Zeolit là những aluminosilicat ngậm nước được hình thành trong điều kiện thuỷ nghiệt. Ở đây danh từ thuỷ nhiệt được sử dụng với một ý nghĩa rộng, bao hàm sự kết tinh của zeolit từ môi trường nước có chứa các cấu tử tham gia phản ứng với thành phần hoá học xác định. Công trình đầu tiên về tổng hợp silicat trong điều kiện thuỷ nhiệt đã được Saphote thực hiện vào năm 1845. Sau đó ông đã tiến hành tổng hợp "Levinit" bằng cách nung nóng dung dịch nước K2SiO3 và NaAlO2 trong ống thuỷ tinh ở nhiệt độ 1700C.
Thông thường quá trình tổng hợp thuỷ nhiệt được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất cao. Hỗn hợp phản ứng được hình thành từ các cấu tử, mà thành phần của chúng tương ứng với thành phần của sản phẩm mong muốn. Hỗn hợp này được giữ trong một thời gian xác định, ở nhiệt độ và áp xuất xác định với sự có mặt của một lượng lớn nước.
Ngày nay, việc tổng hợp zeolit thường được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất không cao lắm, trong khi đó bản chất của các chất ban đầu, các thông số quyết định việc tạo mầm kết tinh, thời gian kết tinh là những yếu tố quan trọng nhất quyết định chất lượng của sản phẩm nhất định. Quá trình tổng hợp zeolit được tiến hành ở các điều kiện sau đây:
a) Các hợp chất ban đầu có khả năng tham gia phản ứng có thể là gel, kết tủa hoặc là các chất rắn vô định hình.
b) Độ pH tương đối cao do việc dùng các hydroxit của các kim loại kiềm hoặc là các bazơ mạnh khác.
c) Mức độ quá bão hoà cao đối với các cấu tử của gel dẫn đến sự hình thành phần lớn các tinh thể mầm.
d) Điều kiện thuỷ nhiệt nhiệt độ thấp kèm theo áp suất thấp được tạo bởi hơi bão hoà của nước.
Gel được kết tinh trong hệ thống thuỷ nhiệt kín, thường là ở nhiệt độ phòng đến nhiệt độ 1750C. Ở đây, áp suất thường tương ứng với áp suất hơi bão hoà của nước ở nhiệt độ đã cho. Thời gian kết tinh có thể thay đổi từ một vài giờ đến một vài ngày. Quá trình kết tinh gel aluminosilicat trong hệ Na2O-SiO2-Al2O3-H2O có thể được diễn giải theo sơ đồ như sau:
Vấn đề kết tinh zeolit rất phức tạp, cho đến nay chưa có một cơ chế chính xác nào. Tuy nhiên cũng có một số giả thiết để giải thích quá trình hình
NaOH (aq) + NaAl(OH)4 (aq) + Na2SiO3 (aq) T1 = 25oC
(Zeolite tinh thể)
/Naa(AlO2)b(SiO2)c.NaOH.H2O/ (gel) T2 = 25oC – 175oC Nax/(AlO2)x(SiO2)y/mH2O + dung dịch nước ót
thành các zeolit từ việc kết tinh gel trong điều kiện tổng hợp thuỷ nhiệt. Người ta giả thiết rằng trong hệ đầu tiên hình thành những tiểu phân vô định hình rắn, sau đó xảy ra sự kết tinh trong dung dịch.
Cơ chế này được xem xét bởi Zhdanov. Ông ta đã mô tả cân bằng giữa pha rắn và lỏng, từ đó dẫn đến kết luận: các nhân tinh thể được hình thành và lớn lên trong pha lỏng. Gel bị hoà tan liên tục và những phần bị hoà tan sẽ chuyển thành nhân tinh thể trong pha lỏng. Để nhận được gel hydrat hoá, người ta thường trộn dung dịch aluminat và polysilicat. Các anion này sẽ tham gia phản ứng polyme hoá dẫn đến sự hình thành gel ở trạng thái vô định hình. Thành phần và cấu tử của gel được xác định bởi cấu trúc và kích thước của các hợp phần polyme hoá. Bởi vì các silicat có thể khác nhau về thành phần hoá học và sự sắp xếp trọng lượng phân tử, cho nên cấu trúc gel có thể khác nhau. Do đó, quá trình tạo thành gel sẽ điều chỉnh quá trình tạo thành nhân tinh thể của zeolit.
Kích thước và diện tích của các cation bị hydrat hoá cũng ảnh hưởng đến sự tạo thành nhân tinh thể. Chính các cation là trung tâm của sự hình thành các đơn vị cấu trúc đa diện. Để tạo thành cấu trúc tinh thể, các cấu trúc aluminat và silicat trong quá trình kết tinh gel cần phải được sắp xếp lại để xảy ra quá trình depolyme hoá và hoà tan gel. Khi đó, sự kết tinh gel alumosilicat vô định hình thành zeolit có thể được dẫn giải theo hình 3.
Hình 3: Sơ đồ biểu diễn quá trình kết tinh của zeolit trong hệ Na2O-Al2O3- SiO2-H2O.
Có thể tóm tắt quá trình kết tinh zeolite theo 4 giai đoạn : - Hình thành các phức đơn giản và các phức đa nhân. - Tạo thành mầm cũng như giai đoạn tập hợp các phức.
- Sự tạo thành các mầm có nhân tinh thể và sự phát sinh các mixel. - Tập hợp các hạt ban đầu thành đơn vị cấu trúc lớn bằng sự hợp nhất
có định hướng của các tinh thể.