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钛硅分子筛的研究毕业论文第一章 文献综述及选题1.1 沸石分子筛1.1.1 沸石分子筛简介1756年，瑞典一位矿物学家A.F.Cronstedt发现在加热一种晶体矿物时熔融和沸腾的现象发生，便把这种矿物叫做沸石(zeolite)1。沸石分子筛是一族具有四面体结构的多孔结晶形硅铝酸盐的总称。“分子筛”故名词义是一种在分子水平上能够筛分物质的多孔材料，它包括沸石分子筛、磷酸铝分子筛和介孔材料，是很重要的催化剂(催化剂载体)、吸附剂和离子交换剂。根据国际标准命名(IUPAC)2对多孔材料的划分，将分子筛按其孔径尺寸分为三类，即孔径小于2纳米的为微孔分子筛(micropore)，孔径介于2-50纳米之间的为介孔分子筛(mesopore)，孔径大于50纳米的为大孔分子筛(macropore)。1.1.2 沸石分子筛的晶体结构铝氧四面体(AlO4) 和硅氧四面体(SiO4)是构成硅铝沸石分子筛骨架的最基本结构单元。由于Al 是正三价的，即铝氧四面体带有一个负电荷，因此需要有带正电荷的阳离子来中和其电负性，从而使整个骨架呈电中性。骨架中氧原子把硅氧四面体和铝氧四面体连接起来，即相邻的铝氧四面体(AlO4) 和硅氧四面体(SiO4)共用同一个氧原子，该氧原子被称为氧桥。氧桥把铝氧四面体(AlO4) 和硅氧四面体(SiO4)连接成环，环上的四面体再通过氧桥互相连接，从而构成了三维骨架的孔穴(笼或空腔)。因此，分子筛的结构可以从三个层次来表述：第一个结构层次即为构成分子筛骨架的硅氧四面体(SiO4)和铝氧四面体(AlO4)；第二个结构层次即四面体通过氧桥相互连接的环，环可以大小不同，按成环的氧原子数划分，有五元环、六元环、十元环、十八元环等。环是分子筛的通道孔口，可以对通过的分子起到筛分作用；第三个结构层次即氧环通过氧桥互相联结形成具有三维空间的多面体。多面体中有中空的笼，笼是分子筛结构的重要特征。各种多元环在三维空间相互联结，可形成更复杂的、中空的多面体，这些多面体再进一步排列，即构成沸石的骨架结构。因此，这样的硅(铝)氧骨架结构是非常空旷的，具有许多排列整齐的晶穴、晶孔和孔道。金属阳离子就存在其中，水分子更是充满整个空旷的骨架。其它阳离子可以把沸石中的阳离子交换出来，从而决定了沸石分子筛的离子交换性能。通过加热沸石分子筛可以把其中的水脱去，硅(铝)氧骨架也可在一定条件下发生变化(例如部分脱铝等)。沸石的这些结构特点，正是它具有各种特性的内在原因3。1.2 钛硅分子筛1.2.1 钛硅分子筛简介自1983年，Taramasso及其合作者首次成功地合成了含钛的分子筛催化剂TS-1后，含钛分子筛的合成及应用研究受到人们广泛重视。钛硅分子筛，其特征在于该分子筛具有由两套十元环孔道和一套九元环孔道交错组成的三维孔道结构，它的第一套大体平行的孔道由四配位原子组成的十元环构成；第二套孔道也是由四配位原子组成的十元环构成，并与第一套孔道相互垂直交错；第三套孔道与第一、第二套孔道交错，并由四配位原子组成的九员环构成。1.2.2 钛硅分子筛的结构及性质研究表明，钛硅分子筛中的骨架钛为完美的四面体结构TiO4，它随机地分布在分子筛骨架中，Ti-O键长为0.1800.181nm。Ti进入分子筛骨架改变了单元晶胞的参数。研究发现，晶胞常数与骨架钛(而不是非骨架钛)的含量呈线形关系。除了骨架 Ti的环境和状态外，金属杂质、非骨架TiO2和分子筛的酸性等对该分子筛的催化活性及选择性都有显著影响。1.2.3 钛硅分子筛的应用进展钛硅分子筛不仅机械、热和辐照稳定性高，而且具有均一的离子交换位置和微孔结构，特别适合于分离微量的、化学性质相似的元素。钛硅分子筛在有机化合物氧化反应中的作用是众所周知的，由于分子筛具有规整的孔道结构和较大的比表面积等特点，在分子筛骨架中引入具有氧化还原能力的杂原子，以制备新型的催化氧化催化剂，可用于有机分子的选择性氧化，尤其是在温和条件下有H2O2参与的选择性氧化，目前研究较多的有苯和苯酚的轻基化、烯烃的环氧化、环己酮的氨氧化等。钛硅分子筛是近几年来分子筛科学中发展最快的领域之一。1.3 ETS-4分子筛的简介及发展（包括离子交换方面）1.3.1 ETS-4分子筛的简介1990年Kuznicki首次制备了一种全新的小孔钛硅分子筛EngelhardTitanosilicalite4(简称ETS-4)。ETS-4具有010方向的一维孔道体系由于ETS-4的骨架可通过升高温度使骨架系统失水缩合生成，使分子筛晶体内部有效孔径(0.30.4nm)大小可调，赋予了ETS-4分子筛独一无二的特点，ETS-4结构中包含有O-Ti-O-Ti-O链，这些链具有量子阻隔效应，可以作为一维的单原子量子线，这使得ETS-4分子筛可能在非线性光学、化学传感器以及光化学中得以应用。1.3.2 ETS-4分子筛的制备首先将一定量的H2O、NaOH、Na2SiO4混合，剧烈搅拌至澄清，同时将适量的H2O、H2SO4、TBOT混合搅拌至澄清。