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沸石分子筛具有结晶化的骨架结构和规整的微孔孔道，在吸附、催化和离子交换等领域都备受关注。在众多沸石结构中，八元环小孔沸石ZK-5（KFI型）的窗口尺寸约为0.39*0.39nm，十分接近小分子气体CH4（0.38nm）、N2（0.36nm）、O2（0.35nm）以及CO2（0.33nm）的动力学直径，通过适当的孔径调变，预示其具有明显的尺寸筛分优势，在CO2/CH4、CO2/N2和CH4/N2等分离方面具有潜在应用价值。
作为吸附剂，尽管微孔孔道的筛分性能优越，但动力学尺寸较大的分子无法快速扩散进入孔道，降低了吸附质分子的运动速度，影响传质效果，削弱了吸附剂单位时间内处理气体吸附质的能力。因此，在保证高吸附容量和选择性的同时，消除与沸石晶体相关的扩散限制的方法对于确保令人满意的沸石性能有重要研究价值。
将沸石晶体尺寸缩小至纳米尺度是缓解扩散限制的一种有效手段。本工作中，通过“超声辅助方法”和“抑制剂作用”这两种方法分别制备得到了纳-微尺度和纳米尺度的ZK-5沸石。从制备到表征再到气体吸附和穿透分离实验，详细地考查了小尺寸ZK-5沸石的传质效果和吸附分离效果，并与传统微米级的ZK-5沸石进行比较，本论文的主要研究内容和结论包括：
（1）采用超声辅助方法在水热条件下合成了纳-微尺寸（~500nm）的ZK-5沸石晶体。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和77K氮气吸/脱附的手段对所制备的样品进行了表征。详细研究了超声处理时间对沸石晶化过程的影响，结果表明，超声时间对ZK-5沸石的晶体形貌有着显著的影响，随着超声时间延长，颗粒从1.5μm减小到500nm。在室温（298K）和1bar的条件下，与无超声处理合成的大晶体（3μm）的样品（HT-ZK-5-0h/3d）相比，纳-微尺寸（~500nm）的沸石（US-ZK-5-10h/1d）对CO2、CH4、N2和O2的吸附容量分别提高了31%、24%、18%和26%。在同样的吸附压力下，与HT-ZK-5-0h/3d样品相比，US-ZK-5-10h/1d沸石能够更快地达到吸附平衡，表现出更优异的气体传质能力。对于CH4/N2（50/50，v/v）和CO2/CH4（50/50，v/v）这二组气体混合物，长的穿透时间间隔表明US-ZK-5-10h/1d样品具有实际的分离效果。
（2）使用β-环糊精作为晶体生长抑制剂，首次制备得到了纳米尺寸（<100nm）的ZK-5沸石。通过X射线衍射、热重分析、扫描电子显微镜和77K下的氮气吸/脱附测试对所得样品进行了表征。扫描电子显微镜分析结果表明，β-环糊精的加入对减小晶体的尺寸有异常显著的作用，通过调控环糊精的加入量，制备得到不同尺度的纳米级样品（50-250nm）。N2吸/脱附等温线分析表明，相比于微米尺寸的样品，纳米尺寸的ZK-5样品具有更丰富的表面积（370m2g-1）和孔容积（0.22cm3g-1）。单组分气体吸脱附测试表明，相较于微米级别沸石，纳米级别的沸石对CO2、CH4、N2和O2的吸附容量分别提高了66%、64%、64%和51%，并且不存在脱附滞后现象。气体吸附动力学测试表明，CH4和N2在纳米级ZK-5沸石中的吸附平衡速率明显提升。穿透实验结果显示，纳米尺寸的沸石有更长的穿透时间间隔，表明其对CH4/N2（20/80，v/v）和CO2/N2（20/80，v/v）混合气有更良好的分离效果。
作为吸附剂，尽管微孔孔道的筛分性能优越，但动力学尺寸较大的分子无法快速扩散进入孔道，降低了吸附质分子的运动速度，影响传质效果，削弱了吸附剂单位时间内处理气体吸附质的能力。因此，在保证高吸附容量和选择性的同时，消除与沸石晶体相关的扩散限制的方法对于确保令人满意的沸石性能有重要研究价值。
将沸石晶体尺寸缩小至纳米尺度是缓解扩散限制的一种有效手段。本工作中，通过“超声辅助方法”和“抑制剂作用”这两种方法分别制备得到了纳-微尺度和纳米尺度的ZK-5沸石。从制备到表征再到气体吸附和穿透分离实验，详细地考查了小尺寸ZK-5沸石的传质效果和吸附分离效果，并与传统微米级的ZK-5沸石进行比较，本论文的主要研究内容和结论包括：
（1）采用超声辅助方法在水热条件下合成了纳-微尺寸（~500nm）的ZK-5沸石晶体。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和77K氮气吸/脱附的手段对所制备的样品进行了表征。详细研究了超声处理时间对沸石晶化过程的影响，结果表明，超声时间对ZK-5沸石的晶体形貌有着显著的影响，随着超声时间延长，颗粒从1.5μm减小到500nm。在室温（298K）和1bar的条件下，与无超声处理合成的大晶体（3μm）的样品（HT-ZK-5-0h/3d）相比，纳-微尺寸（~500nm）的沸石（US-ZK-5-10h/1d）对CO2、CH4、N2和O2的吸附容量分别提高了31%、24%、18%和26%。在同样的吸附压力下，与HT-ZK-5-0h/3d样品相比，US-ZK-5-10h/1d沸石能够更快地达到吸附平衡，表现出更优异的气体传质能力。对于CH4/N2（50/50，v/v）和CO2/CH4（50/50，v/v）这二组气体混合物，长的穿透时间间隔表明US-ZK-5-10h/1d样品具有实际的分离效果。
（2）使用β-环糊精作为晶体生长抑制剂，首次制备得到了纳米尺寸（<100nm）的ZK-5沸石。通过X射线衍射、热重分析、扫描电子显微镜和77K下的氮气吸/脱附测试对所得样品进行了表征。扫描电子显微镜分析结果表明，β-环糊精的加入对减小晶体的尺寸有异常显著的作用，通过调控环糊精的加入量，制备得到不同尺度的纳米级样品（50-250nm）。N2吸/脱附等温线分析表明，相比于微米尺寸的样品，纳米尺寸的ZK-5样品具有更丰富的表面积（370m2g-1）和孔容积（0.22cm3g-1）。单组分气体吸脱附测试表明，相较于微米级别沸石，纳米级别的沸石对CO2、CH4、N2和O2的吸附容量分别提高了66%、64%、64%和51%，并且不存在脱附滞后现象。气体吸附动力学测试表明，CH4和N2在纳米级ZK-5沸石中的吸附平衡速率明显提升。穿透实验结果显示，纳米尺寸的沸石有更长的穿透时间间隔，表明其对CH4/N2（20/80，v/v）和CO2/N2（20/80，v/v）混合气有更良好的分离效果。