连续晶化法合成高性能4A沸石的研究

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4A沸石由于其独特的吸附性、共价载体性和良好的化学可修饰性,广泛应用于洗涤助剂、石油化工及环境保护等诸多领域。近年来随着4A沸石的应用范围越来越广,其用量也越来越大。目前工业生产普遍采用间歇法生产,其设备投资大、能耗高、产量低,产品成本高、质量不稳定。为了克服这一缺陷,本论文通过对传统的间歇晶化条件加以改进,将最关键的晶化过程连续化,实现了合成高性能4A沸石工艺条件的优化。主要内容如下:在间歇晶化条件下,通过加大反应混合物碱度、减少体系水量(即高碱度少水体系)和加入适量的表面活性剂,加快了凝胶溶解速度及晶化速度、缩短了4A沸石晶化的诱导期、加快了晶化速率、减小了平均粒径,使得整个工艺过程所需时间明显缩短,此结果为4A沸石的连续化合成提供了可能。在对自行设计、研制具有中试规模的连续晶化器进行了调试的基础上,通过正交实验的方法得到了连续晶化法合成4A沸石的的最佳工艺为:成核浆液浓度为30%、流量为2L/min,反应混合物配比n(SiO2)/n(Al2O3)=1.81.9,n(Na2O)/n(Al2O3)=3.23.4,n(H2O)/n(Al2O3) =80100,晶化时间t=20min,晶化温度90℃、添加十二烷基磺酸钠(SDS)摩尔比数为0.1。通过对浆液中固体颗粒的沉降理论分析得出,在20min内沸石颗粒沉降距离为1.998×10-5mm,由于其沉降速度非常慢,所以对连续晶化过程几乎没有影响,且在实际实验过程中也未发现管道堵塞现象,实现了高性能4A沸石连续晶化的稳定中试合成。对连续晶化法合成的4A沸石产品进行了表征,结果表明:采用连续晶化法可以制备出结晶度高,粒度小且分布范围窄,钙交换能力高、速率快的高性能4A沸石;通过对连续晶化法与间歇晶化法合成的4A沸石铝离子含量、洗净力、摩损性、LCC性能对比分析表明,铝离子含量从18.34%提高到18.61%、洗净力比间歇晶化法高20%、摩损性几乎没有、LCC从39.0g/100g提高到44.2g/100g。与传统合成工艺相比,连续化工艺的料浆固含量提高85%以上,水电汽消耗及材料检修维护费用大幅降低,目前全球沸石的商业产值超过3500亿元,而4A沸石则占50%以上,若按年产20万吨4A沸石计算,合计降低成本大于2200万元/年。连续晶化法合成4A沸石的热力学过程的研究表明,连续晶化法合成过程的成核活化能En为51.1kJ·mol-1、晶核生长活化能Ec为5.8kJ·mol-1,晶核生长活化能与传统间歇法的相比大幅降低,晶化时间相对缩短。连续晶化法水热合成4A沸石反应体系突破了传统间歇法的典型组成,在实验中并没有观察到4A沸石转晶为方钠石,由此推测形成方钠石的原因除了由于碱度太高之外,还与晶化方式有关。对连续晶化法合成4A沸石的生长历程研究表明,连续化合成机理属液相转化机理。建立了连续晶化法合成4A沸石的生长模型,连续晶化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(成核期)-纳米晶粒叠合生长为亚微米晶(快速生长期)这样3个阶段,称之为“第二类叠合生长模型”。连续晶化法制备4A沸石的研究,从本质上揭示连续水热条件下4A沸石晶体生长的基本规律,开辟了4A沸石形成机理和晶体生长研究的新途径,提高和发展了4A沸石的晶体生长理论,丰富了沸石合成化学的内容。不仅对降低4A沸石制备成本有着很高的实用价值,而且对有特定结构和性能的新型沸石分子筛的设计合成,特别是对实现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。
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