МЕХАНОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ КАК СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА НИЗКОМОДУЛЬНЫХ ЦЕОЛИТОВ
Аннотация
В работе проведены систематизация и обобщение имеющихся литературных данных в области применения механохимической активации исходных смесей, используемых для синтеза цеолитов. Показано, что синтез цеолитов относится к так называемому «нековалентному синтезу», а, следовательно, является зависимым от условий ведения процесса. В связи с этим были проанализированы следующие факторы, определяющие итог синтеза (на примере получения цеолита NaA): тип исходного сырья, время активации, соотношение исходных компонентов, температура на стадии термической обработки, влияние рН раствора на стадии гидротермальной кристаллизации. В работе наглядно показано, что использование в качестве исходного сырья гидратированных соединений приводит к образованию фельдшпатоидов с плотноупакованной структурой – содалита, нефелина. Состав продуктов взаимодействия каолинита со щелочными ингредиентами зависит от их основности, уменьшение щелочности сырья способствует увеличению силикатного модуля синтезируемых образцов. При синтезе цеолита необходимо введение вещества, которое должно служить структурообразующим агентом, для синтеза низкомодульных цеолитов эту роль выполняют содалитовые ячейки и алюминаты натрия кубической и тетрагональной сингонии. Проведение механохимически индуцированного процесса требует совмещения с последующей стадией термообработки. На этой стадии происходит набор прочности гранул за счет формирования керамических связей между частицами, а также происходит построение каркаса цеолитов. Таким образом, показано, что механохимическая активация позволяет значительно упростить традиционные методы синтеза цеолитов из гелей, в значительной степени зависимые от условий проведения процессов. Установлено, что сокращаются как время процесса за счет уменьшения числа стадий, ускорения зародышеобразования, так и расход компонентов, а также обеспечивается снижение чувствительности к условиям синтеза. Кроме того, механохимическая активация позволяет получить прямым синтезом гранулированный цеолит и катион-замещенные формы цеолита.
Дляцитирования:
Гордина Н.Е. Механохимическая активация как способ интенсификации процессов синтеза низкомодульных цеолитов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2018. Т. 61. Вып. 7. С. 4-22
Литература
Rabo J.A. Zeolite chemistry and catalysis. Washington: American Chemical Society. 1976. 615 р.
Kubasov A.A., Kitaev L.E., Yushchenko V.V., Tikhiy Y.V. The effect of small quantities of water and ammonia on adsorption complexes in a zeolite Y. MSU Vestnik. 2005. V. 46. N 4. P. 236-242.
Tan Yan-Xi, Wang F., Zhang J. Design and synthesis of multifunctional metal–organic zeolites. Chem. Soc. Rev. 2018. P. 2130-2144. DOI: 10.1039/C7CS00782E.
Perez-Ramirez J., Christensen C.H., Egeblad K., Christensen C.H., Groen J.C. Hierarchical zeolites: enhanced utilisation of microporous crystals in catalysis by advances in materials design. Chem Soc Rev. 2008. V. 37. N 11. P. 2530–2542. DOI: 10.1039/B809030K.
Babel S., Kurniawan T. Low cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water: a review. J. Hasardous Mater. 2003. V. 97. N 1-3. Р. 219–243. DOI: 10.1016/S0304-3894(02)00263-7.
Grela1 A., Łach M., Bajda T., Mikuła J., Hebda M. Characterization of the products obtained from alkaline conversion of tuff and metakaolin. J. Thermal Anal. Calor. 2018. P. 1-10. DOI: 10.1007/s10973-018-6970-z.
Majano G., Borchardt L., Mitchell S., Pérez-Ramírez J., Valtchev V. Rediscovering zeolite mechanochemistry – A pathway beyond current synthesis and modification boundaries. Micropor Mesopor Mater. 2014. N 194. Р. 106–114. DOI: 10.1016/j.micromeso.2014.04.006.
Matalkah F., L.Xu, W.Wu, Soroushian P. Mechanochemical synthesis of one-part alkali aluminosilicate hydraulic cement. Ma-terials and Structures. 2017. V. 50. N 1. Р. 97. DOI: 10.1617/s11527-016-0968-4.
Baláž P. Mechanochemistry in Nanoscience and Minerals Engineering. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008. 413 p.
Leonardi M., Villacampa M., Menéndez J.C. Multicomponent mechanochemical synthesis. Chem. Sci. 2018. V. 9. Р. 2042-2064 DOI: 10.1039/C7SC05370C.
Fuentes А. Preface to the special section on mechanochemical synthesis. J. Mater. Sci. 2017. V. 52. N 20. P. 11785–11788. DOI: 10.1007/s10853-017-1363-4.
