MER型沸石的结构、合成及应用进展

MER型沸石是一种稀有的三维八元环小孔沸石,因其特殊的孔道结构和良好的物化性质,在海水卤水提钾、工业催化、气体吸附分离以及工业脱水等领域展现出了潜在的应用前景。对MER型沸石的结构、合成和应用的研究现状进行了较为全面的综述,并对其研究方向进行了展望,为进一步研究MER型沸石并对其进行推广应用提供了参考。

MER型沸石吸附分离CO2/CH4的分子模拟

MER型沸石在吸附分离CO2/CH4方面展现出良好的工业应用前景,受到广泛关注,但还缺乏理论基础数据。本文采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,以全硅MER型沸石作为对照,模拟分析了CO2/CH4在Na^+、K^+、Cs^+和Ca^2+交换的MER型沸石中的吸附分离行为。结果表明:不同阳离子交换的MER型沸石对CO2和CH4的吸附符合Langmuir-Freundlich吸附等温线模型,平衡吸附量的大小顺序为:Ca-MER>Na-MER>K-MER>CsMER,与沸石的自由体积和比表面积大小顺序一致,且近似成线性关系,选用高价阳离子MER型沸石可以提高吸附量;CO2和CH4主要分布在沸石的pau笼中,在d8R笼和ste笼中也有少量分布;骨架外阳离子与CO2的强吸附作用和独特的八元环窗口孔径是MER型沸石对CO2/CH4混合组分表现出超高吸附选择性的原因,吸附选择性高达1000以上。综合吸附量、吸附热和吸附选择性分析指出,Na-MER和K-MER型沸石是优良的CO2吸附剂。本研究为MER型沸石吸附分离CO2/CH4提供了理论依据和实验指导。

CO_(2)/CH_(4)/N_(2)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~10^(4)GPU(1 GPU=3.35×10^(−10)mol/(s·m^(2)·Pa))。

受限于MER型沸石中水的分子动力学模拟

针对受限于MER型沸石中水的结构性质和扩散性质进行分子动力学模拟,为MER型沸石的制备及离子交换提供了理论依据。结果表明:H_(2)O在不同阳离子的MER型沸石中具有不同的结构性质。K^+与H_(2)O形成的水合阳离子在MER型沸石合成中起到了模板剂的作用。随着温度的升高,MER型沸石中H_(2)O的有序度下降,沸石骨架外阳离子的水合能力下降;H_(2)O在MER型沸石中的非键势能逐渐增大,H_(2)O的扩散系数均相应增大。H_(2)O在不同阳离子的MER型沸石中的扩散活化能大小顺序为:K-MER型沸石>Na-MER型沸石>NH_4-MER型沸石。MER型沸石骨架及骨架外的阳离子对H_(2)O的扩散性质有较大的影响。

水热条件下Y型沸石的转晶行为

系统研究了以KOH为结构导向剂,Y型沸石(HY和NaY)在水热条件下转晶为MER型沸石的行为.MER型沸石是硅铝比(Si/Al)在2~3之间且具有四种尺寸8元环孔道(3.1?×3.5?,2.7?×3.6?,3.4?×5.1?,3.3?×3.3?)的硅铝沸石分子筛,在小分子催化以及分离方面具有重要的潜在应用.传统水热法合成高结晶度MER型沸石需要7~10 d,将Y型沸石置于KOH的溶液中,经水热处理可在2 d内生成高结晶度的MER型沸石,而水热处理具有等价摩尔组成的无定形硅铝凝胶则得不到高结晶度MER型沸石的纯相.HY沸石可在100和150℃发生转晶,而Na Y则只能在150℃发生转晶.KOH/SiO_2比和H_2O/SiO_2比对Y型沸石的转晶行为有重大的影响,只有在最优KOH/SiO_2比和H_2O/SiO_2比条件下才能生成高结晶度的MER型沸石.该转晶合成法显著缩短了MER型沸石的合成周期,对缩短其它有重大工业应用价值的沸石分子筛的合成周期有重要的借鉴意义.