混合上述2步制得的澄清溶液，剧烈搅拌1h得乳白色溶胶。将一定量的溶胶(合成液的摩尔配比为n(SiO2):n(TiO2):n(Na2O):n(H2SO4):n(H2O)=3.6:1.0:5.5:x:230.2，x=3.34.4)倒入不锈钢反应釜中，后垂直放入负载晶种的支撑体，在175下反应一定时间。合成的膜用大量的去离子水清洗后烘干。晶种合成液的摩尔配比为n(TiO2)：n(SiO2)：n(NaOH)：n(H2O2)：n(H2O)=1.0:0.09:1.4:0.8:67.5，反应温度为200，合成时间为24h。1.3.3 ETS-4分子筛的发展1.4 分子筛的离子交换方法1.4.1 水溶液交换法水溶液离子交换法是常用的交换方法。这种方法要求欲交换的阳离子在水溶液中以阳离子(简单的或络合的)状态存在，水溶液的pH值范围应不破坏沸石分子筛的晶体结构。沸石分子筛与某种金属盐的水溶液相接触时，离子交换过程可用下面通式表示:A+Z-+BB+Z-+A+式中Z-为沸石分子筛的阴离子骨架，A+为交换前沸石分子筛中含有的阳离子(一般为钠离子)，B+为水溶液中的金属阳离子。常用的交换条件是：温度为室温至100，时间为数分钟至数小时，溶液浓度为0.10.2mol /L。1.4.2 非水溶液交换法当所需要交换的金属处于阴离子中，或者金属离子是阳离子但它的盐不溶于水，或者虽然盐类溶于水(如AlCl3，FeCl3等)，但溶液呈强酸性，容易破坏沸石分子筛骨架结构等情况下，此时采用非水溶液离子交换法。1.4.3 熔盐交换法利用熔盐溶液技术研究离子交换，可以消除溶剂效应的干扰。具有高离子化性的熔盐，如碱金属的卤化物、硫酸盐或硝酸盐都可用来提供阳离子交换的熔盐溶液，但要求形成熔盐溶液的温度必须低于沸石分子筛结构的破坏温度。在熔盐溶液中除有阳离子交换反应进行外，还有一部分盐类藏在沸石分子筛笼内，因此可形成特殊性能的沸石分子筛。例如，将Li，K，Cs，Ag或Ti等金属离子的硝酸盐与硝酸钠混合，加热到330与沸石分子筛进行交换， 可将沸石分子筛中的钠离子全部交换。若将交换度外推到微量时，这些阳离子的交换选择顺序为:Cs+Ti+Ag+K+Li+Na+，当交换度达到一定数值后，Cs+、Ti+、K+的选择顺序将到Na+的后面。1.4.4 蒸汽交换法某些盐类在较低温度下就能升华为气态，沸石分子筛可以在这种气态环境中进行离子交换。例如氯化铵在300即升华为气态，沸石分子筛中的Na+可与氯化铵蒸汽进行交换，氯化亚铜在300以上也可升华，沸石分子筛非骨架阳离子可与其在此温度下发生交换反应，克服其不溶于水及在水溶液中不稳定，难以交换的缺陷。1.4.5 接触诱导交换法研磨沸石分子筛和无机盐的混合物，反应即可在室温发生，生成卤化钠，称为接触诱导交换。用XRD可检测到独立相NaOH的生成，证明了接触诱导离子交换反应的发生。此种类型的交换是在沸石分子筛和盐的固态混合物中进行的，吸附在沸石分子筛中的结晶水在交换过程中参与反应。1.4.6 固相离子交换法固相离子交换的操作方法与接触诱导交换法比较相似，但是反应需要前处理：即需将沸石分子筛高温脱水，然后再将沸石分子筛粉末与欲交换的盐晶体在研钵中混合研磨。在一定温度下焙烧后，即可发现离子交换反应的发生。1.5 气体的分离1.5.1 气体分离的方法深冷法：早在 20 世纪 50 年代，人们就发明了深冷分离法。其原理是利用各组分相对挥发度的差异，先液化，再用精馏法将各类物质依其蒸发温度的不同逐一加以分离。由于其能耗较高，使得在以下几种情况可用吸附法来代替：待分离的关键组分之间的相对挥发度是在 1.2 到 1.5 之间或更低；进料中多半是易挥发组分，所需产品在原料中浓度很低；待分离的两种组分具有重叠的沸点范围；液化需要低温和高压；存在对吸附分离有利的其它因素，如气体处理量规模不大或产品纯度要求不是很高。低温精馏分离方法能耗高高、设备投资大，只有在处理气量较大(每天几百万立方米)时才有经济效益，而我国矿区煤层气和城市垃圾填埋气规模都较小且分散，显然不适合低温精馏分离方法。溶液吸收法：溶剂吸收包括物理溶剂吸收法和化学溶剂吸收法，物理溶剂吸收时不发生化学反应，溶剂减压后释放吸附质(不必加热)，解吸后的溶液可循环使用。采用物理吸收法的关键是选用的吸收剂必须选择性好、溶解度大、性能稳定对设备无腐蚀。化学溶剂吸收是根据吸附质和溶剂间的一种或更多的可逆反应来达到分离效果的。膜分离法：膜分离法是近 20 年发展起来的一种新的分离技术。膜分离是用合成的或天然的、具有选择透过性的薄膜，以电位差或化学位差为推动力，对两组分或多组分体系进行分级、分离、提纯或富集的过程。气体膜分离是借助气体各组分在膜中的渗透率或透过量的不同实现的。目前，气体膜分离技术主要用于H2、CO2的分离和回收，O2、N2的富集、有机蒸汽的回收和空气的脱水等方面。大多数气体的膜分离都是根据扩散的差别，而人们所期望的是基于溶解度差异的分离，因为此种分离方法采用的膜结合了无机多孔物质和聚合物的优点。