低硅CHA型沸石的低温合成及其CO2/N2吸附分离性能研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2025-0083

摘要/Abstract

摘要：

CHA型沸石因其独特的八元环孔道结构在CO₂吸附分离领域具有潜在工业应用前景。为实现低成本绿色合成高性能沸石的研究目的，在不使用有机模板剂的条件下低温合成CHA型沸石，并考察其CO₂/N₂的分离性能。通过XRD、SEM、FT-IR、EDS、TGA等表征手段深入探讨晶化温度、时间及K⁺量对合成纯相CHA型沸石的影响；测试273 K和298 K的CO₂和N₂吸附等温线并计算CO₂/N₂的IAST（理想吸附溶液理论）选择性。结果证明：在353 K晶化288 h的条件下，合成配方为n（SiO₂）∶n（Al₂O₃）∶n（K₂O）∶n（H₂O）=1∶0.2∶0.4∶35时，所制备的CHA型沸石具有较高的CO₂/N₂吸附分离性能（IAST选择性数值为51.2）；开展吸附机制研究，分别采用四参数Dual-site Langmuir模型和三参数Langmuir-Freundlich模型对CO₂和N₂吸附数据进行拟合，均具有较高的拟合度，相关系数（R²）达到0.999以上；并进行等量吸附热计算和CO₂-TPD测试，结果表明CO₂吸附行为属于非均匀物理吸附。低温水热合成CHA型沸石的方法简便低廉，具有良好的CO₂吸附分离和循环再生性能，具有较强的工业应用价值。

关键词: CHA型沸石, 低硅沸石, 水热合成, CO₂吸附, CO₂/N₂分离

Abstract:

CHA zeolite，with its unique eight-membered ring pore structure，has potential industrial application prospects in the field of CO₂ adsorption and separation.In order to achieve the research goal of low-cost and green synthesis of high-performance zeolites，zeolite CHA was synthesized at low temperature without the use of organic structure-directing agents，and its CO₂/N₂ separation properties were investigated.The effects of crystallization temperature，time，and K⁺ content on the synthesis of pure-phase CHA zeolite were comprehensively investigated using characterization techniques including XRD，SEM，FT-IR，EDS and TGA.The CO₂ and N₂ adsorption isotherms at 273 K and 298 K were measured，and the CO₂/N₂ IAST（Ideal Adsorption Solution Theory） selectivities were calculated.The results showed that the conditions of crystallization at 353 K for 288 h，the CHA zeolite prepared with the synthesis formula of n（SiO₂）∶n（Al₂O₃）∶n（K₂O）∶n（H₂O）=1∶0.2∶0.4∶35 exhibited high CO₂/N₂ adsorption and separation performance（IAST selectivity value of 51.2）.Adsorption mechanism studies were conducted.The four-parameter Dual-site Langmuir model and the three-parameter Langmuir-Freundlich model were used to fit the CO₂ and N₂ adsorption data，both showing high goodness of fit with coefficient of determination（R²） exceeding 0.999.Additionally，isosteric heats calculations and CO₂-TPD tests were performed.The results indicated that the CO₂ adsorption behavior belonged to heterogeneous physical adsorption.The method of low-temperature hydrothermal synthesis of CHA zeolite was simple and low-cost，and it had good CO₂ adsorption and separation，and cyclic regeneration performance，which had strong industrial application value.

Key words: CHA zeolite, low-silica zeolite, hydrothermal synthesis, CO₂ adsorption, CO₂/N₂ separation

中图分类号:

TQ127.2

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图/表 15

表1

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参考文献 23

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样品	n（SiO₂）∶n（Al₂O₃）∶n（K₂O）∶n（H₂O）	晶化温度/K	晶化时间/h	晶相
1	1∶0.2∶0.5∶35	353	192	CHA+Am
2	1∶0.2∶0.5∶35	353	240	CHA
3	1∶0.2∶0.5∶35	373	120	CHA+MER
4	1∶0.2∶0.4∶35	353	240	CHA+Am
5	1∶0.2∶0.4∶35	353	288	CHA
6	1∶0.2∶0.4∶35	373	72	CHA
7	1∶0.2∶0.4∶35	373	120	CHA
8	1∶0.2∶0.4∶35	373	168	CHA

样品	原子数分数/%				n（Si）/n（Al）
样品	O	Al	Si	K	n（Si）/n（Al）
2	48.52	7.20	14.95	5.92	2.08
5	67.97	9.13	16.14	6.76	1.77
6	59.89	6.82	13.18	4.91	1.93
7	41.81	4.33	8.40	3.05	1.94
8	68.72	9.19	15.59	6.50	1.70

样品	比表面积/ （m²·g^-1）	孔体积/ （cm³·g^-1）	CO₂吸附量/（cm³·g^-1）		N₂吸附量/（cm³·g^-1）		CO₂/N₂ 选择性
样品	比表面积/ （m²·g^-1）	孔体积/ （cm³·g^-1）	273 K	298 K	273 K	298 K	273 K	298 K
2	378	0.217	79.1	77.7	12.8	8.3	33.4	49.3
5	272	0.167	67.1	59.7	10.1	6.1	35.7	51.2
6	419	0.242	72.4	86.5	14.7	9.8	26.9	47.5
7	392	0.227	79.4	81.3	15.5	10.1	27.7	43.9
8	326	0.188	67.7	67.2	11.3	8.3	32.6	42.0

样品	吸附量/（cm³·g^-1）	CO₂/N₂选择性
5号（本工作）	59.7	51.2
Co-SSZ-13^［18］	26.0	40.0
Na-LTA-1.0^［19］	88.2	42.0
Cs-MER （10N）^［20］	29.4	27.0
T^［21］	73.2	47.6
Na-GIS-2.5^［22］	73.5	16.0

样品	DSL（CO₂）					LF（N₂）
样品	q_m1/（cm³·g^-1）	q_m2/（cm³·g^-1）	b₁	b₂	R²	q_m/（cm³·g^-1）	b	n	R²
2	65.0	20.2	0.596	0.022	0.999 88	32.6	0.002	1.087	0.999 93
5	48.2	20.9	0.852	0.013	0.999 90	24.8	0.004	0.963	0.999 92

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低硅CHA型沸石的低温合成及其CO₂/N₂吸附分离性能研究

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