A型沸石/活性炭复合材料的制备及甲烷/氮气吸附分离性能

以沥青和煤矸石为原料,经炭化、活化后获得型体活性炭材料(AC),并在此基础上进行水热晶化,研究晶化时间对复合材料中4A沸石的形成、孔结构和甲烷、氮气吸附性能的影响。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、77 K下的氮气吸附-脱附以及273 K下的CO_2吸附等温线对样品进行表征,结果表明水热晶化后,复合材料中的硅铝形成立方结构的4A沸石,出现了0.45~0.6 nm的微孔,微孔孔容增加,并伴有少量的中孔和大孔。复合材料在298 K下的甲烷(CH_4)和氮气(N_2)吸附等温线的结果表明,晶化时间6 h的复合材料AC-2的甲烷吸附量被提高至10.8 m L/g,并保持较高的CH4/N2平衡分离比(3.7)。     

CO2/CH4/N2在MER型沸石中扩散和分离的分子动力学模拟

采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法研究了CO_2、CH_4和N_2在MER型沸石中的吸附性能,模拟结果与实验结果吻合证明模型和力场是可靠的。在此基础上,以纯硅MER型沸石作为对照,采用分子动力学(MD)模拟方法研究了CO_2、CH_4和N_2在K-MER型沸石中的扩散和分离性能。结果表明,CO_2、CH_4和N_2在MER型沸石中存在亚扩散现象,扩散方式为构型扩散,在沸石三维通道中的扩散存在各向异性。沸石与气体之间的作用力和沸石骨架外阳离子均影响气体分子的扩散能力,而沸石骨架外阳离子是影响气体分子扩散能力的主要因素。CO_2和N_2的自扩散系数随吸附浓度的增加而减小;CH_4的自扩散系数随吸附浓度的增大先增加后减小。CO_2、CH_4和N_2的自扩散系数随温度的升高均增加,扩散活化能大小顺序为N_2 (16.51 kJ/mol) CH_4 (8.39 kJ/mol) CO_2 (4.38 kJ/mol)。K-MER型沸石膜对CO_2/CH_4、CO_2/N_2和N_2/CH_4分离体系均有良好的分离选择性。气体分子的渗透率～104 GPU(1 GPU=3.35×10~(-10) mol/(s·m2·Pa))。     

低温变压分子筛动态分离CH_4/CO_2实验研究

在低温变压条件下测量了5A和13X沸石分子筛对CH_4/CO_2混合气体的分离能力。实验研究了CH_4/CO_2气体流量、吸附压力、填料高度和吸附温度对穿透曲线和分离能力的影响。研究结果表明,增大气体流量、增加吸附压力会降低分离效果,减小混合气体的分离系数;降低吸附温度、增加填料高度有利于CH_4/CO_2分离,提高混合气体的分离系数;在相同实验条件下,13X沸石分子筛对CH_4/CO_2混合气体吸附分离能力高于5A分子筛。     

MER型沸石骨架和骨架外阳离子的分子模拟

针对MER型沸石骨架和骨架外阳离子进行分子模拟研究。采用密度泛函理论(DFT)计算MER型沸石骨架中Al替代Si的替代能,确定了沸石骨架中Al替代Si的位置顺序,其优先位置为T_2;确定了骨架最小Si/Al为1.67。在此基础上,应用巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法模拟MER型沸石骨架外阳离子的位置,并用DFT计算其结合能。结果表明,骨架外K~+、Na~+及NH_4~+有3种吸附位置,K~+优先占据弯曲的八元环;吸附位置中,K~+与NH_4~+优先吸附在Ⅱ位,其次是Ⅰ位,最后是Ⅲ位;在低Si/Al时,Na~+优先吸附在Ⅱ位和Ⅰ位,随Si/Al增加,Na~+优先吸附在Ⅲ位;从结合能的角度,沸石对K~+的吸附能力最强,其次是Na~+,最后是NH_4~+;Ⅲ位阳离子最容易交换,其次是Ⅰ位,最难交换的是Ⅱ位;阳离子与骨架的结合能越大,MER型沸石骨架外阳离子与骨架原子O和Al的平均距离越小。     