吸附分离：吸附是在界面层中的一个或多个组分的浓度与它们在体相中的浓度不同的界面现象。直到六十年代初，吸附分离的开发使用还仍局限在工业排气和空气的净化方面。随着自身理论的不断发展和新型吸附剂、新循环法的发明，吸附分离这一操作单元逐渐受到了人们的重视，是目前气体分离领域中应用最广，且最有前景的方法。变压吸附技术：变压吸附技术是利用不同组分在固体吸附剂上的吸附量、吸附速度、吸附力等方面的差异，以及吸附量随压力的变化而变化的特性，加压条件下完成吸附过程，减压脱附被吸附的组分，以实现气体分离或提纯和吸附剂循环使用的目的。PSA技术于1962年实现工业规模的制氢。进入70年代，PSA技术获得了快速发展，工艺越来越完善，成本不断降低，使用范围越来越广泛，成为近几十年来发展最快的化工分离技术之一。1.5.2 N2和甲烷的分离ETS(Engelhard TitanoSilicate)是一类含有硅四面体和钛八面体的混合氧化物，ETS-4 分子筛是这类合成微孔物质中的代表。ETS-4 最显著的特征是钛八面体仅通过四个氧桥与硅原子框架相连，这种平面连接与通常的微孔结构的三维连接是有区别的。其结构中，氧-钛链沿010面延伸，在100面与硅酸钛“桥联单元”相连，在001面与硅四面体相连。正是桥联单元中钛原子所处的这种协同环境，使得可吸附或可扩散的物质容易接近桥联单元，结构上的这些特征为评价该类物质在吸附及催化方面的潜能提供了重要依据。合成的 ETS-4 一般为钠型，热稳定性和吸附性能均不理想，当温度接近200时，其单晶结构会由于失水而坍塌为无定形物质，通过适当的离子交换可提高其热稳定性(Sr-ETS-4失水温度可达350以上)，并实现精确的孔径控制。通过升温脱水压缩，可调节晶体内部的有效孔径大小，使其达到分离尺寸相似的分子的目的，即所谓的“分子门”作用。调节 ETS-4 的有效孔径使之允许较小的氮气分子进入而将甲烷分子排除在孔外。Sr-ETS-4对甲烷/氮气的分离因子比 ETS-4有所提高，但吸附量略有降低。由于 Sr-ETS-4 具有与甲烷分子直径更接近的孔径，其较之Na-ETS-4的分子筛分离作用更明显，分离因子也更高。第二章 实验试剂、仪器及实验方法2.1 实验方案实验方案表格序号反应条件12345SrCl2质量分数（%）515202530pH7.5891011交换温度（）6570758085交换时间（min）3060901201502.2 实验试剂表2-1 实验中所用试剂原料一览名称纯度或主要成分生产商氯化锶（SrCl2）去离子水（H2O）太原理工大学生产Na-ETS-4Sr-ETS-4氢氧化钠（NaOH）氨水（NH3H2O）2.3 实验设备实验所用主要仪器设备列于表2-2中表2-2 仪器设备仪器名称型号生产厂家电热鼓风干燥箱101北京市永光明医疗机械厂恒温磁力搅拌器81-2上海司乐仪器厂高速离心机SC-3616科大创新股份有限公司中佳分公司集热式恒温加热磁力搅拌器DF-101S巩义市予华仪器有限责任公司电子天平FA2004N上海精密科学仪器有限公司马弗炉SX2-4-10天津东亚电炉厂XRDXRF2.4 表征仪器与测试方法2.4.1 分子筛的晶相表征XRDXRD即X-ray diffraction ，X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，分析材料的成分等。X射线是一种波长很短(约为200.06埃)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中，包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量原子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsin=n应用已知波长的X射线来测量角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素。X射线衍射法（XRD）是测定分子筛材料的晶体结构最有效工具。在分子筛测试中，X射线粉末衍射技术通常被用于新合成物质的鉴定或者合成后处理过程的监控。通过XRD，我们可以清楚看到我们所合成的样品是否和标准谱图相吻合，确定其特征峰，得出分子筛类型；同时还可以计算晶胞参数、硅铝比以及结晶度等。在X射线粉末衍射法对分子筛材料的表征中，可以利用图谱中的不同特征获取许多有用信息，如峰位置、背景谱线、峰宽、峰强度等，根据这些信息可以确定物系的晶胞尺寸、有无无定形组分、堆积缺陷、晶体结构和结晶度等性质。X射线衍射现象发现后，很快被用于研究金属和合金的晶体结构，出现了许多具有重大意义的结果。目前 X射线衍射(包括散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。