Procédé et caractéristiques de préparation du tamis moléculaire de zéolite à partir d’argile naturelle de silice-alumine

Le tamis moléculaire de zéolite est une sorte de cristal d’aluminosilicate à structure poreuse régulière, qui est largement utilisé dans la séparation par adsorption de gaz, la catalyse industrielle, le contrôle de la pollution par ions de métaux lourds et d’autres domaines. La synthèse hydrothermale des tamis moléculaires traditionnels à zéolite utilise souvent des produits chimiques contenant du silicium et de l’aluminium et des gabarits organiques comme matières premières, ce qui est non seulement coûteux, mais pollue également l’environnement.
Ces dernières années, avec la popularisation du concept d'«industrie chimique verte », les argiles naturelles de silice-alumine telles que le kaolin, la montmorillonite, la rectorite et l’illite présentent les avantages de réserves abondantes et de prix bas. Il a montré un grand potentiel, et ses méthodes de synthèse comprennent principalement la méthode des semences, la méthode de phase solide assistée par vapeur et la méthode sans solvant.
1. Méthode des semences
Étant donné que Holmes et al. ont rapporté la production d’un tamis moléculaire ZSM-5 de haute pureté avec du kaolin naturel comme source de silicium et un tamis moléculaire commercial comme cristal de graine, la méthode du cristal de graine peut considérablement raccourcir la période d’induction de la synthèse, inhiber la formation et la régulation des hétérocristaux. D’excellents effets tels que la taille des grains, ainsi que les caractéristiques du processus de synthèse verte, un fonctionnement simple et pratique, aucun agent de gabarit organique pour la synthèse et réduisant considérablement les coûts de production, sont maintenant devenus l’une des voies représentatives de la synthèse verte des tamis moléculaires de zéolite.
Le mécanisme de synthèse des tamis moléculaires de zéolite à base d’argile par des cristaux de graines tend vers le mécanisme de synthèse en phase liquide, c’est-à-dire que les graines de zéolite sont partiellement dissoutes au stade précoce de la cristallisation pour former de petits fragments avec la structure unitaire primaire des tamis moléculaires de zéolite; dans le même temps, ils sont activés par de l’argile naturelle de silice-alumine Les espèces actives de silice-alumine générées sont dissoutes-polycondensées pour former un gel d’aluminosilicate, qui enveloppera progressivement les fragments de cristal de graine et cristallisera sous le guidage structurel du cristal de graine pour former une structure de coquille avec le cristal de graine comme noyau. Avec la prolongation du temps de cristallisation, le gel d’aluminate amorphe génère progressivement des unités structurelles de tamis moléculaire primaire, qui se déposent de la coquille au noyau par condensation-polymérisation, et convertissent finalement les polymères géominéraux actifs formés par dépolymérisation de l’argile. Devenez un tamis moléculaire de zéolite.
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2. Méthode de synthèse en phase solide
La caractéristique de cette technologie est que la matière première pour la synthèse du tamis moléculaire de zéolite est placée dans la phase vapeur du solvant de réaction et de l’agent directeur de la structure pour la synthèse de cristallisation à l’aide de l’espaceur. Comparé au procédé traditionnel de synthèse hydrothermale, le système de synthèse en phase solide a été largement utilisé par les chercheurs ces dernières années pour ZSM-5, dans la synthèse de zéolithes telles que SSZ-13 et SAPO-34.
Le processus de cristallisation des tamis moléculaires de zéolite à base de silice-alumine naturelle préparés par la technologie de synthèse en phase solide est plus conforme au mécanisme de cristallisation biphasée entre la synthèse en phase solide et la synthèse en phase liquide. C’est-à-dire qu’au stade initial de la cristallisation des tamis moléculaires de zéolite synthétique en phase solide, l’argile naturelle silice-alumine est dissoute sous la double action de la vapeur d’eau et de forts ions hydroxyde alcalins attachés à la surface de la matière première solide, et des espèces actives de silicium et d’aluminium sont générées. , et a pris la tête de la cristallisation en cristallites de tamis moléculaire de zéolite. Avec la prolongation du temps de cristallisation, les cristallites de zéolite absorbent des espèces de silicium et d’aluminium plus actives de leur environnement et se développent progressivement en suivant le mécanisme d’Oswald sous l’action de Na+ et d’agents directeurs de structure. Dans l’environnement de vapeur, le transfert de masse et le transfert de chaleur des espèces actives de silicium et d’aluminium dans l’environnement environnant du noyau cristallin sont considérablement augmentés, ce qui réduit non seulement l’activité de la surface du géopolymère, mais rend également le gabarit organique facilement attaché à la surface de la matière première solide. Il favorise également la dépolymérisation et le réarrangement des polymères géominéraux, accélérant ainsi le taux de croissance des cristaux.
Bien que la préparation de tamis moléculaires de zéolite à base d’argile par la technologie de synthèse en phase solide surmonte les caractéristiques de synthèse verte d’une grande quantité de solvants synthétiques, l’opération de synthèse réelle est trop lourde, la pression dans le système est trop importante pendant la cristallisation et les produits de synthèse sont mélangés. Une série de problèmes pratiques ne peuvent toujours pas être appliqués industriellement.
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3. Méthode sans solvant
Afin de surmonter les problèmes de grande quantité de rejet de solution alcaline pour polluer l’environnement, faible rendement par bouilloire et haute pression du système de synthèse en raison de l’utilisation d’eau de solvant dans la synthèse traditionnelle des tamis moléculaires de zéolite, la technologie de synthèse sans solvant des tamis moléculaires de zéolite à base d’argile a vu le jour. Étant donné que la synthèse sans solvant du tamis moléculaire de zéolite appartient à l’interaction entre l’état solide et l’état solide, aucun solvant n’est ajouté dans le processus de synthèse, de sorte que le problème de la décharge de solvant et de la pression de synthèse causé par la production de zéolite est complètement éliminé.
À l’heure actuelle, on pense que la synthèse sans solvant des tamis moléculaires de zéolite à base d’argile suit un mécanisme de transition de phase solide. C’est-à-dire que dans le processus de cristallisation de la zéolite, il passe par quatre étapes de diffusion, de réaction, de nucléation et de croissance. La différence avec la synthèse hydrothermale des cristaux de graines et la synthèse en phase solide assistée par la vapeur est que dans le processus de synthèse sans solvant des tamis moléculaires de zéolite, il n’y a ni dissolution des matières premières en phase solide ni implication directe de la phase liquide dans la nucléation du tamis moléculaire et la croissance cristalline. Dans le processus de synthèse de la zéolite, prolonger le temps de broyage et augmenter la force de broyage peut non seulement augmenter les chances de contact intermoléculaire, ce qui est propice à la diffusion spontanée des molécules, mais également augmenter l’énergie libre de surface des composants de la réaction, augmentant ainsi l’énergie libre totale de la synthèse de la zéolite. But. Au cours du processus de cristallisation, en fonction des vides abondants et des différences de gradient de concentration entre les interfaces de phase, les espèces actives de silicium et d’aluminium générées par l’activation et la dépolymérisation des argiles naturelles de silico-alumine polymérisent, formant progressivement un « noyau cristallin » primaire, puis continuellement polycondensation, condensation et enfin se combinent en monocristaux de tamis moléculaire.