigenschaften des grünen Syntheseprozesses regulieren kann. Einfache und bequeme Funktionsweise ohne organische Vorlage ist sie zu einer der repräsentativen Routen des grünen synthetischen Zeolith-Molekularsiebs geworden.
Der Mechanismus der Synthese von tonbasiertem Zeolith-Molekülsieb mittels Saatgutmethode tendiert zur Flüssigkeitsphasensynthese, das heißt, der Zeolithsamen wird im frühen Kristallisationsstadium teilweise gelöst und bildet kleine Fragmente mit der primären Einheitsstruktur des Zeolith-Molekularsiebs; Gleichzeitig umwickelt das durch die Auflösungspolykondensation der aktive Aluminosilikatspezies, das durch die Aktivierung natürlicher Aluminosilikat-Ton entsteht, allmählich die Samenfragmente und kristallisiert unter der Strukturführung des Samens, um eine Schalenstruktur mit dem Samen als Kern zu bilden. Mit der Verlängerung der Kristallisationszeit erzeugt das amorphe aluminathaltige Gel allmählich primäre molekulare Siebstruktureinheiten, die sich von der Schale bis zum Kern durch Konzentrationspolymerisation ablagern und schließlich das aktive geologische und mineralische Polymer, das durch Tondepolymerisation gebildet wird, in ein Zeolith-Molekularsieb umwandeln.
2. Quasi-Festphasenkombinationsmethode
Die Technologie zeichnet sich dadurch aus, dass der Abstandsaufhalter verwendet wird, um das Rohmaterial zur Synthese des Zeolith-Molekularsiebs in der Dampfphase des Reaktionslösungsmittels und des Strukturrichtmittels zu kristallisieren. Im Vergleich zum traditionellen hydrothermalen Syntheseverfahren wurde das quasi-Festphasen-Synthesesystem in den letzten Jahren weit verbreitet bei der Synthese von ZSM-5, SSZ-13, SAPO-34 und anderen Zeolithen eingesetzt, da es Vorteile wie weniger Schablonen, Wassereinsparung und die Beseitigung der Trennschritte zwischen Produkten und Mutterflüssigkeit bietet.
Der Kristallisationsprozess von natürlichem Silizium-Alumina-Ton-basiertem Zeolith, hergestellt durch eine Quasi-Festphasensynthese, entspricht eher dem zweiphasigen Kristallisationsmechanismus zwischen Festphasen- und Flüssigkeitsphasensynthese. Das heißt, im frühen Stadium der Kristallisation des synthetischen Zeolith-Molekularsiebs in fester Phase löst sich natürlicher silicoalumineszierender Ton unter der doppelten Wirkung von Wasserdampf und starken alkalischen Hydroxidionen, die an der Oberfläche fester Rohstoffe gebunden sind, erzeugt aktive Silizium- und Aluminiumspezies und übernimmt die Führung bei der Kristallisation in Zeolith-Molekularsieb-Mikrokristalle. Mit der Verlängerung der Kristallisationszeit absorbieren ZEOLITHKRISTALLITE mehr aktive Silizium- und Aluminiumspezies aus ihrer Umgebung und wachsen allmählich gemäß dem Oswald-Mechanismus unter Wirkung von Na + und dem strukturgerichteten Mittel. In der Dampfumgebung sind der Massen- und Wärmetransfer von aktiven Silizium- und Aluminiumspezies in der Umgebung um den Kristallkern stark erhöht, was nicht nur die Aktivität der Geopolymeroberfläche verringert und die organische Schabloune leicht an der Oberfläche fester Rohstoffe haften lässt, sondern auch die weitere Depolymerisation und Umlagerung des Geopolymers fördert. wodurch die Wachstumsrate des Kristalls beschleunigt wird.
Obwohl die Herstellung eines tonbasierten Zeolith-Molekularsiebs mittels Festphasen-ähnlicher Synthesetechnologie die grünen Syntheseeigenschaften vieler synthetischer Lösungsmittel übertrifft, kann es aufgrund einer Reihe praktischer Probleme, wie dem umständlichen Synthesebetrieb, dem übermäßigen Druck im System während der Kristallisation und der Verunreinigung synthetischer Produkte, dennoch nicht industrialisiert werden.
3. Lösungsmittelfreie Methode
Um die Probleme der großen Einleitung alkalischer Lösungen, Umweltverschmutzung, geringer Erträge eines einzelnen Kessels und des hohen Drucks des Synthesesystems durch den Einsatz von Lösungsmittelwasser in der traditionellen Zeolith-Molekülsiebe zu überwinden, entstand die Technologie der lösungsmittelfreien Synthese des tonbasierten Zeolith-Molekularsiebs. Da die lösungsmittelfreie Synthese des Zeolith-Molekularsiebs zur Wechselwirkung zwischen Fest- und Festkörper gehört und keine Lösungsmittelzugabe im Syntheseprozess erfolgt, werden die Probleme der Lösungsmittelemission und des Synthesedrucks, die durch Zeolithproduktion verursacht werden, vollständig beseitigt.