本论文中XRD的型号及工作条件如下：型号：Shimadzu/XRD-6000型X射线衍射仪厂家：Shimadzu（日本）辐射源：CuK管流：16mA 步长：0.02管压：36kv 扫描速度：8/min2.4.2 分子筛骨架的测定-FT-IR-FT-IR是利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。红外光谱（IR）可以表征化学键进而表征分子结构。当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。在沸石和分子筛研究中的应用主要有：分子筛骨架构型的判别、骨架元素的组成分析、阳离子分布情况、表面羟基结构、表面酸性、催化性能以及分子筛的客体结构等方面。红外光谱分析可用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法。红外谱具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。已有几种汇集成册的标准红外光谱集出版，可将这些图谱贮存在计算机中，用以对比和检索，进行分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定。由于分子中邻近基团的相互作用，使同一基团在不同分子中的特征波数有一定变化范围。此外，在高聚物的构型、构象、力学性质的研究，以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域，也广泛应用红外光谱。本文采用BIO-RAD型红外光谱仪测试分子筛样品的骨架振动，分辨率 2cm-1，扫描累加次数16次，固体样品与KBr按照质量比1: 160混合，研磨、压片。2.4.3 分子筛中离子含量的测定：火焰光度法火焰光度法以火焰作为激发光源，使被测元素的原子激发，用光电检测系统来测量被激发元素所发射的特征辐射强度，从而进行元素定量分析的方法。属于原子发射光谱法的范畴。1859年由R.W.E.本生发明，1935年制成第一台火焰光谱光电直读光度计。该法系选择适当的方式将分析试样引入火焰中，依靠火焰（1800-2500）的热效应和化学作用将试样蒸发、离子化、原子化和激发发光。根据特征谱线的发射强度I与样品中该元素浓度之间c之间的关系式I=acb(a、b为常数)，将未知试样待测元素分析谱线的发射强度与一系列已知浓度标准样的测量强度相比较，进行元素的火焰光谱定量分析。测定所用的装置为火焰光度计。定量关系：I=aCb式中，I-特征谱线强度;C-待测物浓度;a-与元素激发电位、温度及试样成份有关的参数;用火焰作为激发光源时，因燃烧稳定，且组份在火焰中分散度好，此时a为常数;b-自吸情况参数，当C很低时，b=1。此时， 自吸现象可忽略，则:I=a C。即: 特征谱线强度与待测物浓度成正比。火焰光度法方法特点是准确、快速，灵敏度较高.但因用火焰作为激发光源，温度较低，只能激发碱金属、碱土金属等几种激发能低、谱线简单的元素，难激发的元素测定较困难。2.3.4 实验方法及步骤配制一定浓度的氯化锶溶液，称量17gNa-ETS-4固体。（A）一定浓度的氯化锶溶液（B）Na-ETS-4固体两种原料充分搅拌均匀后，水浴加热反应，在一定温度下反应一定时间。然后抽滤，置于60干燥箱中干燥后研磨。第三 结果和讨论本文探究了在使用Na-ETS-4离子交换法制备Sr-ETS-4的过程中，氯化锶溶液浓度、pH值、交换温度及交换时间对产物的影响，得到的产物均有不同。3.1 不同交换条件对产物的影响3.1.1 SrCl2浓度对产物Sr-ETS-4的影响考察不同氯化锶溶液浓度对产物的影响。此时离子交换反应的其他反应条件是相同的（pH、反应温度和反应时间）。表3-1的内容是是不同氯化锶溶液浓度与对应产物的交换度，图1-1-1是氯化锶溶液浓度与交换度的关系曲线。将一定浓度的氯化锶溶液与Na-ETS-4固体混合，将混合后的物质置于水浴环境中在一定温度下反应一定时间，同时搅拌。在其他可变条件相同的前提下，改变氯化锶溶液的质量分数，对实验结果的影响如下：表3-1 不同氯化锶溶液浓度与对应产物的交换度SrCl2质量分数（%）515202530交换度（%）52.4459.4474.4377.3479.72图1-1-1 SrCl2质量分数对交换度的影响由图1-1-1可以看出，交换度随着氯化锶质量分数的增大而增大。在质量分数是15%到20%交换度增加的幅度是非常明显的，而在20%以后，交换度虽然也在增大，但是幅度明显变小。结合实际情况考虑，可以选择20%的氯化锶溶液来投入到实际应用中。 图1-1-2 Na-ETS-4和Sr-ETS-4的XRD图图1-1-3 Na-ETS-4和Sr-ETS-4的XRD图图1-1-2为Na-ETS-4和对于不同交换原料浓度所对应产物Sr-ETS-4的XRD比较图。从图1-1-2中可以看出,分子筛均在2=7.5、12.7、30.0处出现特征峰，具有典型的ETS-4沸石分子筛的结构特征。