溶胶凝胶法合成干凝胶粉体工艺研究及其在分子筛合成中的应用

摘要

沸石作为无机材料中的一个重要类别，由于其在分离、催化等方面的应用特性越来越受到人们的重视。其中NaA沸石应用尤为广泛，它被广泛用作吸附剂、催化剂、洗涤助剂及添加剂等。本课题首先以Al(NO3)3.9H2O和正硅酸乙酯分别为铝源和硅源，采用溶胶凝胶法制备了干凝胶粉体，并确定了合成干凝胶粉体的最佳参数：乙醇/醇盐摩尔比为16:1，水解温度为40℃，陈化时间为36h。然后以煅烧处理后的干凝胶粉体为原料，进一步水热合成了NaA分子筛，并确定了合成普通NaA分子筛的最佳参数：钠硅比为3.0，水钠比为20，晶化温度为90℃，晶化时间为2h。所合成的普通NaA分子筛形态单一，均呈规则的正方体状，且颗粒大小均匀，平均粒径约为1.5μm。本课题亦制备了硝基方钠石(nitrate SOD)。方钠石(SOD)沸石在各种沸石中具有最高的阳离子容量，因此SOD作为阳离子交换剂理论上有着很好的先天条件。其合成依据有二，一是SOD和NaA有着相同的笼组成，笼的不同连接方式产生了两种沸石类型；二是Nitrate SOD分子式为Na8[AlSiO4]6(NO3)2，有文献指出，70℃下NaA沸石在NaNO3和NaOH的混合溶液中可以转化为含杂晶的Nitrate SOD沸石，硝基由外加NaNO3提供。而由红外光谱和热分析得知，DGC法第一步中以九水硝酸铝为铝源合成的硅铝干凝胶粉体中含有有硝酸根，硝酸根的分解温度为135.8℃，只要合理控制凝胶的干燥温度，且对其不进行煅烧就可以保证合成路径中有硝酸根存在，从而使以干凝胶为原料制备Nitrate SOD成为可能。课题以未煅烧的Al2O3-2SiO2干凝胶粉体为原料，采用与制备普通NaA分子筛相同的方法，使其在常温碱性条件下成核、70℃生长制得了硝基方钠石颗粒，其粒径在lμm左右。这种合成硝基方钠石的方法，相对文献中提到的方法，即70℃下NaA沸石在NaNO3和NaOH的混合溶液中转化制得含杂晶的Nitrate SOD沸石，工艺更为简单，且产物更纯。在制备Nitrate SOD沸石新路径的基础上，本课题更换了铝源，无需煅烧过程成功制得了粒度更小的NaA分子筛颗粒。最后对上述三种沸石做了重金属离子的吸附性测试，结果表明，小晶粒NaA有着非常优秀的重金属离子的吸附能力。小晶粒NaA对重金属离子的吸附性如下：Nj2+(3.306mmol·g-1)＞Ca2+(3.275mmol·g-1)＞Co2+(3.148mmol·g-1)＞Zn2+(3.028mmol·g-1)＞Cu2+(2.761mmol·g-1)＞Fe3+(1.581mmol·g-1)。
　　 另外，本课题还对ATO纳米粉体做了一定的研究，尝试采用溶胶凝胶法合成ATO粉体，并探索出了合成ATO粉体的新途径——醇盐煅烧法，此法新颖，流程简单，且可以得到纳米级的ATO粉体，其颗粒大小均一，导电性能较好。
　　 本课题采用FT-IR、XRD、TG-DTA和SEM等测试手段对样品进行了分析。