Zeolites and their mechanism of synthesis
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ZEOLITES AND THEIR MECHANISM OF SYNTHESIS. POR ALEJANDRA MARIA SANTA GRUPO DE CATALIZADORES Y ADSORBENTTES. Hedí J.P. Feijen, Johan A. Martens and Pierre A. Jacobs. FACULTAD DE INGENIERIA. CONTENIDO. INTRODUCCIÓN ZEOLITIZACIÓN 2.1. Pasos importantes en la síntesis de zeolitas

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Zeolites and their mechanism of synthesis

ZEOLITES AND THEIR MECHANISM OF SYNTHESIS

POR

ALEJANDRA MARIA SANTA

GRUPO DE CATALIZADORES Y ADSORBENTTES

Hedí J.P. Feijen, Johan A. Martens and Pierre A. Jacobs

FACULTAD DE INGENIERIA


Contenido
CONTENIDO

  • INTRODUCCIÓN

  • ZEOLITIZACIÓN

    2.1. Pasos importantes en la síntesis de zeolitas

    2.2 Factores que influencian la zeolitización

    2.3 Zeolitización en ausencia de agua y acidez media

    3. EJEMPLO


Introduccion
INTRODUCCION

  • Primera zeolita natural descubierta a mediados del siglo XVIII

  • Los grandes progresos se han llevados a cabo a partir del siglo XX

  • Esta área está en continuo crecimiento y se han obtenido zeolitas sintéticas con nuevas estructuras y nuevas aplicaciones

  • Nuevas aplicaciones: catálisis supramolecular, fotoquímica, nanoquímica y electroquímica

  • Se requiere entender el mecanismo de síntesis para volver este arte un verdadero tema de la ciencia


Zeolitizaci n
ZEOLITIZACIÓN

  • 2.1 Pasos importantes para la síntesis de zeolitas

  • Una mezcla de especies de Al y Si, cationes metálicos, moléculas orgánicas y agua son convertidas mediante una solución alcalina supersaturada en un aluminosilicato cristalino microporoso . (Zeolitización)

  • Precursores de Si: Sílica coloidal, vidrio, tretrametil y tetraetil ortosilicatos, SiO2, metasilicato de sodio

  • Precursores de Al: Gibsita, seudo boemita, aluminatos y polvo metálico de aluminio

  • Agentes estructurante: Moléculas orgánicas catiónicas o neutras


  • La zeolitización se lleva a cabo a altas temperaturas, para obtener alta producción de cristales en un periodo de tiempo aceptable.

  • Pasos básicos:

    Consecución de la sobresaturación

    Nucleación

    Crecimiento de los cristales

  • Inicialmente se prepara la gel, y luego se somete a un periodo de maduración o añejamiento, dejándola a la Temperatura de cristalización por un determinado tiempo.


  • La temperatura de cristalización adecuada está por debajo de 350 ºC.

  • La adición de aluminato al sol Sílica, incrementa la fuerza iónica de la solución, que promueve la formación inmediata de una gel.

    2.1.1 Periodo de añejamiento

  • Es crucial para la obtención de un producto dado a la velocidad deseada.

  • Ocurre la disolución parcial de la sol Sílica promovida por las condiciones alcalinas de la síntesis.

  • Se demostró que la disolución es lenta a Temperatura ambiente, pero se acelera al incrementar T.


  • La depolimerización se vuelve rápida cuando se tienen de 36 a 48 horas de añejamiento.

  • Después de la disolución, los silicatos monoméricos se polimerizan en especies oligoméricas en solución

  • Al esta contenido en su mayoría en el Al(OH)-4.

  • Se forman estructuras de aluminosilicatos.

  • Reaccionan preferiblemente los silicatos aniónicos

  • USB. Unidades secundarias de construcción, Importantes para enucleación y crecimiento de los cristales.

  • La nucleación, la cristalización producida y el tipo de zeolita formada dependen del periodo de añejamiento

  • Ocurren cambios estructurales en la parte sólida del gel


2.1.2 Mecanismos de cristalización 36 a 48 horas de añejamiento.

  • Involucra 3 pasos básicos: Consecución de la sobresaturación, nucleación y crecimiento de los cristales

    2.1.2.1 Consecución de la sobresaturación

  • En el periodo de añejamiento la concentración de componentes disueltos se incrementa con el tiempo

  • Se forma una solución estable, que se convierte en una metaestable y por último en una lábile

  • Regiones estable y metaestable están separadas por una curva normal de solubilidad en el equilibrio

  • Regiones metaestable y labile no tienen una separación bien definida.

