本文介紹了有關ZeoliteLTA制備中最有影響的合成變量的同時影響的研究。單純形法用于確定最佳合成條件,其中合成沸石的相對結晶度(關于商業樣品)定義為響應函數。通過X射線衍射測量結晶度。經過24次試驗,找到了最佳條件,相對結晶度為95.4%,Na?2?O/SiO?2?=2.58,SiO?2?/Al?2?O?3?=1.45,H?2?O/Na?2?O=46.92摩爾比;11.7h晶體生長時間,6.1h結晶時間(反應)和78?o發現C反應溫度是最佳合成條件。設計用于模擬沸石相圖的計算機程序以驗證優化算法指示的摩爾比是否導致所需的沸石類型。結果與使用固定因子方法的先前工作中的結果進行了比較。
沸石的形成機制可以被認為由三個階段組成:成熟(當凝膠中的材料發生解聚和重新排序時)、成核(當形成結晶前體時)和晶體生長(Aurbach等人,2003年;Weitkamp和Puppe,1999年;赫爾曼,2005年)。一個細胞單元的化學表示(化學式)是Na?12?[(AlO?2?)?12?(SiO?2?)?12?]·?27?H?2?O,這意味著ZeoliteLTA在每個細胞單元中有12個四面體,被12個鈉原子占據和27個水分子。典型的反應凝膠組成如下:3.165Na2?O:Al?2?O?3?:1.926SiO?2?:128H?2?O(ThompsonandFranklin,2003)。
在目前的工作中研究了沸石LTA的合成,考慮了最重要的合成變量對產品結晶度的影響。根據我們的結果和文獻中的結果(Herrmann,2005;Milton,1959;Thompson和Franklin,2003;Tosheva和Valtchev;2005),確定以下參數對沸石結晶度的影響最大:反應凝膠上的二氧化硅(SiO?2?)、氧化鋁(Al?2?O?3?)、氧化鈉(NaO?2?)和水、介質pH值、成熟時間、結晶時間和溫度。已經發現振蕩速度對合成沒有顯著影響(Bayati?etal.,2008);?因此,一些研究報告稱,即使沒有攪拌也可以進行合成。然而,其他人已經表明振動速度可以設置在65到85rpm之間(Breck,1974)。
以前的工作中使用了一種獨立評估變量的方法(同時允許其他變量被固定);然而,在這種經典方法中沒有適當考慮合成變量的同時影響。順序單純形優化方法是一種簡單而有效的方法,當兩個或多個變量之間的數學關系未知時,允許考慮兩個或多個變量對目標變量的同時影響(Spendley等,1962)。
單純形由具有k+1個頂點的幾何圖形組成,其中k是階乘空間的維數,表示實驗中自變量的數量。優化方法是順序的,這意味著只有知道前一步的響應,才有可能實現更接近最優的新階段。實驗中的每個檢測都代表一組實驗變量,根據目標變量的響應拒絕最差的檢測。然后,通往最佳條件的搜索路徑代表了一種進化機制,該機制總是試圖開發出比以前的檢測更好的響應。
順序單純形優化方法如下進行:具有最差響應的頂點(化驗)反映在剩余k個頂點的質心上(α?=1,反射系數);如果新頂點的響應比先前頂點獲得的響應好,則應用這個新頂點的擴展(γ?=2,擴展系數)以在反射方向上擴展運動;
如果新頂點的響應只比前一個最差的頂點好,但不比其余頂點好,則應用收縮(0<?β?<1,收縮系數)以減小新單純形的步長;Nelder和Mead(Olsson和Nelson,1975年;Zhao等人,2009年;Burmen等人,2006年)提出了涉及反射、膨脹和收縮操作以及隨方向變化的收縮運動(δ=-0,5)。當新的反應比以前的任何反應都差時,這種運動特別有用。
這些步驟導致了新單純形的形成,該單純形具有設置新論文實驗條件的新頂點。單純形方法在涉及多參數操作的R&D中具有寶貴的應用:色譜,(Romero,1997;Bakeas和Siskos,1996)化學合成(Sener等,1996;Bayraktar等,2003),光譜(Pergantis等人,1994年;Koch等人,1997年)、分子模擬(Ruiz等人,1996年)和系統建模(Xiong和Jutan,2003年)。
該研究表明,改進的單純形法是一種重要的優化技術,可用于確定實驗室中沸石LTA合成的最佳條件。它只涉及24次試驗,在不同級別的優化變量上進行評估,以評估所有變量在尋找最佳值時的聯合影響。此外,在目標響應演變過程中觀察到單純形方法的另一個比較優勢:如果使用產生不滿意響應的單純形運動進行實驗,則相同的算法能夠自我糾正并返回到最佳方向的正確方向,而不會產生顯著變化找到的最優值。