不同的沸石具有确定的不同的内部通道尺度(约在3~11的范围),由此形成的物质筛分性可用来对气体和液体进行分离、净化和提纯。气体分离是沸石分子筛膜具有重大应用潜力的领域。多孔沸石膜一般通过如下几种机理来对气体分子进行分离。

1、粘性流

当气体分子的平均自由程远小于沸石结构中的孔隙尺寸时,可认为气体在碰撞中没有动量的损失。分子在孔隙中的这种扩散方式被称为粘性流。气体的平均压力、温度和气体的粘度是影响粘性流的主要因素。

2、努森扩散

当气体分子的平均自由程远大于沸石结构中的孔隙尺寸时,气体分子的运动主要受孔壁的约束,因此可认为孔隙中的各种气体彼此近似无关,此时气体将遵循努森扩散定律。努森扩散的渗透率由分子量的平方根和温度决定。利用该规律可以对分子量相差较大的气体分子进行分离。

3、表面扩散

如果利用膜结构对气体进行吸附时,膜两侧气压不同,则会造成两侧气体分子吸附量的不同,由此导致的浓度梯度促使气体分子发生迁移。这种表面扩散的机理包括很多方面,比较难以描述,但在低表面浓度的情况下,气体分子的渗透率可以用二维的菲克定律描述。

4、毛细凝聚和多层扩散

毛细凝聚和多层扩散发生时,需要膜层具有较好的渗透率和较好的选择性,且被分离的气体分子具有可凝聚性,此外还要求孔表面对可凝聚组份具有可润湿性。因此,如果膜层具有较小的孔径,则可显著降低毛细管的凝聚压。

5、分子筛分和构型扩散

当分子的尺寸与膜的孔隙尺寸接近时,可以按分子尺寸的大小对气体分子进行分离,这种分离过程被称为分子筛分。经过多年研究,已经制备了多种分子筛膜,例如碳分子筛膜[21]和微孔SiO2膜[22-25],在一定的尺度范围内实现对分子的筛分。

微孔沸石分子筛是在工业中应用最为广泛的一类固体酸催化剂。研究者们认为,反应物分子在沸石孔道内部的扩散线速约为10-8~10-20cm/s。

微孔沸石分子筛的制备可以采用水热合成法、非水系合成法、蒸汽相合成法、无溶剂干粉体系合成法以及微波技术等。微波加热是能够大幅度节省合成时间的一种手段,近年来受到较多的关注。自20世纪80年代起,微波加热技术被越来越多地应用于分子筛膜的制备和分子筛的改性等方面。