从图中可以看出, Na-ETS-4经Sr2+离子交换后,其在2=7.5、12.7、30.0的特征峰的强度并没有减弱,但是经Sr2+离子交换后,在16.8处的峰消失。在分子筛ETS-4中,阳离子如Na+或Sr2+是用来平衡分子筛骨架的负电荷的,其并不是分布在分子筛的骨架上,而是分布在骨架外的阳离子缺陷位上。因此,当Na+被Sr2+交换后,其骨架结构并没有发生变化。在2=16.8处消失的峰归属于Na2O的消失。由图1-1-3可以清楚地看到在2=24.7，29.1处的峰发生了偏移，2=30.7的峰消失，说明Sr-ETS-4与Na-ETS-4的结构存在差异。 3.1.2 交换环境pH值对产物Sr-ETS-4的影响考察不同pH值对产物的影响。此时离子交换反应的其他反应条件（SrCl2溶液质量分数、反应温度和反应时间）是相同的。表3-2的内容是改变不同反应的pH值与对应产物的交换度，图1-2-1是pH值与交换度的关系曲线，图1-2-2是在不同pH值下反应后Sr-ETS-4的XRD图。将一定浓度的氯化锶溶液与Na-ETS-4固体混合，将混合后的物质置于水浴环境中在一定温度下反应一定时间，同时搅拌。在其他可变条件相同的前提下，改变pH值，对实验结果的影响如下：表3-2 不同反应的pH值与对应产物的交换度交换环境pH值7.5891011交换度（%）68.5372.7370.6371.3266.43图1-2-1 pH对交换度的影响 由图1-2-1看出，随着碱性增大，在pH为8.0时交换度最大，随后呈现下降趋势。由此我们可以看出,pH值对交换反应存在影响，在实际应用中，我们可以考虑使用pH为8.0的条件下进行反应，这样既节省试剂，又可以达到比较好的效果。图1-2-2 Na-ETS-4和Sr-ETS-4的XRD图图1-2-2为Na-ETS-4和对于不同pH值所对应产物Sr-ETS-4的XRD比较图。图1-2-2的XRD图所表现出来的特征与图1-1-2类似，由此可以看出，pH值对Sr-ETS-4的结构所产生的影响与不同氯化锶浓度对产物结构产生的影响没有区别。3.1.3交换温度对产物Sr-ETS-4的影响 考察不同交换温度对产物的影响。此时离子交换反应的其他反应条件（SrCl2溶液浓度，pH和反应时间）是相同的。表3-3的内容是交换温度与对应产物的交换度，图1-3-1是交换温度与交换度的关系曲线。将一定浓度的氯化锶溶液与Na-ETS-4固体混合，将混合后的物质置于水浴环境中在一定温度下反应一定时间，同时搅拌。在其他可变条件相同的前提下，改变交换温度，对实验结果的影响如下：表3-3 交换温度与对应产物的交换度 交换温度（）6570758085交换度（%） 56.6463.6468.5374.8383.22图1-3-1 交换温度对交换度的影响由图1-3-1可看出随着交换温度的上升，交换度上升显著。并且可以看出相对于SrCl2浓度和pH值，交换温度的影响更为强烈，实际生产中对温度更应引起重视。图1-3-2 Na-ETS-4和Sr-ETS-4的XRD图图1-3-2为Na-ETS-4和Sr-ETS-4对于不同交换温度所对应产物的XRD比较图。从图中可以看出，2大约为12.7、16.8和30.4的峰明显降低。在2=16.8处的峰，交换温度为65及70时，该峰只是强度减弱，并没有完全消失，这可能是由于交换的并不完全所导致；交换温度达到75后，该峰消失。其他特征峰的变化特征与图1-1-2相似，因此可以得到结论，在交换时选择75为宜。3.1.4交换时间对产物Sr-ETS-4的影响考察不同交换时间对产物的影响。此时离子交换反应的其他反应条件（SrCl2溶液浓度，pH和反应温度）是相同的。表3-4的内容是交换时间与对应产物的交换度，图1-4-1是交换时间与交换度的关系曲线，图1-4-2是在不同交换时间下反应后Sr-ETS-4的XRD图。将一定浓度的氯化锶溶液与Na-ETS-4固体混合，将混合后的物质置于水浴环境中在一定温度下反应一定时间，同时搅拌。在其他可变条件相同的前提下，改变交换时间，对实验结果的影响如下：表3-4 交换时间与对应产物的交换度 交换时间（min）306090120150交换度（%）33.5759.4468.5373.4279.02图1-4-1 交换时间对交换度的影响由图1-4-1可以看出随着交换时间的加长，交换度会有所增加。由30m到60m上升的幅度是很大的。从60m以后，反应时间对交换度的影响逐渐缓和，交换度增加的幅度慢慢变小，没有30m到60m增大的那么明显。可能的原因是在相同的反应条件下，反应有一定的极限，达到极限后，反应速度逐渐变慢，所以交换度也会增大到某一数值而开始变化缓慢。图1-4-2 Na-ETS-4和Sr-ETS-4的XRD图图1-3-2为Na-ETS-4和Sr-ETS-4对于不同交换时间所对应产物的XRD比较图。2大约为12.7、16.8和30.4的峰明显降低。从图中可以看出，随着交换时间的延长，在16.8处Na2O的特征峰在逐渐减弱，说明交换时间越久，离子交换越充分。