【最新】分子筛实验报告

分子筛的合成、表征及性能研究姓 名 好班 级： 好学 号： 好2014 年 12 月 31 日1、实验目的1.了解分子筛的主要特点和用途；2.了解水热法的主要特点和一些基本实验操作；3.掌握 X 射线衍射表征方法的原理及实验操作；4.掌握氮气吸附法测多孔材料孔结构参数的原理及操作；5.掌握沸石分子筛化学组成的测定方法；6.通过比较、分析不同类型分子筛在离子交换、吸附性能上的差异。2、实验设计思路3、实验原理分子筛材料，广义上指结构中有规整而均匀的孔道，孔径为分子大小的数量级，它只允许直径比孔径小的分子进入，因此能将混合物中的分子按大小加以筛分；狭义上分子筛是结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成。 分子筛按骨架元素组成可分为硅铝类分子筛、磷铝类分子筛和骨架杂原子分子筛。按孔道大小划分，小于 2 nm 称为微孔分子筛，250 nm 称为介孔分子筛，大于 50 nm 称为大孔分子筛。按照分子筛中硅铝比的不同，可以分为 A 型(1.52.0)，X 型(2.13.0)，Y 型(3.16.0)，丝光沸石(911)，高硅型沸石(如 ZSM5)等，其通式为：MO.Al2O3.xSiO2.yH2O，其中 M 代表 K、Na、Ca 等。商品分子筛常用前缀数码将晶体结构不同的分子筛加以分类,如 3A 型、4A 型、5A 型分子筛等。4A 型即孔径约为 4A；含 Na+的 A型分子筛记作 Na-A,若其中 Na+被 K+置换,孔径约为 3A，即为 3A 型分子筛；如 Na-A 中有1/3 以上的 Na+被 Ca2+置换,孔径约为 5A，即为 5A 型分子筛。X 型分子筛称为 13X（又称Na-X 型）分子筛；用 Ca2+交换 13X 分子筛中的 Na+，形成孔径为 9A 的分子筛晶体，称为10X（又称 Ca-X 型）分子筛。 A 型分子筛结构，类似于 NaCl 的立方晶系结构，如将 NaCl 晶格中的 Na+和 Cl-全部换成 笼，并将相邻的 笼用 笼联结起来，就会得到 A 型分子筛的晶体结构；X 型和Y 型分子筛结构类似于金刚石的密堆立方晶系结构，如以 笼这种结构单元取代金刚石的碳原子结点，且用六方柱笼将相邻的两个 笼联结，就得到了 X 和 Y 型分子筛结构；丝光合成 材料 组成、结构性能硅铝比结构导向剂介孔分子筛A型沸石分子筛 X 型Y型氧化硅介孔Mm/2O·Al2O3·nSiO2·xH2O 微孔大分子吸附小分子吸附离子交换沸石型分子筛结构，没有笼，是层状结构，结构中含有大量的五元环，且成对地连在一起，每对五元环通过氧桥再与另一对联结，联结处形成四元环，这种结构单元的进一步联结，就形成了层状结构；高硅沸石 ZSM 型分子筛结构，与丝光沸石结构相似，由成对的五元环组成，无笼状腔，只有通道，如 ZSM-5 有两组交叉的通道，一种为直通的，另一种为“之”字形相互垂直，通道呈椭圆形。 目前，分子筛材料在分离、吸附、离子交换和催化等领域具有广泛应用，各种分子筛也因其结构和性能的不同，被应用到不同的方面。例如沸石分子筛，由于它的高选择性、强酸性等表面活性和规整的孔结构特点，可作为很好的催化材料，因而被广泛应用作炼油工业和石油化工中的催化剂；另外由于它强的吸附能力和离子交换性能，而被广泛应用于污水处理、土壤改良、金属离子的富集与提取等方面。介孔分子筛作为一种新型纳米结构材料，不但具有狭窄的孔径分布、巨大的比表面积，而且它突破了沸石分子筛对反应物分子尺寸在 1nm 以下的限制，虽然其缺乏离子交换性能，但是在大分子参与的吸附、分离和催化等领域具有重要的应用环境。最近几年来，随着人们对环保意识的逐渐增强， 采用绿色合成和负载合成方法已成为分子筛合成的重要方向。特别是新型分子筛的合成和应用， 相信在未来的几十年内， 沸石分子筛以及介孔分子筛在工业生产和生活中具有更加广阔的应用前景。因此研究各类分子筛的结构和性能具有深远的意义。