地質(zhì)聚合物凝膠轉(zhuǎn)化法制備方沸石晶體研究.pdf

1、地質(zhì)聚合物(Geopolymer)是一種由無(wú)定形的鋁硅酸鹽礦物(含有氧化鋁和二氧化硅)與水玻璃、強(qiáng)酸(鹽)、或強(qiáng)堿混合反應(yīng)而成的具有非晶態(tài)或準(zhǔn)晶態(tài)的一類無(wú)機(jī)聚合物膠凝材料。沸石分子篩(zeolite)不僅在其傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域如:有毒有害物質(zhì)吸附、石化催化、離子交換等方面得到了快速的發(fā)展;在高新技術(shù)先進(jìn)材料領(lǐng)域上的應(yīng)用,例如納米反應(yīng)器、微電子學(xué)、光學(xué)反射器,也發(fā)展迅速,成為無(wú)機(jī)多孔材料發(fā)展的重要方向之一。本論文在課題組前期研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)合

2、成Na2O-4SiO2-Al2O3地質(zhì)聚合物凝膠轉(zhuǎn)換法制備了晶體尺寸可控制在50-1200μm的方沸石晶體,詳細(xì)考察了水熱時(shí)間、水熱溫度、堿度、陳化時(shí)間、陳化溫度、不同硅鋁比粉體等因素對(duì)方沸石晶體尺寸和形貌的影響,同時(shí)還探討了大尺寸方沸石晶體的轉(zhuǎn)化過(guò)程和生長(zhǎng)機(jī)理。
　　偏高嶺土與水玻璃反應(yīng)是制備和研究地質(zhì)聚合物的經(jīng)典體系,為了減少原料中雜質(zhì)的影響,保證反應(yīng)活性,本課題組首先通過(guò)溶膠-凝膠法制備了與偏高嶺土組成與結(jié)構(gòu)類似Al2O3-

3、SiO2干凝膠粉體。本文以合成的Al2O3-SiO2粉體為硅源和鋁源,以工業(yè)級(jí)水玻璃為堿激發(fā)劑,按照方沸石理論配比(Na:Al:Si=1:1:2)制備了Na2O-Al2O3-4SiO2地質(zhì)聚合物凝膠體,再通過(guò)水熱合成法制備了不同尺寸方沸石晶體。實(shí)驗(yàn)通過(guò)X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、BET等測(cè)試手段對(duì)方沸石產(chǎn)物的相組成、微觀形貌、孔徑及比表面積等進(jìn)行了研究,確定了利用地質(zhì)聚合物制備大尺寸方沸石的最佳工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)論如下

4、:
　　(1)根據(jù)方沸石的理論配比設(shè)計(jì)地質(zhì)聚合物體系的原料組成,研究了陳化時(shí)間、陳化溫度、不同水玻璃模數(shù)等對(duì)地質(zhì)聚合物及其后續(xù)轉(zhuǎn)化制備方沸石晶體的影響。確定了制備堿基地質(zhì)聚合物的最佳條件為:水鈉比為9.5,水玻璃模數(shù)為1.0,陳化溫度為70oC,陳化時(shí)間為72h。
　　(2)主要研究了水熱釜中水熱母液的水鈉比、水熱溫度、水熱時(shí)間、不同水玻璃模數(shù)和不同硅源的摩爾比對(duì)地質(zhì)聚合物轉(zhuǎn)化為方沸石晶體尺寸和形貌的影響;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在上

5、述影響因素中,水熱時(shí)間和水熱溫度對(duì)方沸石尺寸和形貌影響最大;研究表明通過(guò)控制水熱時(shí)間,方沸石晶體可以控制在50-1200μm范圍內(nèi),且形貌規(guī)整;地質(zhì)聚合物凝膠轉(zhuǎn)化制備方沸石分子篩的最佳制備工藝參數(shù)為:水熱母液的體積為100 ml,水熱時(shí)間為6 h,水熱晶化溫度為240oC。
　　(3)合成 Na2O-Al2O3-4SiO2地質(zhì)聚合物與方沸石晶體存在一個(gè)物質(zhì)傳遞和結(jié)構(gòu)遺傳的關(guān)系,論文提出了由Na2O-Al2O3-4SiO2地質(zhì)聚合物

6、凝膠轉(zhuǎn)化方沸石晶體的“解聚過(guò)程、縮聚過(guò)程和水熱晶化過(guò)程”三個(gè)階段過(guò)程。在大尺寸方沸石晶體形成過(guò)程中,控制晶化過(guò)程的各種因素至關(guān)重要。其中前驅(qū)體反應(yīng)物的活性對(duì)大尺寸方沸石晶體的形成和生長(zhǎng)起著最重要的作用,不同的硅源(水玻璃與Al2O3-SiO2粉體)由于其存在形式和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同,其在堿性溶液中的溶解度、溶酸根解后硅酸根離子的聚合狀態(tài)和硅鋁酸根結(jié)合程度也存在差異,控制著晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué),影響方沸石晶體成核與生長(zhǎng),從而影響產(chǎn)物晶體粒徑大小與分