3.2分子筛的FT-IR分析 图2-1 Na-ETS-4和Sr-ETS-4的FT-IR图图2-2 Na-ETS-4和Sr-ETS-4的FT-IR图 图2-1所示红外光谱图自下到上顺序分别对应的交换度是52.44%，33.57%，63.64%，71.32%，79.02%。参考已知文献可以知道，在400cm-1到490cm-1之间出现了由于Si-O-Si桥平面外变形所产生的振动峰；Na-ETS-4在455cm-1处出现的特征峰在经过锶交换以后在所得产物中并没有再出现；但是产物Sr-ETS-4中， 在419cm-1处出现了另外一个小峰，说明了Na-ETS-4与Sr-ETS-4二者的结构是存在差异的；在550cm-1到800cm-1之间出现了一些Si-O-Ti桥的对称伸缩振动峰；970cm-1附近的峰应为Si-O-Si的不对称振动而产生出的振动峰，由图2-2的FT-IR放大图可以看出，该处的峰在经过锶交换后发生了偏移，说明进行锶交换后使ETS-4的骨架结构产生了变化；1397cm-1处Na-ETS-4的峰在锶交换后没有出现；1650cm-1是水的剪切峰；在3471cm-1附近是O-H键的伸缩振动区域。综上所述，根据FT-IR图可以发现经过锶交换之后ETS-4的结构发生了些许变化。3.3 小结结论致谢本论文是在李玉平老师精心指导下完成的。李老师严谨的治学态度、渊博的学识、认真负责的精神、高尚的人格给我留下深刻的印象，也必将成为我今后学习和工作道路上的榜样，在论文完成之际，谨向李老师表示衷心的感谢。我在精细所作毕业论文位期间，也得到了研究生王艳悦师姐的热情帮助。不仅给了我宽松的学习环境，也对我的论文提出了宝贵的意见和建议。在论文完成之际，也向他们示衷心的感谢。感谢同组的韩艳娜和赵贽赟同学的帮助。参考文献1 Pavel, C. C., Vuono, D., Catanzaro, L., De Luca, P., Bilba,N.,Nastro, A., Nagy, J. B. Synthesis and characterization of themicroporous titanosilicates ETS-4 and ETS-10.Microporous Mesoporous Mater. 2002, 56, 227-239.2 Ju ntgen, H.; Knoblauch K.; Harder K. Carbon molecusieves: Production from Coal and application in Gas Separation.Fuel1981, 60, 817-822.3 郭凌云,李家栋,林晓等. ETS-4分子筛膜的制备. 南京工业大学学报,2009，1671-7627 (2009)03-0064-05.4 何丽新,赵临远,崔天顺等.辉沸石的离子交换性能及改型研究.化工时刊,2002, 24(12):30-33.5 辜敏,鲜学福,张代均等.变压吸附技术分离 CH4/N2气体混合物J.煤炭学报,2002, 27(2): 140-143.6 Jayaraman A, Andrew S C , Padin J, et al. Kinetic separation of methane/carbon dioxide by molecular sieve carbonsJ. Separation Science and Technology, 2002, 37: 2505-2528.7 Kuznicki, S. M.; Trush, K. A. Removal of heavy metals,especially lead, from aqueous systems containing competing ionsutilizing wide-pored molecular sieves of the ETS-10 type. U.S.Patent 4,994,191, 1991.8 Philippou, A.; Anderson, M. W. Structural investigation of ETS-4.Zeolites1996, 98-107.9101112131415161718192021附录1 英文原文附录2 中文翻译离子交换和脱水温度对ETS-4中的吸附和气体扩散的影响1.介绍。小孔的钛硅酸盐ETS-4的样品和他的锡交换的变种产品是安格公司的专利产品，而他已经成功地在我们实验室中合成了，并且他们的结晶结构的特点已经被XRD衍射仪确认过了。热重分析已经被应用去研究他们的热性能和热稳定性，晶体的形态也使用扫描电子显微镜来检测。合成好的晶体一般是通过加压成型而不使用任何的材料粘合剂。对于氧气、氮气和甲烷在钠型和锶型的ETS-4分子筛上进行吸附平衡测试实验是在恒容的容器中进行的。Na型ETS-4分子筛对这三种气体的吸附平衡是可以比较的，并且锶交换后的分子筛对气体的吸附平衡没有明显的影响。但是锶交换后的分子筛明显的提高了氮气的吸附速度并且减小了甲烷的吸附速度，从而大大提升了我们所希望的离子分离的速度。