碱金属离子X型沸石的固相离子交换及其催化性能的研究

本文考察了水合13X沸石与碱金属盐类间的固相离子交换反应,并对交换样品的比表面、孔容和异丙醇分解反应活性进行了测定.结果表明,这种类型的固相离子交换在室温下即可发生.体积较大的Cs~+比K~+难于交换,高温焙烧有利于提高Cs~+的交换度.固相交换样品的比表面、孔容变化和异丙醇分解反应活性都与液相交换样品相同,只是交换度的函数,与交换方法无关.与K~+交换样品相比,Cs~+交换样品中Cs~+离子更多地占据超笼,导致更高的超笼局部碱性和脱氢反应活性.     

CXN天然沸石的研究 VI. 耐酸性及不同阳离子型沸石结构的热稳定性

以X射线粉末衍射(XRD)结晶度测定法观测CXN (STI型)天然沸石在不同浓度盐酸(HCl)热溶液中的结构耐酸性, 以及比较和研究用不同方法制备的结构超稳化高硅H-STI-I和H-STI-II沸石及其不同阳离子交换型M-STI (M＝Li, Na, K, Ca, Ag) 系列沸石在程序阶梯升温过程中的结构热稳定性. 用X射线荧光散射(XRF), ²⁹Si与²⁷Al固体核磁共振(MAS NMR)表征超稳化高硅H型沸石的组成与结构性质. 结果表明该天然沸石在浓度低于2 mol/L盐酸中可较长时间保持结构完美. 视阳离子类型不同, 经1173 K焙烧后M-STI-I系列沸石与M-STI-II系列沸石相对结晶度降低百分数分别为2.5%～18% 与0～35%. 在M-STI-I系列沸石中, 焙烧前后相对结晶度下降幅度的次序为K型＜(H, Li, Na)型＜(Ca, Ag)型, 而M-STI-II系列沸石, (Na, K)型＜(Li, H, Ca)型＜Ag型. 从沸石骨架硅铝比、结构缺陷、阳离子种类及其氧化物形成热等方面讨论影响沸石结构热稳定性的因素.     

自粘结低硅铝X型沸石的结构、吸附和N_2/O_2分离比

用原位合成方法直接将高岭土转化为所需形状的低硅X型沸石(PLSX),经X衍射,~(29)Si,~(27)AI MAS NMR谱证实PLSX的结构硅铝比接近1,它含LSX的组成为40.40%,含4A的组成为17.92%,其余为无定形硅、铝氧化物.LSX的骨架硅铝比接近1,是骨架负电荷分配最均匀的X型沸石,293K时静态法测定和推算ISX的饱和吸附水达39.80wt%,LSX的组成为Na(96-x)K_x(Al_(96)S_i(96)O_(384))·310H_2O,是吸附量高、价廉的吸水剂.PLSX对空气中氮氧的分离系数为α(N_2/O_2)=3.15,高于用于PSA的商品5A的α(N_2/O_2)=2.33和已报道的13X的α(N_2/O_2)=2.36.PLSX也是一种极好的吸附分离剂.     

能级可调的钾离子掺杂石墨相氮化碳的可控制备及“双渠道”光催化合成过氧化氢性能

采用共聚合法制备了能级可控的碱金属K~+掺杂石墨相氮化碳(g-C_3N_4)催化剂,考察了催化剂光催化制取过氧化氢的性能.采用X射线多晶粉末衍射(XRD)、N_2吸附-脱附等温线、场发射扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、光致发光光谱(PL)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学阻抗谱(EIS)等手段对催化剂进行了表征.结果表明,K~+掺入g-C_3N_4的晶格间隙,并且对催化剂的比表面积、可见光吸收能力及电子-空穴分离效率产生显著影响;通过控制K~+掺杂量可以调控g-C_3N_4催化剂的能级位置,从而使光催化合成过氧化氢反应从"单渠道"变成"双渠道",显著提高了过氧化氢的平衡浓度.     

