Кристаллы цеолита

Некоторые общие условия синтеза

Синтезы порошкообразных цеолитов различных типов при кристаллизации алюмокремниевых гидрогелей

Обычно синтез цеолитов проводится в следующих условиях:

– реакционно-способные исходные соединения типа свежеосажденных гелей или аморфных твердых тел;

– относительно высокие рН в результате использования гидроокисей щелочных металлов или других сильных оснований;

– низкотемпературные гидротермальные условия с сопутствующим низким автоклавным давлением, создаваемым насыщенными парами воды;

– высокая степень пересыщения по компонентам геля, ведущая к образованию зародышей большого числа кристаллов.

Используемый гель представляет гидратированный алюмосиликат металла, полученный либо из водных растворов, реакционно-способных твердых тел или коллоидных золей, либо из реакционно-способных алюмосиликатов типа остаточных структур метакаолина (получены из каолина путем дегидроксилирования) или стекол. Получение и свойства аморфных силикатных гелей типа силикагелей были предметом многочисленных исследований в течение ряда лет. Силикагель определяют как «коллоидную систему твердого типа, в которой коллоидные частицы в какой-то степени образуют когерентную структуру, причем эта структура пронизана системой, состоящей из кинетических единиц, меньших, чем коллоидные частицы (обычно жидкостью).

Гели кристаллизуются в закрытых гидротермальных системах, обычно при температурах от комнатной до 175 °С. В некоторых случаях используются и более высокие температуры, до 300 °С. Давление обычно соответствует давлению насыщенных паров воды при данной температуре. Длительность кристаллизации изменяется от нескольких часов до нескольких дней. Полученные алюмосиликатные гели сильно различаются по внешнему виду: это могут быть плотные полупрозрачные вещества, непрозрачные желатинообразные осадки и гетерогенные смеси аморфных твердых тел, диспергированных в водном растворе. Щелочные металлы образуют растворимые гидроокиси, алюминаты и силикаты и поэтому весьма удобны при приготовлении гомогенных смесей.

Получение геля и кристаллизацию в системе Na₂O – Al₂O₃ – SiO₂ – Н₂O можно представить схематически следующим образом:

NaOH (aq) + NaAl(OH)₄ (aq) + Na₂SiO₃(aq)

v Т₁ = 25 °С

[Na_a(AlO₂)_b (SiO₂)_c· NaOH·H₂О] (гель)

v Т₂ = 25–175 °С

Na_x [(AlO₂)_b (SiO₂)_у] mH₂O + раствор

Легкость, с которой кристаллизуются цеолиты, объясняется высокой реакционной способностью геля, соответствующей концентрацией щелочи и высокой поверхностной активностью, обусловленной небольшими размерами частиц рассматриваемых твердых фаз. Гель, вероятно, образуется вследствие сополимеризации индивидуальных силикатов и алюминатов по механизму конденсационной полимеризации. Состав геля и его структура, по-видимому, определяются размером и структурой полимеризующихся частиц.