最新分子筛的合成、表征及性能研究

分子筛的合成、表征及性能研究

设计型化学实验

分子筛的合成、表征及性能研究 dd

分子筛的合成、表征及性能研究

分子筛材料，广义上指结构中有规整而均匀的孔道，孔径为分子大小的数量级，它只允许直径比孔径小的分子进入，因此能将混合物中的分子按大小加以筛分；狭义上分子筛是结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成。

分子筛按骨架元素组成可分为硅铝类分子筛、磷铝类分子筛和骨架杂原子分子筛。按孔道大小划分，小于2 nm称为微孔分子筛，2～50 nm称为介孔分子筛，大于50 nm称为大孔分子筛。按照分子筛中硅铝比的不同，可以分为A 型(1.5～2.0) ，X 型(2.1～3.0)，Y 型(3.1～6.0)，丝光沸石(9～11)，高硅型沸石(如Z S M－5) 等，其通式为：MO.Al2O3.xSiO2.yH2O，其中M代表K、Na、Ca等。商品分子筛常用前缀数码将晶体结构不同的分子筛加以分类,如3A 型、4A型、5A型分子筛等。4A型即孔径约为4A；含Na+的A型分子筛记作Na-A,若其中Na+被K+置换,孔径约为3A，即为3A型分子筛；如Na-A中有1/3以上的Na+被Ca2+置换,孔径约为5A，即为5A型分子筛。X型分子筛称为 13X（又称Na-X型）分子筛；用Ca2+交换13X分子筛中的Na+，形成孔径为9A的分子筛晶体，称为 10X（又称Ca-X型）分子筛。

A型分子筛结构，类似于NaCl的立方晶系结构，如将NaCl晶格中的Na+和Cl-全部换成β笼，并将相邻的β笼用γ笼联结起来，就会得到A型分子筛的晶体结构；X型和Y型分子筛结构类似于金刚石的密堆立方晶系结构，如以β笼这种结构单元取代金刚石的碳原子结点，且用六方柱笼将相邻的两个β笼联结，就得到了X和Y型分子筛结构；丝光沸石型分子筛结构，没有笼，是层状结构，结

构中含有大量的五元环，且成对地连在一起，每对五元环通过氧桥再与另一对联结，联结处形成四元环，这种结构单元的进一步联结，就形成了层状结构；高硅沸石ZSM型分子筛结构，与丝光沸石结构相似，由成对的五元环组成，无笼状腔，只有通道，如ZSM-5有两组交叉的通道，一种为直通的，另一种为“之”字形相互垂直，通道呈椭圆形[1]。

目前，分子筛材料在分离、吸附、离子交换和催化等领域具有广泛应用，各种分子筛也因其结构和性能的不同，被应用到不同的方面。例如沸石分子筛，由于它的高选择性、强酸性等表面活性和规整的孔结构特点，可作为很好的催化材料，因而被广泛应用作炼油工业和石油化工中的催化剂；另外由于它强的吸附能力和离子交换性能，而被广泛应用于污水处理、土壤改良、金属离子的富集与提取等方面。介孔分子筛作为一种新型纳米结构材料，不但具有狭窄的孔径分布、巨大的比表面积，而且它突破了沸石分子筛对反应物分子尺寸在1nm以下的限制，虽然其缺乏离子交换性能，但是在大分子参与的吸附、分离和催化等领域具有重要的应用环境。最近几年来，随着人们对环保意识的逐渐增强，采用绿色合成和负载合成方法已成为分子筛合成的重要方向。特别是新型分子筛的合成和应用，相信在未来的几十年内，沸石分子筛以及介孔分子筛在工业生产和生活中具有更加广阔的应用前景。因此研究各类分子筛的结构和性能具有深远的意义。本次实验主要研究Na-A、Na-X型分子筛以及介孔分子筛的组成、孔结构、离子交换性能和吸附性能。

1、实验部分[2]

1.1分子筛的合成

1.1.1 Na-A型沸石分子筛

将3.8gNaOH和3.0gNaAlO2置于250mL烧杯中，加入45mL去离子水，在

60℃下加热溶解，得到A溶液。称取7.05gNaS

i O

3

.9H

2

O于250mL烧杯中，加入

41mL去离子水，在60℃下加热溶解，得到B溶液。将得到的B溶液在60℃下搅拌加热，分五次将A溶液加入，搅拌至形成胶状稀溶液。然后转移至水热釜中，放置在100℃的烘箱中晶化5小时，取出后水冷至室温，倾去上层清液，抽滤、水洗至中性，转移至表面皿中，在100℃的烘箱中干燥过夜。

1.1.2 Na-X型沸石分子筛

在三角烧瓶中，将11.52gNa2S i O3。9H2O、5.6099gNaAlO2、7.76gNaOH和5.47gKOH溶解于46mL去离子水中。在温度70℃磁力搅拌3小时，然后停止搅拌，将水浴温度调节至95℃，在此温度下静置2小时后停止加热。待烧瓶冷却至室温后抽滤、洗涤至产物为中性，转移至表面皿中，置于100℃的烘箱中干燥过

1.1.3 介孔分子筛MCM-41

以CTAB表面活性剂为模板剂，以TEOS为硅源。在强力搅拌下，先称取CTAB2.43g、NaOH0.48g溶解于60mL去离子水中，然后慢慢滴加11.81gTEOS，继续搅拌2小时后，配制成凝胶，装入反应釜中，于110℃烘箱中晶化处理48小时。取出水冷至室温，抽滤、水洗至中性，转移至表面皿中，在100℃的烘箱中干燥过夜。最后，于空气中，550℃下煅烧6小时，除去表面活性剂CTAB，即得MCM-41介孔分子筛。

1.2物相分析

将获得的Na-A、Na-X型分子筛产物进行X射线衍射分析，得到产物的X射线衍射谱图。将测得的图谱与各种相应分子筛的X射线衍射标准谱图对比，以确定晶化产物是否为相应分子筛及其纯度。

1.3孔结构分析

采用氮气吸附技术测定三种分子筛的比表面积。

1.4沸石分子筛组成分析

1.4.1 水含量测定

将两个干净并灼烧过的坩埚分别称重，在其中分别加入烘干的Na-A型分子筛1.0126g，Na-X型分子筛1.0496g，再分别称重后标号，然后放入马弗炉中，500℃灼烧。待温度降至200℃后，用干净、预热的坩埚钳将坩埚移入干燥器中，冷至室温、称重。

1.4.2 氧化铝含量的测定

准确称取Na-A、Na-X型分子筛试样分别0.1454g、0.1485g置于两个干净的100mL的烧杯中加水少许，将试样润湿，分别加入6mol/L HCl 15mL，在水浴中加热近干。冷却后，加水溶解并过滤，沉淀用水洗涤4次，滤液和洗涤液一并分别收集于两个250mL容量瓶中，并稀释至刻度，摇匀备用。

准确称取0.2193gZnO基准物质于一干净的小烧杯中，取少量水润湿后，滴加6mol/L的HCl使其刚好完全溶解为止，定容到250mL的容量瓶中，得到ZnCl

标准溶液，摇匀后备用。

2

粗配0.01mol/L的EDTA溶液400ml于试剂瓶中，用移液管吸取EDTA溶液25.00mL置于锥形瓶中，滴加2滴酚酞指示剂，以3mol/L氨水调节溶液呈红色，再以2mol/LHCl调节红色刚退，加入现配置好的HAc-NaAc（1:1）缓冲溶