對沸石分子篩的非骨架元素的改性方法主要是離子交換法。

離子交換法又分為水溶液交換法、固態(tài)離子交換反應(yīng)法、熔鹽交換法、排水溶液交換法,以交換沸石分子篩中的陽離子。沸石具有的陽離子交換能力是其重要性能之一,利用它可調(diào)節(jié)晶體內(nèi)的電場、表面酸堿性、孔道大小,從而可改變沸石的性質(zhì),調(diào)節(jié)沸石的吸附、分離和催化特性。

水溶液中交換是一種常用的離子交換方法,這種交換方法通常要求欲交換上去的金屬離子在水溶液中沸石的晶體結(jié)構(gòu)。沸石與某種金屬鹽的水溶液相接觸時,溶液中的金屬陽離子可以進(jìn)入沸石中,而沸石中的陽離子可被交換下來進(jìn)入溶液中,這種離子交換過程可用下面通式表示:
A⁺Z^–+B⁺→B⁺+^?Z^–+A⁺
在離子交換過程中,有時要求達(dá)到較高的交換度,可利用間歇式的多次交換方法或連續(xù)交換法。

多次交換法是沸石經(jīng)過一次交換后進(jìn)行過濾、洗滌,然后再進(jìn)行第二次交換以至多次重復(fù)交換。連續(xù)換法是將沸石裝在填充柱內(nèi),使金屬鹽溶液連續(xù)通過進(jìn)行交換,直至交換度達(dá)到所需的要求。實踐中發(fā)現(xiàn),離子交換和高溫焙燒交替進(jìn)行可以提高交換度和交換效率。此外可將多種陽離子同時交換或逐次交換到沸石中,得到含有多種陽離子的沸石。離子交換過程中,所用的陽離子是否可將沸石中的陽離子交換下來,主要取決于交換用陽離子的性質(zhì)和沸石的類型。除這兩個內(nèi)因外,還有交換溫度、交換的濃度、用量、pH值等因素都影響交換過程的進(jìn)行。

以得到該催化劑對特定反應(yīng)的最佳催化活性。如堿土金屬氯化物與絲光沸石進(jìn)行固態(tài)離子交換時,用水蒸氣處理后,其對乙苯歧化反應(yīng)催化活性大大增加。同時鹽類的陰離子也影響固態(tài)反應(yīng)的交換度,金屬氯化物由于在反應(yīng)過程中生成易揮發(fā)的HCl促進(jìn)了交換反應(yīng)的進(jìn)行。固態(tài)離子交換法無疑是將金屬離子引入分子篩孔道中十分簡單而有效的方法,它克服了溶液離子交換法的諸多不利因素,具有潛在的應(yīng)用價值。除以上兩種離子交換法外,還有熔鹽交換法、非水溶液中交換、蒸氣交換法等方法。經(jīng)陽離子改性的沸石在吸附、催化方面表現(xiàn)出良好的性能,改性沸石的應(yīng)用主要表現(xiàn)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,也是借助陽離子交換性能,將天然沸石改性成單一陽離子型沸石加K型、Na型等,然后再使改性沸石骨架上配位陽離子與水中NH、Pb2+、Cu12+、Cd2+、Hg2+、Zn2+等進(jìn)行陽離子交換,從而達(dá)到治理陽離子污染水的目的。

②用作催化劑。改性后沸石催化劑的活性中心或者位于充滿陽離子的位置上,或者是脫去陽離子后的空位上。因此陽離子的性質(zhì)對催化反應(yīng)也起著重要作用。在石油化工中,對催化裂化、芳烴烷基化等反應(yīng),一價陽離子沸石催化活性較二價陽離子低,一價陽離子沸石(如Na型)通常沒有催化活性,無酸活性中心;而二價陽離子沸石(如Ca型)催化劑的催化活性通常隨陽離子半徑的增大而下降。稀土金屬陽離子型沸石由于具有較高的電荷密度,在催化裂化、芳烴烷基化等反應(yīng)中催化活性高于二價陽離子沸石。

近年來報道較多的銅離子交換分子篩是直接分解NO的有效催化劑,將CuCl與沸石進(jìn)行固態(tài)離子交換反應(yīng)得銅離子交換分子篩。實踐證明,Cu-ZSM-5的催化活性高于其他銅離子交換分子篩,對吸附過程分析可知,分子篩中Cu(I)與NO是通過進(jìn)行表面反應(yīng)來分解NO,實現(xiàn)NO的直接分解對環(huán)境保護(hù)是有重要意義的。

Cu-ZSM-5 是什么？

ZSM-5應(yīng)該是Zeolite Selony Mobil No.5的縮寫
Mobil是最早發(fā)明生產(chǎn)ZSM-5分子篩的公司
表示分子篩骨架上的金屬納離子被無機酸交換后的Cu/ZSM-5可以通過浸漬法將CU加到催化劑上。

CU/ZSM-5和Cu-ZSM-5還是有所區(qū)別的，Cu-ZSM-5嚴(yán)格意義上來說指明的是其表面陽離子為Cu離子，理論意義上是沒有HZSM-5的，但是實際情況則要取決于其制備手段，它可以直接由Na-ZSM-5交換所得，或者拿HZSM-5交換，大部分水熱處理后只要焙燒處理溫度不是過高，表面都是會殘留一定的羥基，可視為HZSM-5的變體。