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分子筛的骨架中存在一特征笼状结构单元,而笼状结构单元又是根据确定它们多面体的多元环来描述的。例如,我们所熟悉的SOD笼它由八个六元环和六个四元环来组成的,一般简写成4668。不同的分子筛骨架会含有相同的笼状结构单元,换句话说,同一个笼状结构单元通过不同连接方式会形成不同的分子筛骨架结构类型。一个经典的例子就是SOD笼。
SOD笼间通过本身的共面连接形成的是SOD沸石分子筛;SOD笼间通过双四元环的连接,形成的是LTA型分子筛;SOD笼间通过双六元环的连接,形成的是FAU和EMT沸石分子筛。
另外,在沸石分子筛骨架结构中,常会发现一些特征的链和二维三连接的网层结构以及周期性结构单元(PBU)。我们为常见的五种链状结构为是Pentasil链、双锯齿形链、双之字形链、双机轴链和短柱石链。由边共享的笼所组成的Pentasil链是高硅沸石分子筛家族的一个特征链。具有代表性的,MFI的骨架结构就是由Pentasil链构成。平行堆积的二维三连接网层通过上下取向的三连接顶点间相互连接形成三维四连接的骨架结构。例如,GIS类型骨架结构是由4.82二维网层结构上下连接而成。
固相转变机理是由Flanigen和Breck提出的,也是早提出的沸石分子筛晶化机理。他们认为:
在沸石分子筛的整个晶化过程中只是凝胶固相本身在水热条件下产生,然后直接进行硅铝酸盐骨架的结构重排,进而导致了沸石分子筛的成核和晶体的生长,而在沸石分子筛晶化过程中既没有凝胶固相的溶解,也并没有液相直接来参与沸石分子筛的成核以及晶体的生长。
,沸石分子筛合成所需的各种原料混合后,主要物种硅酸盐与铝酸盐聚合生成硅铝酸盐初始凝胶。同时,凝胶间液相虽然也产生,然而液相部分并不参与晶化成核的过程中。其次,所形成的硅铝酸盐初始凝胶在OH-离子的作用下却不断发生解聚与结构重排,从而形成某些沸石晶化所需要的初级结构单元。后,这些初级结构单元进一步围绕着水合阳离子发生重排构成多面体,这些多面体再进一步聚合、连接、形成沸石分子筛晶体。
液相转变机理由Kerr和Ciric提出,与固相转变机理的提出几乎是在同一个时期。他们认为:沸石分子筛晶体的成核和生长是在溶液中直接进行,初始凝胶慢慢的溶解到溶液中,生成了活性物种硅铝酸根离子,然后再发生缩合,慢慢的形成了沸石分子筛所需要的结构单元,再进一步生成了沸石分子筛。
,沸石分子筛所需的原料混合后,主要物种硅酸盐与铝酸盐聚合生成硅铝酸盐初始凝胶。这种硅铝酸盐凝胶是在高浓度条件下快速形成的,因此具有很高无序度,但是这种硅铝酸盐凝胶中可能含有某些初级结构单元,如:四元环、六元环等等。同时,这种凝胶和液相之间建立了溶解平衡。另外,硅铝酸根离子的溶度积与凝胶的结构和温度息息相关,随着晶化温度的变化,这种凝胶和液相之间建立起新的凝胶和溶液的平衡。其次,液相中多硅酸根与铝酸根浓度的增加导致晶核的形成,然后是沸石分子筛晶体的生长。在沸石分子筛的成核和晶体生长过程中,消耗了液相中的多硅酸根与铝酸根离子,从而引起硅铝凝胶的继续溶解。由于沸石晶体的溶解度小于无定形凝胶的溶解度,后结果是凝胶的完全溶解,沸石分子筛晶体的完全生长。
双相转变机理
在人们对于沸石分子筛晶化究竟是通过液相转变机理还是通过固相转变机理争执不清时,八十年代之后,又有科学家提出了双相转变的机理。双向转变机理认为液相转变和固相转变同时存在沸石分子筛晶化过程中,既可以分别发生在两种晶化反应体系中,也可以同时发生在一个体系中。
Gabelica等人从对ZSM-5分子筛以及Na Y沸石晶化的研究印证了双相转变机理的存在性。Iton等人在ZSM-5分子筛的晶化过程中应用小角中子散射技术进行研究,同时发现使用不同的硅源,ZSM-5沸石分子筛的晶化是遵循不同的机理进行。从而得出即使是同一种类型沸石分子筛,在不同的晶化条件下其生长的机理是不一样的结论。
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