CXN天然沸石的研究 VI. 耐酸性及不同阳离子型沸石结构的热稳定性

以X射线粉末衍射(XRD)结晶度测定法观测CXN (STI型)天然沸石在不同浓度盐酸(HCl)热溶液中的结构耐酸性, 以及比较和研究用不同方法制备的结构超稳化高硅H-STI-I和H-STI-II沸石及其不同阳离子交换型M-STI (M＝Li, Na, K, Ca, Ag) 系列沸石在程序阶梯升温过程中的结构热稳定性. 用X射线荧光散射(XRF), ²⁹Si与²⁷Al固体核磁共振(MAS NMR)表征超稳化高硅H型沸石的组成与结构性质. 结果表明该天然沸石在浓度低于2 mol/L盐酸中可较长时间保持结构完美. 视阳离子类型不同, 经1173 K焙烧后M-STI-I系列沸石与M-STI-II系列沸石相对结晶度降低百分数分别为2.5%～18% 与0～35%. 在M-STI-I系列沸石中, 焙烧前后相对结晶度下降幅度的次序为K型＜(H, Li, Na)型＜(Ca, Ag)型, 而M-STI-II系列沸石, (Na, K)型＜(Li, H, Ca)型＜Ag型. 从沸石骨架硅铝比、结构缺陷、阳离子种类及其氧化物形成热等方面讨论影响沸石结构热稳定性的因素.     

高温下甲苯在不同去阳离子丝光沸石上的吸附性质和表面反应

用脉冲色谱法测量了不同交换度的NaHM上甲苯的吸附热,並用动态法测量了程序升温脱附和反应。结果表明:吸附量小于5微升/克,交换度小于32％时,主要显示Na⁺中心的吸附性质。其吸附热基本上不随交换度变化。交换度大于32％时,在H⁺中心上的吸附渐趋显著,吸附热也随交换度的增加而渐次下降。 比保留体积随交换度变化的曲线在交换度为32-41％处有极大值。通过吸附熵的计算认为这可能与交换过程中主孔道阳离子空间位阻的下降有关。     

X型沸石催化剂的甲苯甲醇侧链烷基化反应和吸附量热研究

本文报道了以原粉NaX和成型NaX为前体分别通过离子交换法及浸渍法制得的几种碱金属阳离子X型沸石上甲苯甲醇侧链烷基化反应的活性和选择性。并以NH₃和CO₂的微分吸附量热表征了这些催化剂的酸碱性。结果表明，在所有催化剂中成型KX的侧链反应活性最高。该催化剂对NH₃的微分吸附热为45 kJ/mol左右，吸附覆盖度为3.3 μmol/m²；对CO₂的微分吸附热在128～60 kJ/mol之间，吸附覆盖度为0.16 μmol/m²。对比其他三种酸性相近的催化剂，碱性更强(如K/KX(p)和K/KX(c))或更弱(如KX(p))时，侧链反应活性都较差。看来，成型KX催化剂的表面酸碱性匹配对侧链烷基化反应比较有利。该结果进一步证明了在甲苯甲醇侧链烷基化反应中催化剂酸碱协同作用的重要性。     

水合NaX沸石与碱金属盐类间的固相离子交换

通过XRD和吡啶吸附的IR技术考察了水合13X沸石与碱金属盐类间的固相离子交换反应,结果表明,此类固相离子交换在室温下即可发生。一次交换的程度有限,通过重复交换可提高交换度,体积较大的Cs⁺比K⁺难于交换,高温焙烧有利于提高Cs⁺的交换度。     

水溶液交换法制备的(Li,Na)-LSX沸石骨架中Li~+分布

采用水溶液交换法对Na-LSX沸石进行Li+交换,通过改变交换次数制备出不同交换度的低硅铝比X型[(Li,Na)-LSX]沸石分子筛,并对其进行XRD、FT-IR、TG-DSC、SEM和NMR等表征和分析,重点考察了Na-LSX分子筛在Li+交换前后的结构变化情况,以及不同交换度的(Li,Na)-LSX沸石分子筛骨架中Li+的分布。结果表明随着Li+交换度的增加,LSX分子筛的晶胞常数减小,热稳定性有所下降,Li+进入骨架中的顺序依次为S2>S3>S5。     

