SiO2醇凝胶胚体上A型分子筛原位合成与聚丙烯酰胺的调控机制研究

Binderless zeolite A shows higher adsorption capacity, higher adsorption/desorption rates, good shape selectivity, and lower coking trend as compared to zeolite with binder. This study is focused on in-situ synthesis of zeolite A on SiO2 alcohol gel body with regulation of polyacrylamide(PAM). During this program, the formation and transformation of crystal type A will be investigated. The crystallization of zeolite A will be regulated using PAM and the mechanism will also be explained. Influences of crystallization process, crystal-size distribution, pore-size distribution, and surface properties on adsorption/desorption equilibrium, adsorption/desorption kinetics, shape selectivity, and coking trend will be studied and discussed. Zeolite A with high crystallinity, narrow crystal-size distribution, as well as excellent adsorption performance can be obtained under the accurate regulation of PAM. Some difficult and crucial problems during is-situ synthesis of zeolite A can be solved. A novel strategy and method for the development of binderless zeolites will be established. Moreover, the basic theory on regulation of crystallization and adsorption performance can be broadened. All the study results will provide necessary science basis for establishing the green and effective in-situ synthesis method.

与传统有粘结剂分子筛相比，无粘结剂A型分子筛具有吸附容量高、吸/脱附速率快、择形选择性好、结焦倾向低等优点。本研究以SiO2醇凝胶为胚体，在聚丙烯酰胺的调控作用下，原位合成A型分子筛，揭示醇凝胶胚体上A型晶体的生成和转化行为，实现PAM对A型分子筛晶化过程的精确调控并阐明调控机制，掌握A型分子筛晶化历程、晶体尺寸分布、孔分布以及表面性质等对分子筛吸/脱附平衡行为、吸/脱附动力学特性、择形选择性以及分子筛上焦炭的沉积和失活特性的影响规律，精确调控下合成晶体纯度高、晶体尺寸分布范围窄、吸附性能优越的A型分子筛。本研究可解决目前A型分子筛原位合成技术存在的难题和不足，为无粘结剂分子筛吸附材料的开发提供新的思路和方法，拓展分子筛晶化行为及吸附性能调控研究的基础理论知识，为建立绿色高效的分子筛原位合成方法提供科学依据。

与传统有粘结剂分子筛相比，无粘结剂A 型分子筛具有吸附容量高、吸/脱附速率快、择形选择性好、结焦倾向低等优点。本课题以SiO2醇凝胶为胚体，在聚丙烯酰胺的调控作用下，原位合成A型分子筛。系统研究硅溶胶SiO2固含量、低碳醇种类、SiO2醇溶胶组成及配比、pH值、温度等对凝胶成球性能的影响，获得了优化的SiO2醇凝胶胚体制备工艺条件及调控SiO2醇凝胶胚体性能的关键技术；揭示了SiO2醇凝胶胚体上A型晶体的生成和转化行为；探明了A型分子筛晶化历程、晶体微观特性及表面性质对分子筛吸附性能的影响规律；掌握了A型分子筛晶化过程以及合成分子筛性能的精确调控方法，并阐述了调控机制；形成了SiO2醇凝胶胚体上A型分子筛的原位合成技术；对比评价了无粘结剂5A 分子筛吸附分离正构烷烃性能以及分子筛上焦炭的沉积和失活特性。研究结果表明，通过改进低碳醇并引入铵盐调控SiO2醇凝胶胚体的凝胶成球行为及性能，实现SiO2醇凝胶胚体的可控制备。在SiO2醇溶胶中添加高分子有机物以提高胚体的成球效果，同时作为造孔剂，为胚体提供丰富的孔道以强化原位反应过程中的液相传质，缩短原位反应过程中的晶化时间，减少A型晶体在晶化母液中的相转变，有效调控胚体上A型分子筛的原位合成行为。硅凝胶胚体上A型分子筛的晶化过程受硅铝酸盐凝胶的表面转化控制而非颗粒内扩散控制。硅凝胶胚体上A型分子筛的晶化过程属于自发成核，成核活化能为35.8 kJ/mol。通过引入PAM能够改变晶化体系的传质阻力，从而实现调控晶体生长速率的目的，显著提高A型晶体的稳定性。通过改变A型分子筛骨架离子组成调控分子筛的孔道尺寸，采用溶液浸没量热法研究不同离子组成的A分子筛与正己烷分子的相互作用，定量了吸附质分子-分子筛骨架、吸附质分子-分子筛外表面以及吸附质分子间的相互作用能。正构烷烃在无粘结剂5A分子筛上的吸附热略大于有粘结剂分子筛，表观扩散速率大于有粘结剂5A分子筛。无粘结剂分子筛的穿透吸附容量和床层穿透时的油筛比分别比有粘结剂分子筛高出22.1%和18.9%，同时具有更高的吸附选择性，吸余油中正构烷烃含量更低，脱附油中正构烷烃含量更高。研究结果有助于解决A型分子筛原位合成技术存在的难题和不足，为无粘结剂分子筛吸附材料的开发提供新的思路和方法，拓展分子筛晶化行为及吸附性能调控研究的基础理论知识，为建立绿色高效的分子筛原位合成方法提供科学依据。