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《中南大学》 2001年
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廉价矿物原料水热法制备沸石分子筛的形成机理与晶体生长模型研究

申少华  
【摘要】: 论文在综合分析国内外有关沸石分子筛的合成与应用、形成机理、以及晶体生长理论等大量文献资料的基础上,运用现代材料测试分析技术对红辉沸石和玻屑凝灰岩等廉价矿物原料水热法制备沸石分子筛的形成机理和晶体生长模型进行了全面系统的研究,主要内容如下: 通过广西资源红辉沸石和湖南临澧玻屑凝灰岩的矿物组成、化学成分和部分工艺性能的分析,对其资源特性进行了评价。并根据其资源特性,对这两种廉价矿物原料进行了预处理,使之成为沸石分子筛水热制备的合格原料。 以红辉沸石或玻屑凝灰岩(经预处理)为原料,采用水热法制备了沸石分子筛系列产品。并在大量实验研究的基础上,深入探讨了反应混合物组成和水热条件对沸石分子筛制备的影响,确定了A型、X型和P型沸石水热制备的最佳工艺技术参数。 结合水热反应过程中固相组分的化学成分及红外光谱变化特征,对沸石分子筛的形成条件、晶核的形成及其影响因素、晶体生长及其影响因素作了综合分析,指出水热反应体系沸石分子筛的形成机理为液相转化机理。 运用FKM法对水热反应初期的反应混合物进行TEM制样,并在透射电镜下对所制样品进行TEM观察和电子衍射分析,发现水热反应初期,伴随着前驱物的溶解,沸石分子筛以成核作用为主,并形成粒度为几个纳米的小粒子,这些纳米小粒子迅速聚合生长成约50nm的纳米晶粒,从而为纳米晶粒的聚合生长提供了有力的证据。 通过沸石分子筛的水热制备实验及其测试分析表征,结合沸石晶体生长动力学曲线,对水热条件下沸石的晶体生长过程作了深入的研究,提出了水热体系中存在着聚合生长和聚集生长两种生长方式,建立了晶体聚合生长模型。水热条件下聚合生长是小粒子之间相互作用形成粒度更大的粒子的过程;聚集生长则是物料从小尺寸粒子向大尺寸粒子输运的重结晶过程。两者的热力学驱动力都是粒子平均粒度的增大降低了体系总的表面自由能。水热条件下沸石晶粒的形成经历了前驱物溶解→成核并形成纳米小粒子→纳米晶粒和微米晶粒的聚合生长→微米晶粒的聚集生长这样四个阶段,最后得到的晶粒是以聚合生长为主,同时伴随着聚集生长的综合结果。 廉价矿物原料水热法制备沸石分子筛的形成机理和晶体生长模型研究,从本质上揭示了水热条件下沸石晶体生长的基本规律,提高和发展了沸石的晶体生长理论。不仅对廉价矿物原料高层次开发利用和降低沸石制备成本有着很高的实用价值,而且对实现新型沸石分子筛和纳米沸石制备技术研究的指导和预言具有重要的理论意义,同时对水热条件下陶瓷粉体制备技术研究也有着重要的指导意义。
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