  • Grado de sobresaturación


  • En la región estable no ocurre ni nucleación ni crecimiento de los cristales

  • En la región labile ocurren ambas

  • En la región metaestable solo crecen los cristales.

    2.1.2.2 Nucleación

  • Puede dividirse en dos: Nucleación Homogénea y Nucleación heterogénea.

  • Se forman embriones por agregaciones químicas de los precursores y desaparecen por disolución

  • Los embriones forman los núcleos en el que se da crecimiento de los cristales espontáneamente

  • Las concentración de las especies oligoméricas afectan directamente la nucleación



2.1.2.3 Crecimiento de los cristales crecimiento de los cristales

  • Comienza después de la nucleación

  • El núcleo crece por condensación o por adición de las especies precursoras.

  • Las curvas experimentales tiene forma de S, donde los puntos de inflexión separan los periodos auto catalíticos de los que no lo son.

  • Ecuación de Kholmogorov

  • n > 4 incrementa la rata de nucleación

  • n < 4 decrece la rata de nucleación

  • n = 4 La rata de nucleación es constante


  • 2.2 Factores que influencian la zeolitización crecimiento de los cristales

  • 2.2.1 Composición molar del Hidrogel

  • Expresión de la composición química de una síntesis

  • a SiO2 ; Al2O3 ; b MxO ; c NyO ; d R ; e H2O

  • La cantidad relativa de Si, Al, M, N, y R es uno de los factores claves para la cristalización.

  • Además tienen importancia las relaciones SiO2/Al2O3, MxO(NyO)/SiO2, R/SiO2 y H2O/SiO2


  • 2.2.1 Alcalinidad crecimiento de los cristales

  • El pH de la solución debe estar entre 8-12, pues este es un factor determinante para la formación de la zeolita(aniones OH).

  • El rol del agente mineralizante es capturar los óxidos o hidróxidos de Si y Al dentro de una solución a una velocidad adecuada.

  • Estas especies precursoras tienen T-átomos en coordinación tetraédrica.

  • Por esto se busca un estado sobresaturado el el cual se lleven a cabo la enucleación y el crecimiento de los cristales


  • Al incrementar el pH se acelera el crecimiento de los cristales.

  • La reacción ocurre mediante un mecanismo nucleofílico. Y de esta manera se explica el cambio del pH en todo el proceso.

  • La alcalinidad de la síntesis también es importante por que esto influye en la relación Si/Al.

  • Cantidad de “enlaces” Si/Al disminuye cuando el pH aumenta. Un incremento del pH disminuye la habilidad de las especies Si para condensarse.


  • 2.2.3 Temperatura y Tiempo cristales.

  • En general, la temperatura y el tiempo tienen una influencia positiva en el proceso de formación de las zeolitas.

  • Cuando el periodo de tiempo es alto, la síntesis esta gobernada por la ocurrencia de un sucesivo cambio de fases.

  • Al incrementar la temperatura se obtienen productos mas densos y el tamaño del poro disminuye


  • 2.2.4 Templates (agentes estructurantes) cristales.

  • Contribuyen a la formación de la red durante la zeolitización.

  • Influencian la formación del gel y la nucleación

  • Disminuyen el potencial químico de la red formada

  • Contribuye a la estabilidad de la zeolita

  • Afectan la relación Si/AL.

  • No es fácil determinar cual es el agente estructurante requerido para una estructura y composición determinada.

  • Deben tenerse en cuenta criterios de solubilidad en la solución, estabilidad, compatibilidad esterica.


  • 2.2.4.1 Moléculas cargadas cristales.

  • No solo funcionan como agentes estructurantes sino que también afectan la velocidad de la síntesis.

  • Se usan cationes tal como Na+, Li+, Cs+, K+, Rb+, C2+, Cr2+, TMA+, TEA+, TPA+, etc.

  • 2.2.4.2 Moléculas Neutras

  • La más importante es el agua.

  • Otras que se usan son las aminas.


ZEOLITA Y cristales.

ZEOLITA A


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