碱基地质聚合物原位转化沸石分子筛的机理与应用研究

At present, it is very slow that the study of reaction mechanism and structure of alkali-based geopolymers. It has been described that geopolymers may be viewed as the amorphous analogue of zeolites due to the low degree of crystallinity. Previous studies by our research group indicate that Na2SiO3 solutions based geopolymers possess some nano-size ordering structure (nanocrystalline), and these geopolymers can be converted into corresponding zeolites after hydrothermal procedure. Geopolymers with different Si/Al/Na/H2O molar ratios will be synthesized by designing the composition of raw materials. The phase structure of geopolymers and their hydrothermal products will be investigated by HRTEM, EELS, XRD and MAS NMR techniques. It will be obtained that the retationship between the phase structure of geopolymers and their hydrothermal products and the composition of geopolymers. It will be explored that the role and seinsart of sodium ion in the dissolution and polymerization reactions. It will be determined that the mechanism of zeolites in-situ transformation from geopolymers. On the basis of the systematic study of porous geopolymers, relevant geopolymeric inorganic membrane materials will be designed and fabricated. These geopolymeric inorganic membrane will be in-situ converted into the selfsupporting zeolite membranes, which will be used for dehydration of organic mixedphase containing water. The separating properties and dehydration theories of these zeolite membranes will be investigated. Finally, a set of membrane separation dehydration equipment will be determined.

目前，关于碱基地质聚合物反应机理及终产物相结构的研究进展缓慢，由于地质聚合物材料终产物的结晶程度低，只能描述其为类沸石的结构形态。本课题组通过前期研究，发现钠水玻璃聚合地质聚合物中存在纳米尺度的有序结构（也叫纳晶结构），通过进一步的水热反应，可以得到相应组成的沸石分子筛晶体结构。本课题拟通过材料设计的方法制备不同Si/Al/Na/H2O比的地质聚合物，利用HRTEM、EELS、XRD、固体核磁共振等对地质聚合物材料的相结构进行研究，获取水热前后地质聚合物的组成与结构的变化规律，探寻碱聚合反应体系中钠离子在溶解-缩聚反应中的作用及存在方式，并获得地质聚合物原位转化沸石分子筛的机理；在系统研究碱基地质聚合物多孔材料的基础上，设计制备出相应组成的地质聚合物无机膜材料，通过水热法原位转化制备出自支撑沸石分子筛膜用于含水有机相的脱水，并对其膜分离性能和脱水原理进行系统研究，最终组建一套膜分离脱水装置

在地质聚合物研究中，研究人员很早就发现了地质聚合反应终产物中存在类沸石结构。由于不同地质聚合物中，硅铝比以及碱组分含量并不固定，因此很难确定地聚物中沸石的具体结构。本课题组通过前期研究，发现碱聚合地质聚合物中存在纳米尺度的有序结构（也叫纳晶结构）,确认了地质聚合物与沸石分子筛之间的物质和结构遗传特性。. 本项目的主要研究内容如下：通过材料设计的方法，制备不同前驱体材料、不同Si/Al/Na/H2O摩尔比的地质聚合物，利用HRTEM、XRD、固体核磁共振等对地质聚合物材料的相结构进行研究，获得了水热前后地质聚合物的组成与结构的变化规律，通过研究碱聚合反应体系中钠离子在溶解-缩聚反应中的作用及存在方式，获得了地质聚合物原位转化沸石分子筛的机理。. 研究获得的重要结果如下：.（1）利用化学法合成无定形结构的高纯、高活性SiO2-Al2O3粉体，并利用合成的地质聚合物原位制备了NaA沸石、方沸石、自支撑NaA沸石膜等；.（2）利用偏高岭土和工业级水玻璃为原料制备了一系列Na2O-XSiO2-Al2O3地质聚合物材料 (X=2.4～4)，并经过一定的原位水热处理，使其转化为沸石分子筛。根据不同配比和工艺设计，项目研究获得了八面沸石、P型沸石、ZSM-20沸石及八面沸石膜等；.（3）通过对偏高岭土地质聚合物凝胶材料聚合机理的研究，获得了调控凝胶结构的规律。通过调控地质聚合物凝胶中H2O/Na2O比，解决了地聚物孔径和气孔率控制（包括微孔、介孔以及大孔）、开闭孔的控制技术原理，并将地质聚合物多孔材料和无机膜用于废水处理领域。. 本项目在如下两个方面的研究具有重要的科学意义：.（1）制备方法和表征手段的创新，是对地质聚合物凝胶理论研究的重要贡献：.采用化学法合成了成分可控粉体代替传统铝硅酸盐矿物来研究碱激发（或酸激发）地质聚合物的反应机理和凝胶结构，消除了传统矿物中杂质对反应的影响，获得了地质聚合物反应机理和凝胶形成机制。.（2）通过调整地质聚合物组成及制备工艺实现凝胶性能的调控是一个重要发现：.研究确定了地质聚合物凝胶结构与相应组成的沸石分子筛具有物质传递和结构遗传的关系。该研究成果对大多数地质聚合物材料凝胶结构的形成以及调控、碱金属离子在地质聚合物体系中的存在方式和作用机制等具有重要的指导意义，推动了地质聚合物材料的理论研究。