硅酸铝制备过程的研究(上)

时间：2021-12-17 15:31:13 浏览量：次

摘要：本文采用共沉淀法和分步沉淀法制备硅酸铝，探索不同制备条件对硅酸铝比表面和孔结构的影响。

关键词：硅酸铝；共沉淀法；分步沉淀法；比表面积；孔结构

硅酸铝可分为无定形SiO₂-Al₂O₃和晶型SiO₄-AlO₄，是常见的固体酸催化剂，也是常用的载体^[1] 。合成硅酸铝是一种无定型固体。催化剂性能的优劣和制备过程息息相关，尤其象无定型硅酸铝这样的多晶型、多功能的材料，其最终结构和催化性能必定依赖制备过程的每一个环节，如沉淀过程的pH值、沉淀前的酸性条件、反应物的浓度、沉淀速度及焙烧温度、搅拌速度、陈化时间凝胶方式等。本文主要对焙烧温度、pH值进行了考察。

1．实验部分

1.1实验试剂

水玻璃：Na₂SiO₃；硫酸铝：Al₂(SO₄)₃.18H₂O；浓盐酸：HCl；浓硫酸：H₂SO₄；浓硝酸：HNO₃氨水：NH₃H₂O；去离子水：H₂O；氯化钠：NaCl；氯化镁：MgCl₂；无水乙醇：CH₃CH₂OH

1.2实验设备

集热式恒温磁力搅拌器：DF-1型；恒温水浴锅：2004型（HH-2）；电子分析天平：AW220型；循环水多用真空泵：SHB-Ⅲ型；电热干燥箱：202A-3D型；酸度计：PHS-25型；数字电导率仪：DDS-11A型；精密增力电动搅拌器：JJ-1型；物理吸附仪：ASAP2020型；箱式电阻炉：SY型。

1.3制备过程

（1）共沉淀法是用水玻璃与酸化硫酸铝为原料，进行中和反应^[2]。主要反应式为：

SiO₃^2-+2H⁺====SiO₃ (1)

Al³⁺+3OH^-====Al(OH)₃ (2)

H₂SiO₃+Al(OH)₃=======无定形硅酸铝 (3)

反应完毕后，继续保持45℃温度下搅拌2h，后用去离子水洗涤，直到测得洗液的电导率符合要求时，放入烘箱中烘6～8小时，然后放入箱式电阻炉中以设计的温度(400～600℃)进行焙烧2h，称量装瓶。

（2）分步沉淀法是在一定浓度的水玻璃溶液中加入稀硫酸，生成SiO₂水凝胶，经老化后在pH值为9.0下加入硫酸铝溶液，再加氨水作沉淀剂，生成硅酸的凝胶后继续搅拌陈化2小时，经去离子水洗涤至电导率符合要求时，将样品放入烘箱中干燥，在焙烧温度400～600℃下焙烧2h，活化后制成硅酸铝载体，称量装瓶。

2纳米硅酸铝的表征

本文通过MicromeriticsASAP-2020型吸附仪对比表面积，孔体积和孔径进行了表征。样品测定之前在350℃下真空脱气5小时以上。样品的比表面采用BET法计算。

3．结果与讨论

3．1共沉淀法

3．1．1焙烧温度的影响

以盐酸为酸化试剂，控制pH=3~4范围内，焙烧温度分别为400℃、450℃、500℃、550℃，焙烧时间2小时，制备了硅酸铝。四个样品受焙烧温度影响，其比表面积、孔体积和平均孔径的大小分别列于表1。

从表1中可以看到：400℃时样品的比表面积是最小的，而且与其它样品相差甚多，孔体积为最小，但差距并非特别明显。但它的孔径最大，可见温度偏低对其影响很是明显。而在450℃～550℃的焙烧温度范围内比表面积变化幅度不是很大，在450℃和500℃两个中间温度比表面积、孔体积和孔径都很接近。焙烧温度在550℃时比表面积和孔体积最大，而孔径最小。

表1焙烧温度对纳米粒子制备的影响

焙烧温度℃	比表面积m²/g	孔体积cm³/g	孔径Å
400	68.81	0.401	260.58
450	137.45	0.474	138.16
500	124.46	0.454	146.05
550	149.20	0.488	130.98

图1 不同焙烧温度下硅酸铝的吸附/脱附曲线

a-400℃

b-450℃

c-500℃

d-550℃

相对压力

上述四个样品的吸脱附曲线列于图1，从图中可以看出，四条曲线形状基本相似，但焙烧温度400℃时的a曲线与其它略为不同，偏离其它曲线较远且偏低，说明该样品吸附量小，比表面积小。还可以看出四条曲线滞后环均十分狭细，从滞后环的形状可以看出，四个样品的孔都是两端开口的圆柱形细孔。

3.1.2 pH值的影响

用水玻璃和硫酸铝，以HCl为酸化试剂，分别控制不同PH值为2.39、2.89、3.25、4.01制备了的四个硅酸铝样品，在550℃焙烧温度2小时，样品的比表面积、孔体积和孔结构结果列于表2。

表2 pH值对纳米粒子制备的影响

pH值	比表面积m²/g	孔体积cm³/g	孔径Å
2.39	80.10	0.360	179.93
2.89	190.39	0.592	124.53
3.25	71.72	0.493	275.27
4.01	297.57	0.528	71.07

由表2看到pH值在4.01时粒子的比表面积最大，pH=3.25时比表面积最小，但它与最小值pH=2.39时的比表面积接近，孔体积则在pH=2.89时达到最大，孔径则在pH=3.25时有最大值，pH=4.01时有最小值。可见pH值对其影响有一定的波动性。这说明沉淀的pH值对凝胶孔结构的形成也有较大影响。