对沸石分子筛的非骨架元素的改性方法主要是离子交换法。
离子交换法又分为水溶液交换法、固态离子交换反应法、熔盐交换法、排水溶液交换法,以交换沸石分子筛中的阳离子。沸石具有的阳离子交换能力是其重要性能之一,利用它可调节晶体内的电场、表面酸碱性、孔道大小,从而可改变沸石的性质,调节沸石的吸附、分离和催化特性。
水溶液中交换是一种常用的离子交换方法,这种交换方法通常要求欲交换上去的金属离子在水溶液中沸石的晶体结构。沸石与某种金属盐的水溶液相接触时,溶液中的金属阳离子可以进入沸石中,而沸石中的阳离子可被交换下来进入溶液中,这种离子交换过程可用下面通式表示:
A+Z–+B+→B++ Z–+A+
在离子交换过程中,有时要求达到较高的交换度,可利用间歇式的多次交换方法或连续交换法。
多次交换法是沸石经过一次交换后进行过滤、洗涤,然后再进行第二次交换以至多次重复交换。连续换法是将沸石装在填充柱内,使金属盐溶液连续通过进行交换,直至交换度达到所需的要求。实践中发现,离子交换和高温焙烧交替进行可以提高交换度和交换效率。此外可将多种阳离子同时交换或逐次交换到沸石中,得到含有多种阳离子的沸石。离子交换过程中,所用的阳离子是否可将沸石中的阳离子交换下来,主要取决于交换用阳离子的性质和沸石的类型。除这两个内因外,还有交换温度、交换的浓度、用量、pH值等因素都影响交换过程的进行。
以得到该催化剂对特定反应的最佳催化活性。如碱土金属氯化物与丝光沸石进行固态离子交换时,用水蒸气处理后,其对乙苯歧化反应催化活性大大增加。同时盐类的阴离子也影响固态反应的交换度,金属氯化物由于在反应过程中生成易挥发的HCl促进了交换反应的进行。固态离子交换法无疑是将金属离子引入分子筛孔道中十分简单而有效的方法,它克服了溶液离子交换法的诸多不利因素,具有潜在的应用价值。除以上两种离子交换法外,还有熔盐交换法、非水溶液中交换、蒸气交换法等方法。经阳离子改性的沸石在吸附、催化方面表现出良好的性能,改性沸石的应用主要表现在以下一些方面。
①用于治理污染水。改性天然沸石用于治理污染水,也是借助阳离子交换性能,将天然沸石改性成单一阳离子型沸石加K型、Na型等,然后再使改性沸石骨架上配位阳离子与水中NH、Pb2+、Cu12+、Cd2+、Hg2+、Zn2+等进行阳离子交换,从而达到治理阳离子污染水的目的。
②用作催化剂。改性后沸石催化剂的活性中心或者位于充满阳离子的位置上,或者是脱去阳离子后的空位上。因此阳离子的性质对催化反应也起着重要作用。在石油化工中,对催化裂化、芳烃烷基化等反应,一价阳离子沸石催化活性较二价阳离子低,一价阳离子沸石(如Na型)通常没有催化活性,无酸活性中心;而二价阳离子沸石(如Ca型)催化剂的催化活性通常随阳离子半径的增大而下降。稀土金属阳离子型沸石由于具有较高的电荷密度,在催化裂化、芳烃烷基化等反应中催化活性高于二价阳离子沸石。
近年来报道较多的铜离子交换分子筛是直接分解NO的有效催化剂,将CuCl与沸石进行固态离子交换反应得铜离子交换分子筛。实践证明,Cu-ZSM-5的催化活性高于其他铜离子交换分子筛,对吸附过程分析可知,分子筛中Cu(I)与NO是通过进行表面反应来分解NO,实现NO的直接分解对环境保护是有重要意义的。
Cu-ZSM-5 是什么？
ZSM-5应该是Zeolite Selony Mobil No.5的缩写
Mobil是最早发明生产ZSM-5分子筛的公司
表示分子筛骨架上的金属纳离子被无机酸交换后的Cu/ZSM-5可以通过浸渍法将CU加到催化剂上。
CU/ZSM-5和Cu-ZSM-5还是有所区别的，Cu-ZSM-5严格意义上来说指明的是其表面阳离子为Cu离子，理论意义上是没有HZSM-5的，但是实际情况则要取决于其制备手段，它可以直接由Na-ZSM-5交换所得，或者拿HZSM-5交换，大部分水热处理后只要焙烧处理温度不是过高，表面都是会残留一定的羟基，可视为HZSM-5的变体。
