钛硅分子筛的研究毕业论文文档格式.docx
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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。
1.3ETS-4分子筛的简介及发展（包括离子交换方面）
1.3.1ETS-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（0.3~0.4nm）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。
1.3.2ETS-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=3.3～4.4）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。
1.3.3ETS-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-+B＝B+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0.1～0.2mol/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。
1.5.2N2和甲烷的分离
ETS（EngelhardTitanoSilicate）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
1
2
3
4
5
SrCl2质量分数（%）
15
20
25
30
pH
7.5
8
9
10
11
交换温度（℃）
65
70
75
80
85
交换时间（min）
60
90
120
150
2.2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-4
Sr-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
XRD
XRF
2.4表征仪器与测试方法
2.4.1分子筛的晶相表征XRD
XRD即X-raydiffraction，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20～0.06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：
2dsinθ=nλ应用已知波长的X射线来测量θ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θ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：
CuKα
管流：
16mA
步长：
0.02°
管压：
36kv
扫描速度：
8°
/min
2.4.2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=aC。
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
3.1.1SrCl2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
交换度（%）
52.44
59.44
74.43
77.34
79.72
图1-1-1SrCl2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1-1-2Na-ETS-4和Sr-ETS-4的XRD图
图1-1-3Na-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2θ=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2θ=7.5°
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2θ=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2θ=24.7°
，29.1°
处的峰发生了偏移，2θ=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。
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
68.53
72.73
70.63
71.32
66.43
图1-2-1pH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1-2-2Na-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
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