從簡(jiǎn)單的基本結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行研究。通常來(lái)講,沸石分子篩都是一個(gè)個(gè)四面體通過(guò)共用頂點(diǎn)來(lái)堆積得到的,所以一個(gè)四面體就是一個(gè)初級(jí)的結(jié)構(gòu)單元(TO4四面體)。例如:對(duì)于silicalite-1沸石分子篩來(lái)講,它的初級(jí)結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體([Si O4]0),并且這個(gè)四面體結(jié)構(gòu)單元呈現(xiàn)電中性,這些硅氧四面體通過(guò)共用氧原子的連接,形成了具有MFI結(jié)構(gòu)的沸石分子篩。在合成中模板劑和吸附水是存在于它的孔道中的。當(dāng)然,當(dāng)在合成體系中有鋁存在的條件下,則有兩種四面體:硅氧四面體([Si O4]0)和鋁氧四面體([Al O4]-),并且鋁氧四面體是存在一個(gè)負(fù)電荷的,通過(guò)組裝合成了硅鋁的具有MFI結(jié)構(gòu)的分子篩,由于這種結(jié)構(gòu)本身帶有一定的負(fù)電荷,因此必然要通過(guò)額外的陽(yáng)離子來(lái)平衡,使其整體終呈現(xiàn)電中性。而磷鋁分子篩則是磷氧四面體([PO4]+)和鋁氧四面體([Al O4]-)嚴(yán)格交替構(gòu)成,骨架呈電中性。當(dāng)然,在初級(jí)結(jié)構(gòu)單元與初級(jí)結(jié)構(gòu)單元的連接中,要遵守Lowenstein規(guī)則:在硅鋁骨架結(jié)構(gòu)中,鋁與鋁不能相鄰;在磷酸鹽骨架結(jié)構(gòu)中,如SAPO-34,鋁是不能和二價(jià)或者三價(jià)金屬原子相鄰、以及磷不能與硅或磷相連的。
從原料的均勻混合到升溫晶化前的靜止過(guò)程,這一個(gè)階段被叫做陳化。在陳化過(guò)程中,凝膠的組成、結(jié)構(gòu)都是會(huì)發(fā)生變化的,陳化過(guò)程有時(shí)甚至是緩慢的成核過(guò)程,導(dǎo)致分子篩生長(zhǎng)周期的縮短。為典型的例子是在合成FAU分子篩時(shí)使用的Y導(dǎo)向劑就需要所有反應(yīng)物混合均勻后室溫陳化,這是因?yàn)閷?dǎo)向劑經(jīng)過(guò)陳化產(chǎn)生了微小的沸石晶核,并且含有大量的六元環(huán)。
對(duì)于合成沸石分子篩,溫度是一個(gè)很重要的因素。溫度變化會(huì)影響水在反應(yīng)釜中的壓力的變化、硅鋁酸鹽的聚合狀態(tài)和聚合反應(yīng)、凝膠的生成和溶解與轉(zhuǎn)變、分子篩的成核與生長(zhǎng)以及介穩(wěn)相間的轉(zhuǎn)晶。相同的體系在不同的溫度下可能會(huì)得到完全不一樣的物相,溫度越高得到的沸石的尺寸和孔體積越小,晶體骨架密度相應(yīng)增大。一般而言在150 °C以下,初級(jí)結(jié)構(gòu)往往是四元環(huán)或六元環(huán),而當(dāng)溫度150 °C,則往往是五元環(huán)的初級(jí)結(jié)構(gòu)單元。由此可見(jiàn),在高溫水熱條件下,無(wú)機(jī)物(主要是硅鋁酸鹽物種)的造孔規(guī)律和晶化溫度與水蒸汽壓之間存在著密切的聯(lián)系。
晶化時(shí)間往往也是分子篩合成的一個(gè)重要因素。晶化時(shí)間不夠常常會(huì)有大量的原料未轉(zhuǎn)化,時(shí)間過(guò)長(zhǎng),往往會(huì)發(fā)生晶體轉(zhuǎn)晶的現(xiàn)象,一般由比較空曠的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為比較致密的結(jié)構(gòu)。晶化時(shí)間與晶化溫度往往是相輔相成的,降低溫度,就要增加晶化時(shí)間;升高溫度,有時(shí)就要縮短晶化時(shí)間。