在不同的脱水温度下，锶交换的ETS-4分子筛的吸附量也会有不同的影响。可以观测到，提高吸附温度可逐渐地降低吸附量，并且也会吸附速度变慢。在吸附平衡中观测到的可能改变它的原因会详细的来讨论。1.1介绍。多微孔和纳米多孔的材料广泛的应用在化学工业的过程中。他们主要的应用是吸附分离作为催化剂，纳米主机和化学传感器。根据分离原理，吸附分离的过程可以分成两种类型，即平衡控制和速度控制。平衡控制的分离过程取决于混合物中某一成分平衡吸附剂的选择。分离速度是由于混合物中某部分它吸附速度的不同来影响的。在运动分离过程中，吸附分子的大小取决于气孔的尺寸。大多数我们所知道的商业的吸附过程都是平衡控制的，并且一般使用沸石类物质，由活泼的碳，胶态的二氧化硅，活泼的铝所构成。灵活的控制分离过程是要更进一步的，并且使得碳分子的过滤吸附有了一定的发展。氮生产一般是由空气通过加压搅拌吸附来得到的，而碳分子过滤一般都是引用工业上利用活泼性分离的过程来分离的。碳分子过滤和小孔沸石类物质被大家所熟知是用来分离混合气体，比如氧气氩气，甲烷氮气和甲烷二氧化碳。利用原子排列的方法排除的分离被认为是极度限制了动态选择。空间排斥要求几乎相同的小孔尺寸，也可能是支队沸石类物质的分子筛。举一个例子就是在平均为5A的沸石类分子筛中由他们的同分异构体的某一分支来分离出来。碳分子筛吸附剂的孔径分布范围是3到5A，平均约为4A。在实验过程中，通过操作在火化步骤中的孔径分布可以适度增加动能选择性。使用离子交换的方法在沸石类物质中调整小孔的孔径是已经被确认的一种技术方法。此种方式已经也使用化学气相沉积法应运来定制沸石类分子筛的空隙中。然而，这些理论的方式使用在孔径在1A范围内的孔径的变化中，这并不是有像我们所满意的有足够范围的高动能选择性分离小分子的混合物所需要的孔径范围。为分离和催化寻找新材料时已经发现统一小孔的钛硅分子筛，在常见的分子筛中的铝硅酸盐结构的晶体中获得钛替换铝的晶体。Chapman和Roe报导的在钛硅酸盐最早研究和在这个新的分子家族最有前途的例子是ETS-4，ETS-10，ETS-14，所有这些都已经开发，并且都是安格公司的专利。ETS表示安格硅酸盐(aNa2O/bTiO2/ySiO2/zH2O)。ETS-10和ETS-14一些潜在的用途有精华废水中的金属粒子，挥发性的有机物质干燥潮湿的空气和温和氧化并且拥有了更多基底的选择性。小孔的ETS-4的结构式非常有趣的，他与矿物的沸石类物质结构有联系，但并不是他的合成物的对应物质。然而Na型的ETS-4具有低的热稳定性，但已经提出使用二价的离子例如锶离子，钡离子，钙离子，镁离子等来交换钠离子后，他的热稳定性就会提高。除此之外，离子交换后的结构在沸石类分子筛中可收缩其孔径，比起精细调整要更有优势。这种收缩的结果就渐渐导致了脱水温度的上升。此属性的实际效果就是使得ETS-4离子交换的孔径调整到了0.1A以内。因此，ETS-4有可能进一步改善前面提到的分离动力学的选择性，它带来了新的机会和令人兴奋的新的应用。这种制备结晶分子筛的方法信息的重要来源就是安格公司授予的那项专利。在该项专利中，Kuznicki报导了利用作为钛源的TiCl3和碱金属氢氧化物如氢氧化钠或硅酸盐溶液或者氧化钠溶液来合成ETS-4的方法。其他氢氧化物例如钾也可用来制备。报导中小孔孔径范围是3到4A，硅钛的比例为0.1到1.反应混合物的PH应为碱性，因为即使在温和的酸性介质中反应后也会使产物不纯。报告中也讨论了其他ETS-4合成条件对它纯度和物理性质的影响。Pavel和co-workers的报告中提出，对于ETS-4的晶体产物，严格控制反应条件更重要更突出的问题，例如，PH的控制和氧化钠与氧化钛在最初是应为胶态，注意这些问题才能得到我们理想的产物。获得纯的ETS-10还是ETS-4，或者是二者的混合物，取决于钠钛的比例。最佳的钠钛比例是3，此时会获得纯的ETS-4，而最适宜的PH值应介于12到12.8之间。如果PH低于这个值，那么就会出现ETS-10。如果氧化钠的含量较低，则ETS-4到ETS-10的过渡是渐进的，并且有一个区域是二者的共存区域。碱性程度越高ETS-4更利于合成。ETS-4的大小是随时间单调增加的，而晶体长大的速度是有一个最大值的。合成沸石类的类似物发现，当硅钛比例降低，也就是说钛含量增加，成核和晶体生长的速率增加。在硅钛比例小于2时，结晶度较低，并且会产生杂质，而在硅钛比例大于14.28时，ETS-4的制备过程会出现未经明确的阶段。随着硅钛比例的增加，产物的产量明显下降。然而，硅钛比例高时，大晶粒就更易获得。Kim和他的同事研究了温度对ETS-4结晶的影响，通过对三个温度下进行24小时的反应，绘制了它的温度曲线是呈现S形的，并且能明显看出它的成核和晶体生长阶段。他们的研究结果表明Na充当结构定向剂对ETS-4形成的影响。换句话说，高的碱性导致了致密相。合成高结晶的ETS-4产品使用氯化钛作为钛源。他们提到添加KF可缓和胶态的前聚合和提高钛硅酸盐的溶解度。