Derzeit wird angenommen, dass die lösungsmittelfreie Synthese des tonbasierten Zeolith-Molekularsiebs dem Festkörpertransformationsmechanismus folgt. Das heißt, die Bildung der Zeolithkristallisation sollte vier Phasen durchlaufen: Diffusion, Reaktion, Keimbildung und Wachstum. Im Gegensatz zur hydrothermalen Saatgutsynthese und der dampfunterstützten Festphasensynthese gibt es weder die Auflösung von Festphasenrohstoffen noch eine direkte Beteiligung der flüssigen Phase an der Keimbildung und dem Kristallwachstum von Zeolith im Prozess der lösungsmittelfreien Synthese. Im Prozess der Zeolithsynthese kann die Verlängerung der Mahlzeit und die Verstärkung der Mahlkraft nicht nur die Möglichkeit des intermolekularen Kontakts erhöhen und die spontane Diffusion von Molekülen erleichtern, sondern auch die Oberflächenfreie Energie der Reaktionskomponenten erhöhen, um die gesamte freie Energie der Zeolithsynthese zu erhöhen. Im Kristallisationsprozess polymerisieren je nach den reichen Hohlräumen und dem Konzentrationsgradientenunterschied zwischen den Phasengrenzflächen die aktiven Silizium- und Aluminiumspezies, die durch die Aktivierung und Depolymerisation natürlicher silicoalumineszenter Tonstoffe entstehen, und bilden allmählich einen primären "Kristallkern", der dann weiterhin polykondensiert, kondensiert und schließlich zu molekularen Sieb-Einkristallen verbunden wird.
In den letzten Jahren, mit der Popularität des Konzepts der "grünen chemischen Industrie", haben natürliche Aluminosilikat-Tone wie Kaolin, Montmorillonit, Rektorit und Illit großes Potenzial als Rohstoffe für die Synthese von Zeolith-Molekülsiebungen gezeigt, da sie ihre reichen Reserven und den niedrigen Preis haben. Ihre Syntheseverfahren umfassen hauptsächlich die Saatgutmethode, die dampfunterstützte Festphasenmethode und die lösungsmittelfreie Methode.
1. Saatgutmethode
Da Holmes et al. die Herstellung eines hochreinen ZSM-5-Molekülsiebs mit natürlichem Kaolin als Siliziumquelle und kommerziellem Molekularsieb als Kristallsamen berichteten, hat die Kristallsamenmethode die Produktionskosten erheblich gesenkt, da sie die Synthese-Einzugszeit erheblich verkürzen, die Bildung von Hybridkristallen hemmen und die Korngröße sowie die Eigenschaften des grünen Syntheseprozesses regulieren kann. Einfache und bequeme Funktionsweise ohne organische Vorlage ist sie zu einer der repräsentativen Routen des grünen synthetischen Zeolith-Molekularsiebs geworden.
Der Mechanismus der Synthese von tonbasiertem Zeolith-Molekülsieb mittels Saatgutmethode tendiert zur Flüssigkeitsphasensynthese, das heißt, der Zeolithsamen wird im frühen Kristallisationsstadium teilweise gelöst und bildet kleine Fragmente mit der primären Einheitsstruktur des Zeolith-Molekularsiebs; Gleichzeitig umwickelt das durch die Auflösungspolykondensation der aktive Aluminosilikatspezies, das durch die Aktivierung natürlicher Aluminosilikat-Ton entsteht, allmählich die Samenfragmente und kristallisiert unter der Strukturführung des Samens, um eine Schalenstruktur mit dem Samen als Kern zu bilden. Mit der Verlängerung der Kristallisationszeit erzeugt das amorphe aluminathaltige Gel allmählich primäre molekulare Siebstruktureinheiten, die sich von der Schale bis zum Kern durch Konzentrationspolymerisation ablagern und schließlich das aktive geologische und mineralische Polymer, das durch Tondepolymerisation gebildet wird, in ein Zeolith-Molekularsieb umwandeln.
2. Quasi-Festphasenkombinationsmethode
Die Technologie zeichnet sich dadurch aus, dass der Abstandsaufhalter verwendet wird, um das Rohmaterial zur Synthese des Zeolith-Molekularsiebs in der Dampfphase des Reaktionslösungsmittels und des Strukturrichtmittels zu kristallisieren. Im Vergleich zum traditionellen hydrothermalen Syntheseverfahren wurde das quasi-Festphasen-Synthesesystem in den letzten Jahren weit verbreitet bei der Synthese von ZSM-5, SSZ-13, SAPO-34 und anderen Zeolithen eingesetzt, da es Vorteile wie weniger Schablonen, Wassereinsparung und die Beseitigung der Trennschritte zwischen Produkten und Mutterflüssigkeit bietet.