Cu(Ⅰ)-A沸石的吸附性质

考察了离子交换方法和Mn~(2 )、Tl~ 和Fe~(2 )共存阳离子对Cu(Ⅰ)-A沸石及其吸附性质的影响以及CO吸附动力学.离子交换方法不改变Cu(Ⅰ)-A沸石的CO、N_2吸附类型,但影响其吸附量.Mn~(2 )基本上未改变Cu(Ⅰ)-A沸石的吸附性质,而Tl~ 和Fe~(2 )则产生显著影啊,其中Fe~(2 )使N_2吸附增强而不利于CO-N_2二元混合气体的分离.采用CuA、MnCuA和TlCuA型沸石,在25℃及2.94×10~5Pa压力下,可将CO从30%提浓到97～99%,CO回收率可达90%.CO在Cu(Ⅰ)-A沸石上的吸附为二级过程,其吸附热为63.5KJ/mol.讨论了CO吸附机理.     

咔唑基噻咯微孔骨架材料的合成及其气体吸附

分别以1,1-二甲基-3,4-二苯基-2,5-双(4-(9-苯基-咔唑))噻咯、1-甲基-1,3,4-三苯基-2,5-双(4-(9-苯基-咔唑))噻咯和1,1,3,4-四苯基-2,5-双(4-(9-苯基-咔唑)噻咯单元为前驱体,通过氧化偶联聚合,制备了3种微孔骨架材料CPDM-CzS、CPPM-CzS和CPDP-CzS。通过傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)、冷场发射扫描电子显微镜(FSEM)和透射电子显微镜(TEM)对3种聚合物的结构和形貌进行了表征,采用N_2吸附、CO_2吸附、H_2吸附和CH_4吸附对材料的孔道性能和气体吸附性能进行了研究。结果表明:CPDM-CzS具有较高的CO_2吸附量(2.1 mmol/g,113 kPa,273 K)和优良的CO_2/N_2选择性气体吸附值(75.2),CPPMCzS具有较高的H_2吸附量(0.0151 g/g,113 kPa,77 K)。     

不同硅铝比Cu-ZSM-5纳米片上N2O催化分解

以双季铵盐表面活性剂为模板剂,水热条件下合成了硅铝比(nSi/nAl)为18、26和95的ZSM-5沸石纳米片,采用离子交换方法制备了铜改性的ZSM-5纳米片样品,并测试了其催化分解N_2O性能。结合X射线衍射(XRD)、N_2吸附/脱附、X射线荧光光谱(XRF)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、氢气程序升温还原(H_2-TPR)、氧气程序升温脱附(O_2-TPD)和原位红外漫反射光谱(CODRIFT)等表征结果 ,探讨了沸石硅铝比对于催化剂N_2O分解性能的影响及其原因。结果表明,ZSM-5纳米片硅铝比越低,CuZSM-5纳米片催化剂的活性越高。催化活性的提高归因于低硅铝比催化剂上Cu~+活性物种可还原性的增强和吸附氧脱附能力的提高。     

OFF沸石中锂离子在骨架外的分布及可接近性

对OFF沸石进行离子交换制备出NH4-OFF沸石,然后通过Li2CO3/NH4-OFF体系的固态反应制备了不同锂离子交换度的Li-OFF沸石。对吸附氮气和氧气的Li-OFF样品进行了7Li MAS NMR表征。研究发现,所有吸附氧气样品的部分7Li MAS NMR共振峰均发生了顺磁位移。通过对实验谱的拟合,得知Li-OFF沸石中的锂离子可分布在三类阳离子位置（A、B和C）上,对应于三个不同位移的谱峰。Li+离子并非等比例地进入三个可交换的位置,而是优先占据主孔道中的A位置,随着交换度的升高,位能较高的C和B位置上的Li离子占有率逐渐增加。在100％固态交换度样品中,Li+离子在不同离子位的占有率分别为17％(位置B)、29％(位置C)和54％(位置A)。其中,位置B是O2分子不可接近的,所以Li-OFF沸石中有83％的阳离子是可以接近的。     