使用KCL替换KF降低了产品的产量，而使用KOH替换NaOH就会合成非晶态的物质。因此大家更倾向于使用Na型分子筛，因为K型分子筛会阻碍他们的合成。Naderi和Anderson研究ETS-4的热稳定性和它转变成短柱石的过程。他们形象的表示ETS-4的结构为包含被TiSi4O11支架结构分离的钛链的片层结构。煅烧温度在200以上会导致局部结构稳定性的减少，然而超过500则会完全地减少其结构的稳定性，可由XRD检测出它完全变为非晶态时的结构。Mintova等人研究了锂钙和钾代替钠的初始胶态，其结论是所有这些阳离子对反应动力学和晶体的形态有很强的影响。Mihailova等人研究了ETS-4和ETS-10的震动光谱。他们使用拉曼和红外吸收光谱，X射线衍射来测定ETS-4的几何结构。他们所描述的结构包括两种原子类型：硅氧，其原子排列为四面体的八元环带和钛氧，其原子排列为八面体链的金字塔形状。上述的研究大多数集中在起始原料和合成条件对反应动力学结晶过程的影响。在其他的一些报告中，合成材料的X-射线衍射图也进行了很多研究。前几段提到的专利中，Tsapatsis的一份最近的文章和Mitariten最近的文章中都高度关注了ETS-4的潜在应用和它离子交换后对许多分离过程的应用。Mitariten的报告中还指出已成功应用PSA的方法使用细孔的钛硅酸盐分子筛从甲烷中分离出了氮气。然而，现在的资料对平衡和气体吸附的报告的惊人的少的。仅仅只有氧气，氮气，甲烷和乙烷的等温线被Kuznicki等人报导出来。这是因为很少有人去对ETS-4的平衡和动力学吸附研究，或研究使用钠来交换或者其他离子交换的变体。这些基本的调查主要就是理解每个分离过程的背后机制。它还应该提到，ETS吸附剂既不会在市场上买到也不能用于学术研究。要研究它的实验室要先合成钠型的ETS-4，然后通过离子交换再系统研究它一元和二元的吸附和在其在吸附剂中气体的扩散。在本文中我们研究了，Na-ETS-4的合成和锶交换NaETS-4的过程，以及在合成的吸附剂中纯组分的平衡和氧气，氮气，甲烷的动力学问题。在锶型ETS-4中研究了脱水温度对平衡和Sr-ETS-4中气体吸附量中的影响。这些结果让大家明白了锶型ETS-4对甲烷氮气分离的机制，并且还为平衡和动力学模型的计算开发了一个合适的数据库。2.实验部分。 A.ETS-4的合成。在这项研究中，ETS-4的合成是使用氯化钛（30%的HCL溶液，AcrosOrganics, Morris Plains, NJ）作为钛源和钠硅酸盐（28.6% 的SiO2, 8.82% 的Na2O,62.58% 的H2O, 莫克公司）作为硅源合成的。在用去离子水配制的钠硅酸盐溶液中加入小块的NaOH并且搅拌。然后，将氯化钛溶液逐滴的加入，然后将黑色胶态物质剧烈搅拌30分钟。紧跟着，有两个结晶水的KF加入到黑色胶态物质中，将混合物搅拌一个小时直到获得均匀的胶态物质。硅和钛的比例是5.7:1。这个反应在有不锈钢衬里高压釜管式炉中进行。在150的条件下分别反应7、14、21天。该产品是一种上层清液为11.4的白色膏状物质。将它用去离子水清洗几次并在干燥真空烘箱中于100温度下干燥24小时。锶离子交换。为了验证和探讨较高的热稳定性的 ETS-4的离子交换变体的优点，本NaETS-4以如下方式与Sr交换。10g的钠型ETS-4与0.5摩/毫升的氯化锶300毫升混合后置于80下搅拌一个小时。然后将溶液静置，将清液从顶部轻轻倒出。为保证交换的程度，将这些步骤重复做五次。使用EDX分析来确认钠被锶离子交换度是大于97%的。将离子交换后的产品置于100下干燥一夜，然后分别在190,270,和310摄氏度下焙烧。B.特性描述。将钠型和锶型的ETS-4样本的颗粒形态分别进行研究和使用扫描电子显微镜（JEOL烧苗电子显微镜，型号5600LV）观测。产品的结晶相的识别通过在5-502使用CuKX-射线衍射进行。热重（热重分析仪）分析从室温到600进行。傅里叶红外线（Bio-Rad FTS 3500，AXR红外光谱分析大型机）分析要优于热重仪的分析。C.吸附研究。在钠型ETS-4中氧氮甲烷吸附平衡和摄取测量在175下研究，而在锶型则分别要在190,270和310下研究。锶型ETS-4样本在以后分别要表示为Sr190,Sr270和Sr310。测量要在温度263.15,273.15,283.15和303.15 K下进行。样品制备。使用油压机在负荷为6吨下干燥十分钟的ETS-4样品被造粒的颗粒直径为13毫米。锶型的ETS-4制备也是这样的步骤。该粒料被切成更小的片，平均尺寸为3.55 mm3.05 mm2.87 mm，来进行吸附和其他的一些研究。为了更加有效的再生样品，下面的步骤也是要被采用的。将干燥后的吸附剂样品原位加热到所需的设定温度：175 下的Na-ETS-4和190，270，和310下的Sr-ETS-4，所使用的便携式炉配有一个准确的温度控制器。在加热期间，使用便携式真空泵抽真空两个小时。特别注意使用氦冲洗系统十分钟