Kostova N.G., Spojakina А.А., Dutková Е.(Godočíková), Baláž P. Mechanochemical approach for preparation of Mo-containing -zeolite. J. Phys. Chem. Solids. 2017. V. 68. N 56. P. 1169-1172. DOI: 10.1016/j.jpcs.2007.02.024.
Zhao Х., Gao Х., Zhang Х., Hao Z. Solventless synthesis of AEL-type aluminophosphate molecular sieve from mechanochemi-cally pretreated low-templated reactants. Micropor. Mesopor. Mater. 2017. V. 242. Р. 160-165. DOI: 10.1016/j.micromeso.2017.01.028.
Molchanov V.V., Buyanov R.A. Scientific bases of application of mechanochemistry methods for catalysts preparing. Kinetika i Kataliz. 2001. V. 42. N 3. P. 406–415 (in Russian).
Boldyrev V.V. Mechanochemistry and mechanical activation of solids. Russ Chem Rev. 2006. V. 75. N 3. P. 177–189. DOI: 10.1070/RC2006v075n03ABEH001205.
Buyanov R.A., Molchanov V.V., Boldyrev V.V. Mechanochemical activation as a tool of increasing catalytic activity. Catalysis Today. 2009. V. 144. N 3–4. Р. 212–218. DOI: 10.1070/RC2006v075n03ABEH001205.
Zhang Q., Saito F. A review on mechanochemical syntheses of functional materials. Adv Powder Tech. 2012. V. 23. N 5. Р. 523–531. DOI: 10.1016/j.apt.2012.05.002.
Prokof’ev V.Yu., Gordina N.E. Comminution and mechanochemical activation in oxide ceramics technology (review). Glass Ceram. 2012. V. 69. N 1-2. P. 65–70. DOI: 10.1007/s10717-012-9416-2.
Prokof’ev V.Yu., Gordina N.E. Natural mechanisms of mechanochemical interactions in oxide powders. Glass Ceram. 2014. V. 71, N 1–2. P. 10–14. DOI: 10.1007/s10717-014-9605-2.
Davis M.E. Strategies for zeolite synthesis by design. Studies Surf Sci Catal. 1995. V. 97. P. 35–44. DOI: 10.1016/S0167-2991(06)81870-7.
Anthony J.L., Davis M.E. Assembly of Zeolites and Crystalline Molecular Sieves. In M Adachi and DJ Lockwood (Eds) Self-Organized Nanoscale Materials. New York: Springer Science. 2006. Р. 159–185. DOI: 10.1007/0-387-27976-8_4.
Piccione P.M., Yang S.Y., Navrotsky A., Davis M.E. Thermodynamics of puresilica molecular sieve synthesis. J. Phys. Chem. B. 2002. V. 106. N 14. Р. 3629–3638. DOI: 10.1021/jp014427j.
Piccione P.M., Yang S.Y., Navrotsky A., Davis M.E. Thermodynamics of pure-silica molecular sieve synthesis (erratum). J. Phys. Chem. B. 2002. V.106. N 20. Р. 5312–5312. DOI: 10.1021/jp020967k.
Avvakumov E.G., Pushnyakova V.A. Mechanochemical synthesis of complex oxides. Khim. Tekhnol. 2002. N 5. P. 6–17 (in Russian).
Pat. 2012072527 WO Mechanochemical production of zeolite. 2012.
Pat. 0187522 EP Zeolite beta preparation. 1985.
Pat. 205674 DD Verfahren zur Herstellung Hochkielsaeurehaltiger Zeolithe IV. 1984.
Valtchev V., Mintova S., Dimov V., Toneva A., Radev D. Tribochemical activation of seeds for rapid crystallization of zeolite Y. Zeolites. 1995. V.15. N 3. P. 193–197. DOI: 10.1016/0144-2449(94)00058-Z.
Yousefi E., Falamaki C. Intensive mechanical pre-treatment of hydrogel in zeolite synthesis: X zeolite synthesis system case study. Chem. Eng. J. 2013. N 221. P. 247–253. DOI: 10.1016/j.cej.2013.01.084.
Zheng F., Jing W., Gu X., Xu N., Dong J. Rapid synthesis of pure DD3R zeolite using ball-milled Sigma-1 seeds under static conditions. J. Mater. Sci. 2013. V. 48. N 18. P. 6286–6292. DOI: 10.1007/s10853-013-7428-0.
Stewart A., Johnson D.W., Shannon M.D. Synthesis and Characterisation of Crystalline Aluminosilicate Sigma-1. Stud. Surf. Sci. Catal. 1988. N 37. P. 57–64. DOI: 10.1016/S0167-2991(09)60582-6.
Wakihara T., Ichikawa R., Tatami J., Endo A., Yoshida K., Sasaki Yu., Komeya K., Meguro T. Bead-Milling and Post-milling Recrystallization: An Organic Template-free Methodology for the Production of Nano-zeolites. Cryst. Growth Des. 2011. V. 11. N 4. P. 955–958. DOI: 10.1021/cg2001656.
