分子筛的分离作用

分子筛的分离作用

摘要吸附剂是实现吸附分离的基础。原则上，所有微孔材料都可以用作气体或液体混合物分离的吸附剂。吸附剂的种类很多，目前工业上常用的吸附剂有活性炭、硅胶、活性氧化铝、分子筛等。由于分子筛优异的吸附性能，使其在吸附分离工业中有着十分广泛的应用，具有良好的市场前景。简述分子筛的构成、合成方法、具体举例和其应用。

关键词吸附分离、分子筛、应用

分子筛是具有规整孔道结构的微孔晶体材料。分子筛是结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子筛分子尺寸大小（通常为0.3-2.0 nm）的孔道和空腔体系，从而具有筛分分子的特性。由于含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水，水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，而把比孔道大的分子排斥在外，因而能把形状直径大小不同的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子，饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。

构成分子筛的骨架元素是硅、铝及配位的氧原子。然而随着分子筛合成与应用研究的深入，研究者发现了磷铝酸盐类分子筛，并且分子筛的骨架元素（硅或铝或磷）也可以由B、Ga、Fe、Cr、Ge、Ti、V、Mn、Co、Zn、Be和Cu等取代，其孔道和空腔的大小也可达到2 nm以上。分子筛这种骨架元素可取代的特性也预示着对分子筛的改性是丰富多样的，硅铝分子筛骨架的最基本单位是硅氧四面体和铝氧四面体。当分子筛由硅氧四面体组成时，其骨架呈电中性，此时的分子筛表现为疏水性；当有铝氧四面体时，其骨架就呈负电性，随着硅铝比的减小，其亲水性增强。

分子筛按骨架元素组成可分为硅铝类分子筛、磷铝类分子筛和骨架杂原子分子筛；按孔道大小划分，孔道尺寸小于2 nm、2-50 nm和大于50 nm的分子筛分别称为微孔、介孔和大孔分子筛。由于具有较大的孔径，成为较大尺寸分子反应的良好载体，但介孔材料的孔壁为非晶态，致使其水热稳定性和热稳定性尚不能满足石油化工应用所需的苛刻条件。自 1756 年首次发现天然分子筛stilbite后，已确定结构的分子筛有114种，例如合成沸石分子筛、分子筛碳、AlPO4-14分子筛等。下面依次介绍这几种分子筛。

1、合成沸石分子筛

合成沸石分子筛是碱或碱土元素的结晶态硅酸盐，晶胞中含有m个水分子，它们易通过加热或抽空脱出，从而形成恒定孔隙率范围为0.2-0.5的硅铝酸盐骨架笼式结构。这些合成沸石分子筛笼式结构的窗孔的尺寸可通过固定阳离子的种类和数量得到控制，使其尺寸范围均在3-10Å之间。因此，合成沸石分子筛具有极强的吸附选择性。

合成沸石分子筛是极性吸附剂，每种型号的合成沸石分子筛具有特定的均匀孔径，所以具有良好的筛分作用。合成沸石分子筛的吸附筛分作用是基于物质分子大小、形状和极性等性质的不同，可以分离性质相近而分子直径和形状不同的物质。目前最常用的合成分子筛型号有3A钾型、4A钠型、5A钙型、10X钙型、13X钠型和Y钠型。由于合成沸石分子筛优异的吸附性能，使其在吸附分离工业中有着十分广泛的应用。主要应用领域有：气体和液体的干燥，如：深冷分离的天然气和裂解气的干燥；气体中杂质的脱出，如：从空气中和天然气中去除二氧化碳，天然气的硫化氢和其他硫化物的脱除，氢气的净化；从C8芳烃馏分中分离对二甲苯；从石油馏分中分离出正构烷烃，从工业中排放气中分离各种含氮气体，以及从空气中分离氧气等。

2、分子筛炭

分子筛炭是最新被开发和在工业上应用的新型吸附剂，由于其具有一些有前途的特性，

收到人们的广泛关注。分子筛炭是同时具有活性炭和分子筛某些特性的羰基吸附剂。目前它的工业制备方法有三种:(1)聚偏二氯乙烯、萨冉树脂之类的聚合物、纤维素、糖和椰子壳的炭化；（2）轻度炭化煤，特备是无烟煤，此方法目前被广泛应用；（3）用炭化的或焦化的热固性聚合物包裹工业活性炭的孔口。

分子筛炭的分子筛特性的表现为：（1）孔形态：在700℃，才对新戊烷表现出分子筛效应；（2）孔径尺寸：炭化萨冉树脂微孔孔径为6Å，可以成功筛分异丁烷与新戊烷；（3）炭沉积孔：在855℃下裂化甲烷把炭沉积到褐煤焦炭孔中，炭沉积量为3％的样品对二氧化碳表现出显著的分子筛分作用。

分子筛炭具有很小的微孔，孔径分布为0.3nm-1.0nm，主要应用于空气分离制纯氮，能够生产出不含二氧化碳纯度达99.9％的干燥高纯氮气，已在变压吸附工业生产装置中大规模使用。

（3）AlPO4-14分子筛

AlPO4-14分子筛由铬+代替AlPO4-5为核心,Ti4 +代替AlPO4-5作为shell通过solvothermal外延生长。沸石和相关的微孔材料,有周期性的三维框架和定义良好的孔隙结构，其广泛应用于催化、离子交换、吸附、化学分离。分子筛(AlPO4-n),它第一次被发现是在1982年由威尔逊和同事,是一种重要的微孔材料。与传统的阴离子铝硅酸盐沸石框架不同,它们的结构通常是建立在严格的结构，通过角落共享一个氧原子,形成一个中立的开放框架。晶格或P原子可以部分取代硅或其他元素组成的框架与以及催化地活跃的金属网格。因为孤立的活性中心分布在整个开放空间框架和反应物,代替aluminophosphates(MAlPOs,M =钛、Co、锰、铬、…)很好地研究异构催化剂(SSHC)。例如,MAlPO-18可以有选择地由甲醇光烯烃转化；MnAlPO-5在两环己烯环氧化提供更高的选择性到所需的环氧产品。AlPO4-14分子筛是一个中立的分子筛,它没有额外的阳离子框架。二氧化碳和甲烷的吸附等温线在AlPO4-14中的温度为273和300 k。AlPO4-14分子筛用中性框架表现出一个优秀的分离效果, 在273 k选择性分离的CO2 / CH4可以达到21.77 .这表明该AlPO4-14分子筛是一个合适的分离的CO2 /甲烷方法。

总之，分子筛具有优秀的吸附分离功能，多种多样的分子筛可以适用于很多物质的分离，在化工、污染治理等方面都有十分广泛的应用，是一种好的分离材料。

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