本次实验主要研究 Na-A、Na-X 型分子筛以及介孔分子筛的组成、孔结构、离子交换性能和吸附性能。3、仪器与试剂1.仪器： 水浴锅、水热釜、烘箱、马弗炉、X 射线衍射仪、氮气吸附仪、坩埚、分析天平、分光光度计、干燥器、容量瓶、磁力搅拌器、搅拌子、滴定管。2.试剂：氢氧化钠、氢氧化钾、偏铝酸钠、硫酸铝、硅酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、正硅酸乙酯、去离子水、亚甲基蓝、硝酸铜。4、实验部分1.分子筛合成(1) Na-A 型沸石分子筛将 3.8gNaOH 和 3.0gNaAlO2置于 250mL 烧杯中，加入 45mL 去离子水，在 60下加热溶解，得到 A 溶液。称取 7.05gNa2SiO3.9H2O 于 250mL 烧杯中，加入 41mL 去离子水，在 60下加热溶解，得到 B 溶液。将得到的 B 溶液在 60下搅拌加热，分五次将 A 溶液加入，搅拌至形成胶状稀溶液。然后转移至水热釜中，放置在 100的烘箱中晶化 5 小时，取出后水冷至室温，倾去上层清液，抽滤、水洗至中性，转移至表面皿中，在 100的烘箱中干燥过夜。(2)Na-X 型沸石分子筛在三角烧瓶中，将 11.52g Na2SiO3·9 H2O、5.6099g NaAlO 2、7.76g NaOH 和 5.47g KOH 溶解于 46mL 去离子水中。在温度 70磁力搅拌 3 小时，然后停止搅拌，将水浴温度调节至 95，在此温度下静置 2 小时后停止加热。待烧瓶冷却至室温后抽滤、洗涤至产物为中性，转移至表面皿中，置于 100的烘箱中干燥过夜。(3)介孔分子筛 MCM-41以 CTAB 表面活性剂为模板剂，以 TEOS 为硅源。在强力搅拌下，先称取 CTAB 2.43g、NaOH 0.48g 溶解于 60mL 去离子水中，然后慢慢滴加 11.81g TEOS，继续搅拌 2 小时后，配制成凝胶，装入反应釜中，于 110烘箱中晶化处理 48 小时。取出水冷至室温，抽滤、水洗至中性，转移至表面皿中，在 100的烘箱中干燥过夜。最后，于空气中，550下煅烧 6 小时，除去表面活性剂 CTAB，即得 MCM-41 介孔分子筛。2.物相分析将获得的 Na-A、Na-X 型分子筛产物进行 X 射线衍射分析，得到产物的 X 射线衍射谱图。将测得的图谱与各种相应分子筛的 X 射线衍射标准谱图对比，以确定晶化产物是否为相应分子筛及其纯度。3.孔结构分析分子筛的孔结构分析采用氮气低温物理吸附法。分别称取 Na-A 型、Na-X 型、介孔分子筛的质量为 0.1460g、0.1581g、0.1399g。4.沸石分子筛组成分析(1)水含量测定将两个干净并灼烧过的坩埚分别称重，在其中分别加入烘干的 Na-A 型分子筛1.0020g，Na-X 型分子筛 1.0037g，再分别称重后标号，然后放入马弗炉中，500灼烧。待温度降至 200后，用干净、预热的坩埚钳将坩埚移入干燥器中，冷至室温、称重。(2)氧化铝含量测定准确称取 Na-A、Na-X 型分子筛试样分别 0.1644g、0.1369g 置于两个干净的 100mL 的烧杯中加水少许，将试样润湿，分别加入 6mol/L HCl 15mL，在水浴中加热近干。冷却后，加水溶解并过滤，沉淀用水洗涤 4 次，滤液和洗涤液一并分别收集于两个 250mL 容量瓶中，并稀释至刻度，摇匀备用。 准确称取 0.8075gZnO 基准物质于一干净的小烧杯中，取少量水润湿后，滴加 6mol/L的 HCl 使其刚好完全溶解为止，定容到 250mL 的容量瓶中，得到 ZnCl2标准溶液，摇匀后备用。粗配 0.01mol/L 的 EDTA 溶液 400ml 于试剂瓶中，用移液管吸取 EDTA 溶液 25.00mL 置于锥形瓶中，滴加 2 滴酚酞指示剂，以 3mol/L 氨水调节溶液呈红色，再以 2mol/LHCl 调节红色刚退，加入现配置好的 HAc-NaAc（1:1）缓冲溶液 20mL，然后滴加 2 滴二甲酚橙指示剂，用上述 ZnCl2标准溶液标定 EDTA 溶液，至溶液由亮黄色变成橙红色，平行滴定两次。