分子筛-科普123

分子筛

生物科学2023-02-03 00:51:43百科

分子筛

[拼音]：fenzishai

[外文]：molecular sieves

又称泡沸石或沸石，是一种结晶型的铝硅酸盐，其晶体结构中有规整而均匀的孔道，孔径为分子大小的数量级，它只允许直径比孔径小的分子进入，因此能将混合物中的分子按大小加以筛分。故称分子筛。早在200多年前，B.克龙施泰特第一个把铝硅酸盐命名为泡沸石，化学组成通式为公式符号式中M与n是金属离子及其价数；x是二氧化硅的分子数;y是水的分子数；p是铝的原子数；q是硅的原子数。分子筛在化学工业中作为固体吸附剂，被其吸附的物质可以解吸，分子筛用后可以再生。还用于气体和液体的干燥、纯化、分离和回收。20世纪60年代开始，在石油炼制工业中用作裂化催化剂，现在已开发多种适用于不同催化过程的分子筛催化剂。

种类

分子筛有天然沸石和合成沸石两种。

（1）天然沸石大部分由火山凝灰岩和凝灰质沉积岩在海相或湖相环境中发生反应而形成。目前已发现有1000多种沸石矿，较为重要的有35种，常见的有斜发沸石、丝光沸石、毛沸石和菱沸石等。主要分布于美、日、法等国，中国也发现有大量丝光沸石和斜发沸石矿床，日本是天然沸石开采量最大的国家。

（2）因天然沸石受资源限制，从20世纪50年代开始，大量采用合成沸石（见表）。

商品分子筛常用前缀数码将晶体结构不同的分子筛加以分类，如3A型、4A型、5A型分子筛。4A型即表中A类，孔径4Å。含Na⁺的A型分子筛记作Na-A，若其中Na⁺被K⁺置换，孔径约为3Å，即为3A型分子筛；如Na-A中有1/3以上的Na⁺被Ca²⁺置换，孔径约为5Å，即为5A型分子筛。

性能

分子筛为粉末状晶体，有金属光泽，硬度为3～5，相对密度为2～2.8，天然沸石有颜色，合成沸石为白色，不溶于水，热稳定性和耐酸性随着SiO₂/Al₂O₃组成比的增加而提高。分子筛有很大的比表面积，达300～1000m²/g，内晶表面高度极化，为一类高效吸附剂，也是一类固体酸，表面有很高的酸浓度与酸强度，能引起正碳离子型的催化反应。当组成中的金属离子与溶液中其他离子进行交换时，可调整孔径，改变其吸附性质与催化性质，从而制得不同性能的分子筛催化剂。

生产方法

有水热合成、水热转化和离子交换等法：

（1）水热合成法　用于制取纯度较高的产品，以及合成自然界中不存在的分子筛。将含硅化合物（水玻璃、硅溶胶等）、含铝化合物（水合氧化铝、铝盐等）、碱（氢氧化钠、氢氧化钾等）和水按适当比例混合，在热压釜中加热一定时间，即析出分子筛晶体。合成过程可用下式表示：

工业生产流程中一般先合成Na-分子筛，如13X型与10X型分子筛的合成（见图）。在水热合成过程中添加某些添加剂可以改变最终产品的结构，如加入季胺盐可得到ZSM-5型分子筛。

（2）水热转化法　在过量碱存在时，使固态铝硅酸盐水热转化成分子筛。所用原料有高岭土、膨润土、硅藻土等，也可用合成的硅铝凝胶颗粒。此法成本低，但产品纯度不及水热合成法。

（3）离子交换法　通常在水溶液中将Na－分子筛转变为含有所需阳离子的分子筛，通式如下：

式中 Z^-表示阴离子骨架，Me⁺表示需交换的阳离子，例如NH嬃、Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺等，原料通常为氯化物、硫酸盐、硝酸盐。溶液中不同性质的阳离子交换到分子筛上的难易程度不同，称为分子筛对阳离子的选择顺序，例如：13X型分子筛的选择顺序为Ag⁺、Cu²⁺、H⁺、Ba²⁺、Au³⁺、Th⁴⁺、Sr²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Ca²⁺、Co²⁺、NH嬃、K⁺、Au²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Li⁺。常用下列参数表示交换结果：交换度，即交换下来的Na⁺量占分子筛中原有Na⁺量的百分数；交换容量，为每100克分子筛中交换的阳离子毫克当量数；交换效率，表示溶液中阳离子交换到分子筛上的质量百分数。为了制取合适的分子筛催化剂，有时尚需将交换所得产物与其他组分调配，这些组分可能是其他催化活性组分、助催化剂、稀释剂或粘合剂等，调配好的物料经成型即可进行催化剂的活化。