隨著天然與人工Molecular sieve在化工行業的應用的推廣,以及各方面的生產要求的提高,促使分子篩的研究成為當今的熱門話題。分子篩是一類具有均勻微孔,主要由硅、鋁、氧及其它一些金屬陽離子構成的吸附劑或薄膜類物質,其孔徑與一般分子大小相當,據其有效孔徑來篩分各種流體分子。
沸石分子篩是一種無機晶體材料,因具有規整的孔道結構、較強的酸性和高的水熱穩定性而廣泛應用于催化、吸附和離子交換等領域中,并起著不可替代的作用。人們對于沸石分子篩的人工合成研究可追溯到 20 世紀 40 年代,Barrer 等通過對天然礦物在熱的鹽溶液中相態轉變的研究,首次實現了沸石分子篩的人工合成,自此揭開了人工合成沸石分子篩的序幕。
沸石分子篩與一般常用的固體吸附劑如硅膠、活性炭、活性氧化鋁等相比,在吸附性能方面有二個顯著的特點,一個是選擇性吸附,另一個是高效率吸附。
(1)選擇性吸附
具體表現在以下幾個方面:
(a)根據分子大小不同進行選擇吸附,由于分子篩具有空曠的骨架結構,在結構中存在著很多排列得非常整齊而有規則的孔穴*(籠子),而且孔的直徑也很均勻,其大小和一般分子有相近的數量級。它們只能使直徑比孔小的分子進入,直徑比孔大的分子則排斥在外,因此,沸石分子篩在吸附時具有篩分分子的作用,或者說對分子的形狀大小具有選擇作用。利用這一性質,分子篩在吸附時可按形狀不同,把物質分離開來。例如正構烷烴分子的臨界截面直徑是4.9埃,而其他烴類的臨界截面直徑均大于5埃,用孔徑為5埃的5A分子篩為吸附劑時,則只有正構烷烴能進入籠子中而被吸附,其他烴類則都被排斥在外,這樣就可把正構烷烴和其他烴類分離開來,這種過程工業上叫分子篩脫蠟。在催化領域里,也可利用分子篩的篩分性能進行所謂的擇形催化。
(b)按分子極性不同進行選擇吸附沸石分子篩具有很大的內表面,一般約為600~1000米3/克,在內表面上存在著靜電場,因此具有極性。對含有極性基團(如-OH,-NH2,-SH,=CO)的極性物質或者對容易被極化的物質(如不飽和烴等)能產生吸附作用,而且極性越大、或越容易被極化的物質,就越容易被吸附。因此,沸石分子篩對分子的極性大小具有選擇作用,可按物質極性不同,把它們分離開來。例如,一氧化碳和氬兩者的分子大小非常相近,但由于一氧化碳是極性分子,氬是非極性分子,所以5A分子篩吸附一氧化碳的量遠大于氬,在-75℃和100毫米汞柱的壓力下,5A分子篩吸附氬為1.7%(重),而一氧化碳則為11%(重)。又如,在25℃和1毫米汞柱的壓力下,4A分子篩吸附乙烷為0.3%,乙烯1.4%,乙炔3.8%。
(2)高效吸附
水是極性很強的物質,很容易被Zeolite所吸附,因此常把沸石作為干燥劑使用,而且和其他干燥劑相比,有其突出的優點。對硅膠和氧化鋁等一般吸附劑講,在水蒸氣的分壓或濃度很低時,或者吸附溫度較高、氣流速度較大時,它們的吸水率就很差。可是沸石分子篩,即便在低分壓、低濃度、高溫和高速等條件下,仍具有很好的吸水效率。
沸石分子篩由于其特有的結構和性能,已成為一門獨立的學科,沸石分子篩的應用已遍及石油化工、環保、生物工程、食品工業、醫藥化工等領域。隨著國民經濟各行業的發展,沸石分子篩的應用前景日益廣闊。
分子篩與沸石的主要區別:
主要區別是在他們的用途上,沸石一般是天然的,孔徑大小不一,只要有空泡就可以防止爆沸。而Molecular sieve的功能要高級的多,比如篩選分子、做催化劑、緩釋催化劑等,因而對孔徑有一定的要求,經常是人工合成的。