用移液管吸取上述试样溶液 25.00mL 置于锥形瓶中，然后用另一移液管吸取 EDTA 标准溶液25.00mL 也置于此锥形瓶中，滴加 2 滴酚酞指示剂，以 3mol/L 氨水调节溶液呈红色，再以2mol/LHCl 调节红色刚褪，加入现配置好的 HAc-NaAc（1:1）缓冲溶液 20mL，煮沸 5 分钟，冷却后滴加 2 滴二甲酚橙指示剂，用上述 ZnCl2标准溶液回滴，至溶液由亮黄色变成橙红色。记录实验数据，根据 EDTA、ZnCl 2的浓度和所用的体积，分别计算样品 Na-A、Na-X 型分子筛中 Al2O3的百分含量。5.铜离子交换性能测试分别称取 Na-A 型、Na-X 型、MCM-41 型分子筛 0.1997g、0.2006g、0.1986g 于三个干净的烧杯中，然后分别移取 50.00ml 现配的 Cu（NO 3） 2溶液于上述三个烧杯中，室温浸泡24 小时，观察粉体的颜色变化。 粗配 0.1mol/L 的 Na2S2O3溶液 500mL，备用。 准确称取一定量的 KIO3于一锥形瓶中，加入 5mL6mol/L 的盐酸，加入过量的 KI 固体，此时溶液呈深棕色，用上述 Na2S2O3溶液滴定至淡黄色，滴加 2 滴淀粉指示剂，溶液变为深蓝色，再继续滴加 Na2S2O3溶液至蓝色消失，平行滴定三次，记录数据，计算得到 Na2S2O3溶液的浓度。 移取上述现配的 Cu（NO 3） 2溶液 25.00mL 于锥形瓶中，加入过量的 KI 固体，立即产生大量的白色沉淀，此时溶液呈深棕色，用上述 Na2S2O3溶液滴定至淡黄色，滴加滴淀粉指示剂，至溶液变为深蓝色，再继续滴加 Na2S2O3溶液至蓝色消失，平行滴定两次，记录数据，计算得到现配的 Cu（NO3）2 溶液的浓度。 移取上述上层浸泡澄清液 25.00mL 于锥形瓶中，加入过量的 KI 固体，立即产生大量的白色沉淀，此时溶液呈深棕色，用上述 Na2S2O3溶液滴定至淡黄色，滴加滴淀粉指示剂，至溶液变为深蓝色，再继续滴加 Na2S2O3溶液至蓝色消失，记录数据，计算得到浸泡分子筛后Cu（NO 3） 2溶液的浓度。6.小分子吸附性能测试精确称取 500活化的分子筛（称量纸+分子筛重量为 W0）。在空气中暴露过夜后，再次称重（称量纸+分子筛重量为 W1），计算分子筛的吸水量，并做比较。7.大分子吸附性能测试(1)亚甲基蓝工作曲线绘制分别移取 100mg·L-1亚甲基蓝标准溶液 0.5、1.5、2.5、3.5、4.5mL 至 5 个 50mL 容量瓶中，均用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。用 1cm 比色皿，以蒸馏水为参比液，在 max 下从低到高测量各个溶液的吸光度。以亚甲基蓝浓度为横坐标，吸光度 A 为纵坐标，绘制工作曲线。 (2)亚甲基蓝吸附性能测试分别移取 20.00mL 亚甲基蓝标准溶液于三个 100mL 的容量瓶中，用蒸馏水定容。转移至三个干净的烧杯中，然后分别称取 Na-A、Na-X、MCM-41 分子筛0.1006g、0.1013g、0.1000g 于上述三个烧杯中，标号，室温浸泡 24 小时，观察粉体颜色的变化，搅拌 30 分钟后静置，取上澄清液，在 max 下测定吸光度（其中 Na-A 和 Na-X 浸泡后上层澄清液稀释 2 倍）。根据标准曲线，计算三种分子筛的吸附量，并进行比较。五、结果与讨论1.物相分析（1）样品 Na-A 型分子筛 XRD 谱图与 Na-A 型分子筛标准谱图对照图如下：（上图为样品XRD 谱图，下图为 Na-A 型分子筛的标准 XRD 谱图对应峰的 line-graph） 从上图可以看出 Na-A 型分子筛标准谱图 7016 0 有四个强度依次减小的峰，20 036 0有五个明显的特征峰，这九个峰是 Na-A 型分子筛的特征峰，样品的