Morris R.E., James S.L. Solventless Synthesis of Zeolites. Angew. Chem. Int. Ed. 2013. V. 52. N 8. P. 2163–2165. DOI: 10.1002/anie.201209002.
Ren L., Wu Q., Yang Ch., Zhu L., Li C., Zhang P., Zhang H., Meng X., Xiao F-Sh. Solvent-Free Synthesis of Zeolites from Solid Raw Materials. J. Am. Chem. Soc. 2012. V. 134. N 37. P. 15173–15176. DOI: 10.1021/ja3044954.
Gordina N.E., Prokof'ev V.Yu., Il'in A.P. Synthesis of NaA zeolite by mechanochemical methods. Rus. J. Appl. Chem. 2003. V. 76. N 4. P. 661–662. DOI: 10.1023/A:1025772111644.
Pat. 2317945 RU. Method of preparing granulated A-type zeolite. 2008.
Prokof'ev V.Yu., Zhidkova A.B., Gordina N.E. X-ray study of solid phase synthesis of sodium aluminium silicate with struc-ture of zeolite. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 12. P. 127–131.
Breck D. Zeolite molecular sieves. Structure, chemistry and use. New York: Wiley. 1974.
Li R., Ren Х., Ma H., Wang В. A Quasi-Solid-Phase Approach to Activate Natural Minerals for Zeolite Synthesis. ACS Sus-tainable Chem. Eng. 2017. V. 5. N 4. Р. 3233–3242. DOI: 10.1021/acssuschemeng.6b03031.
Feng Y.Ch., Meng Y., Li F.X., Ping Zh., Xue J.W. Synthesis of mesoporous LTA zeolites with large BET areas. J. Porous. Mater. 2013. N 20. P. 465–471. DOI: 10.1007/s10934-012-9617-7.
Gordina N.E., Prokof'ev V.Yu., Il'in, A.P. Extrusion molding of sorbents based on synthesized zeolite. Glas. Ceram. 2005.
V. 62. N 9–10. P. 282–286. DOI: 10.1007/s10717-005-0092-3.
Pavlov M.L., Travkina O.S., Basimova R.A., Pavlova I.N., Kutepov B.I. Binder-free syntheses of high-performance zeolites A and X from kaolin. Petrol. Chem. 2009. V. 49. N 1. P. 36–41. DOI: 10.1134/S0965544109010071.
Pavlov M.L., Travkina O.S., Kutepov B.I. Grained binder-free zeolites: synthesis and properties. Catal. Ind. 2012. V. 4. N 1. P. 11–18. DOI: 10.1134/S2070050412010096.
Iida Т., Sato М., Numako С., Nakahira А., Kohara S., Okubo Т., Wakihara Т. Preparation and Characterization of Silicalite-1 Zeolites with High Manganese Content from Mechanochemically Pretreated Reactants. J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. N 11. Р. 6215-6222. DOI: 10.1039/C4TA06246A.
Workneha S., Shukla A. Synthesis of sodalite octahydrate zeolite–clay composite membrane and its use in separation of SDS. J. Membr. Sci. 2008. V. 309. N 1–2. P. 189–195. DOI: 10.1016/j.memsci.2007.10.033.
Thungngern Р., Amnaphiang Р., Asawaworarit Р., Eiad-ua А. Influence of Temperature and Alkaline Activation for Synthesis Zeolite A from Natural Kaolin. Key Eng. Material. 2017. V. 751. P. 410-416. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.751.410.
Miao Q., Zhou Z., Yang J., Lu J., Yan S., Wang J. Synthesis of NaA zeolite from kaolin source. Front. Chem. Eng. China. 2009. V. 3. N 1. P. 8–11. DOI: 10.1007/s11705-009-0094-8.
Ríos C.A., Williams C.D., Fullen M.A. Nucleation and growth history of zeolite LTA synthesized from kaolinite by two differ-ent methods. Appl. Clay Sci. 2009. V. 42. N 3–4. P. 446–454. DOI: 10.1016/j.clay.2008.05.006.
Jiang J., Feng L., Gu X., Qian Y., Gu Y., Duanmu C. Synthesis of zeolite A from palygorskite via acid activation. Appl. Clay Sci. 2012. N 55. P. 108–113. DOI: 10.1016/j.clay.2011.10.014.
Kamalia M., Vaezifara S., Kolahduzana H., Malekpourc A., Abdi M.R. Synthesis of nanozeolite A from natural clinoptilolite and aluminum sulfate; optimization of the method. Powder Technol. 2009. V. 189. N 1. P. 52–56. DOI: 10.1016/j.powtec.2008.05.015.
