随着天然与人工分子筛在化工行业的应用的推广,以及各方面的生产要求的提高,促使分子筛的研究成为当今的热门话题。分子筛是一类具有均匀微孔,主要由硅、铝、氧及其它一些金属阳离子构成的吸附剂或薄膜类物质,其孔径与一般分子大小相当,据其有效孔径来筛分各种流体分子。

沸石分子筛是一种无机晶体材料,因具有规整的孔道结构、较强的酸性和高的水热稳定性而广泛应用于催化、吸附和离子交换等领域中,并起着不可替代的作用。人们对于沸石分子筛的人工合成研究可追溯到 20 世纪 40 年代,Barrer 等通过对天然矿物在热的盐溶液中相态转变的研究,首次实现了沸石分子筛的人工合成,自此揭开了人工合成沸石分子筛的序幕。

沸石分子筛与一般常用的固体吸附剂如硅胶、活性炭、活性氧化铝等相比,在吸附性能方面有二个显著的特点,一个是选择性吸附,另一个是高效率吸附。

(1)选择性吸附

具体表现在以下几个方面:

(a)根据分子大小不同进行选择吸附,由于分子筛具有空旷的骨架结构,在结构中存在着很多排列得非常整齐而有规则的孔穴*(笼子),而且孔的直径也很均匀,其大小和一般分子有相近的数量级。它们只能使直径比孔小的分子进入,直径比孔大的分子则排斥在外,因此,沸石分子筛在吸附时具有筛分分子的作用,或者说对分子的形状大小具有选择作用。利用这一性质,分子筛在吸附时可按形状不同,把物质分离开来。例如正构烷烃分子的临界截面直径是4.9埃,而其他烃类的临界截面直径均大于5埃,用孔径为5埃的5A分子筛为吸附剂时,则只有正构烷烃能进入笼子中而被吸附,其他烃类则都被排斥在外,这样就可把正构烷烃和其他烃类分离开来,这种过程工业上叫分子筛脱蜡。在催化领域里,也可利用分子筛的筛分性能进行所谓的择形催化。

(b)按分子极性不同进行选择吸附沸石分子筛具有很大的内表面,一般约为600~1000米3/克,在内表面上存在着静电场,因此具有极性。对含有极性基团(如-OH,-NH2,-SH,=CO)的极性物质或者对容易被极化的物质(如不饱和烃等)能产生吸附作用,而且极性越大、或越容易被极化的物质,就越容易被吸附。因此,沸石分子筛对分子的极性大小具有选择作用,可按物质极性不同,把它们分离开来。例如,一氧化碳和氩两者的分子大小非常相近,但由于一氧化碳是极性分子,氩是非极性分子,所以5A分子筛吸附一氧化碳的量远大于氩,在-75℃和100毫米汞柱的压力下,5A分子筛吸附氩为1.7%(重),而一氧化碳则为11%(重)。又如,在25℃和1毫米汞柱的压力下,4A分子筛吸附乙烷为0.3%,乙烯1.4%,乙炔3.8%。

(2)高效吸附

水是极性很强的物质,很容易被沸石所吸附,因此常把沸石作为干燥剂使用,而且和其他干燥剂相比,有其突出的优点。对硅胶和氧化铝等一般吸附剂讲,在水蒸气的分压或浓度很低时,或者吸附温度较高、气流速度较大时,它们的吸水率就很差。可是沸石分子筛,即便在低分压、低浓度、高温和高速等条件下,仍具有很好的吸水效率。

沸石分子筛由于其特有的结构和性能,已成为一门独立的学科,沸石分子筛的应用已遍及石油化工、环保、生物工程、食品工业、医药化工等领域。随着国民经济各行业的发展,沸石分子筛的应用前景日益广阔。

分子筛与沸石的主要区别

主要区别是在他们的用途上,沸石一般是天然的,孔径大小不一,只要有空泡就可以防止爆沸。而分子筛的功能要高级的多,比如筛选分子、做催化剂、缓释催化剂等,因而对孔径有一定的要求,经常是人工合成的。