脱铝八面沸石的研究II.羟基及其酸性

采用SiCl_4同晶取代NaY沸石,制备了硅铝比变化较宽且结晶度完好的八面沸石,进一步将样品交换为铵型,还制备了铝交换型八面沸石及越稳Y样品。红外研究发现,随硅铝比增加,八面沸石样品的两种典型羟基谱带频率发生规律性变化,且于3600及3666cm~(-1)附近相继出现新的羟基吸收谱带,其小笼羟基质子酸性逐渐增加,沸石体系B酸总量逐渐降低,而强B酸量则呈山峰形变化,骨架外铝对硅铝比较低的样品的酸性影响较大,在骨架硅铝比相近情况下,高温水热法脱铝样品(USY)较SiCl_4脱铝样品(DNH_4Y)的羟基谱带和酸性具有明显的差异。     

钠型斜发沸石在K^＋-Na^＋-NH4^＋和K^＋-Na^＋-Ca^2＋水溶液体系中的离子交换平衡

研究了K -Na -NH4 和K -Na -Ca2 水溶液体系与钠型斜发沸石的离子交换平衡。分别测定出以上两个体系在25℃、50℃和75℃下的离子交换平衡数据,利用平面三角图绘制表达出三元离子交换平衡等温线,并计算出沸石对体系中离子的分离因数。结果表明,在K -Na -NH4 溶液体系中,K 的分离因数在3以上,NH4 的分离因数在1~3之间,Na 的分离因数小于1,斜发沸石的离子交换选择顺序是K >NH4 >Na ,且低温有利于K 的交换,高温时NH4 的交换能力增强;在K -Na -Ca2 溶液体系中,K 的分离因数大于8,Na 的分离因数在1左右,Ca2 分离因数小于1,沸石的离子交换选择顺序是K >Na >Ca2 ,其中Ca2 属于部分交换,Ca2 对沸石对K 的交换选择性影响不大,且低温有利于沸石对K 的交换。     

FER型沸石的合成、结构与吸附性质

在TMEDA(四甲基乙基二胺)-Na2O-SiO2-Al2O3-H2O体系(I),Na2O-K2O-Al2O3-SiO2-H2O-HCO3^--CO3^2^-体系(II)及Py(吡啶)-PrNH2(正丙胺)-HF-SiO2-H2O体系(III)中, 分别合成了纯相FER沸石及FER硅沸石。用粉末XRD, FT-IR, 29Si MAS NMR及TG/DTA等表征其结构性质, 并用超微量电子真空吸附天平测定这些沸石样品对正己烷, 甲醇和水的吸附等温线。结果表明: 各体系合成的样品虽然结晶度高, 呈现出FER沸石的典型结构特征, 但由于它们的组成和晶格微结构不同, 热稳定性与吸附性质有明显的差异。在(I)体系中合成的FER沸石层错缺陷少, 晶格完美, 正己烷与甲醇的吸附量可达到理论值, 结构破坏温度为1190℃。红外精细谱及29Si MAS NMR高分辨谱证明FER硅沸石具有十分完美的骨架结构。由于晶胞收缩, 它对正己烷与甲醇吸附量略低于理论值, 并呈现出高度的疏水性。它的结构破坏温度高于1300℃。在(II)体系中合成的FER型沸石结构缺陷多, 沸石孔中的钾离子不易被质子完全交换。它的正己烷与甲醇吸附量均较低, 而水的吸附量相对较高。吸附现象表明, 正己烷和甲醇都被吸附于FER沸石的十元环主孔道中, 分压较高时, 甲醇可通过八元环进入小笼, 而水的吸附性质则主要与各样品的Si-OH缺陷及骨架中的阳离子含量有关。