Mezni M., Hamzaoui A., Hamdi N., Srasra E. Synthesis of zeolites from the lowgrade Tunisian natural illite by two different methods. Appl. Clay Sci. 2011. V. 52. N 3. P. 209–218. DOI: 10.1016/j.clay.2011.02.017.
Chandrasekhar S. Influence of metakaolinization temperature on the formation of zeolite 4A from kaolin. Clay Miner. 1996. N 31. P. 253–261.
Kim W., Jeon H., Shin H., Rim J., Kim S. Dry and Wet Grinding Effect on Kaolinite and Its Zeolite Formation in NaOH Solu-tion. Geosyst. Eng. 2004. V. 7. N 1. P. 27–32. DOI: 10.1080/12269328.2004.10541216.
Klevtsov D.P., Krivoruchko O.P., Mastikhin V.M., Zolotovskii B.P., Buyanov R.A. Influence of mechano-chemical activation and thermal treatment of kaolinite on cation distribution of Al(III) and formation of Na−A zeolite. React. Kinet. Catal. Lett. 1988. V. 36. N 2. P. 319–324. DOI: 10.1007/BF02063825.
Yamamoto K., García S.E.B., Muramatsu A. Zeolite synthesis using mechanochemical reaction. Micropor. Mesopor. Mater. 2007. V. 101. N 1–2. P. 90–96. DOI: 10.1016/j.micromeso.2006.09.034.
Prokofiev V.Yu., Gordina N.E., Zhidkova A.B. Synthesis of granulated zeolites with structure NaA from kaolin. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2011. V. 54. N 12. P. 81–84.
Vattipalli V., Mughis А., Weiguo Р., Hu Wei Fan. Broadening the scope for the fluoride-free synthesis of siliceous zeolites. Angew. Chem. 2018. P. 3669-3673. DOI: 10.1002/ange.201712684.
Corma А., Li С., Moliner М. Building zeolites from pre‐crystallized units: nanoscale architecture. Angew. Chem. Internat. Ed. 2018. DOI: 10.1002/anie.201711422.
Pat. 2283278 RU. Method of preparing granulated zeolite adsorbent with high phase-purity structure A and X. 2006.
Pat. 2283279 RU. Method of preparing granulated synthetic zeolite. 2006.
Pat. 2283281 RU. Method of preparing high phase-purity granulated A-type zeolite. 2006.
Pat. 2336229 RU. Method of obtaining microspherical zeolite of A type with high phase-purity. 2008.
Leshchev N.V., Prokof’ev V.Yu., Gordina N.E. Investigation of process of mechanochemical synthesis of sodium aluminate in mill with an impact-shear behavior of loading. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010. V. 53. N 11. P. 81–83.
Prokof’ev V.Yu., Gordina N.E., Zhidkova A.B., Efremov A.M. Mechanochemical synthesis of granulated LTA zeolite from metakaolin. J. Mater. Sci. 2012. 47. N 14. P. 5385–5392. DOI: 10.1007/s10853-012-6421-3.
Gordina N.E., Prokof’ev V.Yu., Kochetkov S.P. The use of mechanochemical activation and ultrasonic treatment for the synthe-sis of LTA zeolite. Ros. Khim. Zhurn. (J. Ros. Khim ob im. D.I. Mendeleev). 2016. V. LX. N 2. P. 39–47 (in Russian).
Prokof’ev V.Yu., Gordina N.E., Efremov A.M. Synthesis of type A zeolite from mechanoactivated metakaolin mixtures. J. Ma-ter. Sci. 2013. V. 48. N 18. P. 6276–6285. DOI: 10.1007/s10853-013-7425-3.
Pat. 2446101 RU. Method of producing synthetic granular type A zeolite. 2012.
Klyuntina A.B., Gordina N.E., Prokofiev B.Yu. Influence of conditions of hydrothermal crystallization on synthesis and prop-erties of LTA type zeolite. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 3. P. 73–77. (in Russian).
Prokof’ev V.Yu., Gordina N.E. A study of thermal treatment and hydrothermal crystallization stages in production of granulated NaA zeolite from mechanically activated metakaolin. Rus. J. Appl. Chem. 2013. V. 86. N 3. P. 332−338. DOI: 10.1134/S1070427213030075.
Prokof'ev V.Yu., Gordina N.E. Preparation of granulated LTA and SOD zeolites from mechanically activated mixtures of me-takaolin and sodium hydroxide. Appl. Clay Sci. 2014. N 101. P. 44–51. DOI: 10.1016/j.clay.2014.07.008.
Pat. 2498939 RU. Method of producing synthetic granular type A zeolite. 2013.
Svyatenko N., Prokof'ev V.Yu., Gordina N.E. The use of mechanochemical activation to control the rheological properties of moulding pastes for catalysts and sorbents extrusion. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2017. V. 60. N 1. P. 102–107. (in Russian). .DOI: 10.6060/tcct.2017601.5493.