Der Kristallisationsprozess von natürlichem Silizium-Alumina-Ton-basiertem Zeolith, hergestellt durch eine Quasi-Festphasensynthese, entspricht eher dem zweiphasigen Kristallisationsmechanismus zwischen Festphasen- und Flüssigkeitsphasensynthese. Das heißt, im frühen Stadium der Kristallisation des synthetischen Zeolith-Molekularsiebs in fester Phase löst sich natürlicher silicoalumineszierender Ton unter der doppelten Wirkung von Wasserdampf und starken alkalischen Hydroxidionen, die an der Oberfläche fester Rohstoffe gebunden sind, erzeugt aktive Silizium- und Aluminiumspezies und übernimmt die Führung bei der Kristallisation in Zeolith-Molekularsieb-Mikrokristalle. Mit der Verlängerung der Kristallisationszeit absorbieren ZEOLITHKRISTALLITE mehr aktive Silizium- und Aluminiumspezies aus ihrer Umgebung und wachsen allmählich gemäß dem Oswald-Mechanismus unter Wirkung von Na + und dem strukturgerichteten Mittel. In der Dampfumgebung sind der Massen- und Wärmetransfer von aktiven Silizium- und Aluminiumspezies in der Umgebung um den Kristallkern stark erhöht, was nicht nur die Aktivität der Geopolymeroberfläche verringert und die organische Schabloune leicht an der Oberfläche fester Rohstoffe haften lässt, sondern auch die weitere Depolymerisation und Umlagerung des Geopolymers fördert. wodurch die Wachstumsrate des Kristalls beschleunigt wird.
Obwohl die Herstellung eines tonbasierten Zeolith-Molekularsiebs mittels Festphasen-ähnlicher Synthesetechnologie die grünen Syntheseeigenschaften vieler synthetischer Lösungsmittel übertrifft, kann es aufgrund einer Reihe praktischer Probleme, wie dem umständlichen Synthesebetrieb, dem übermäßigen Druck im System während der Kristallisation und der Verunreinigung synthetischer Produkte, dennoch nicht industrialisiert werden.
3. Lösungsmittelfreie Methode
Um die Probleme der großen Einleitung alkalischer Lösungen, Umweltverschmutzung, geringer Erträge eines einzelnen Kessels und des hohen Drucks des Synthesesystems durch den Einsatz von Lösungsmittelwasser in der traditionellen Zeolith-Molekülsiebe zu überwinden, entstand die Technologie der lösungsmittelfreien Synthese des tonbasierten Zeolith-Molekularsiebs. Da die lösungsmittelfreie Synthese des Zeolith-Molekularsiebs zur Wechselwirkung zwischen Fest- und Festkörper gehört und keine Lösungsmittelzugabe im Syntheseprozess erfolgt, werden die Probleme der Lösungsmittelemission und des Synthesedrucks, die durch Zeolithproduktion verursacht werden, vollständig beseitigt.
Derzeit wird angenommen, dass die lösungsmittelfreie Synthese des tonbasierten Zeolith-Molekularsiebs dem Festkörpertransformationsmechanismus folgt. Das heißt, die Bildung der Zeolithkristallisation sollte vier Phasen durchlaufen: Diffusion, Reaktion, Keimbildung und Wachstum. Im Gegensatz zur hydrothermalen Saatgutsynthese und der dampfunterstützten Festphasensynthese gibt es weder die Auflösung von Festphasenrohstoffen noch eine direkte Beteiligung der flüssigen Phase an der Keimbildung und dem Kristallwachstum von Zeolith im Prozess der lösungsmittelfreien Synthese. Im Prozess der Zeolithsynthese kann die Verlängerung der Mahlzeit und die Verstärkung der Mahlkraft nicht nur die Möglichkeit des intermolekularen Kontakts erhöhen und die spontane Diffusion von Molekülen erleichtern, sondern auch die Oberflächenfreie Energie der Reaktionskomponenten erhöhen, um die gesamte freie Energie der Zeolithsynthese zu erhöhen. Im Kristallisationsprozess polymerisieren je nach den reichen Hohlräumen und dem Konzentrationsgradientenunterschied zwischen den Phasengrenzflächen die aktiven Silizium- und Aluminiumspezies, die durch die Aktivierung und Depolymerisation natürlicher silicoalumineszenter Tonstoffe entstehen, und bilden allmählich einen primären "Kristallkern", der dann weiterhin polykondensiert, kondensiert und schließlich zu molekularen Sieb-Einkristallen verbunden wird.