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沸石分子筛性能及运用介绍

 沸石是含水的架状硅铝酸盐矿物,分为天然和人造两种,可用作分子筛。由于天然沸石杂质含量多,且空洞尺寸大小不一等问题,致使其分子筛的性能受限而难以实现实际应用。因此,在实际生产生活中,应用***广的是人工合成的沸石分子筛。

沸石分子筛化学通式为:Mp/n[(AlO2)p·(SiO2)q]·yH2O。其中M是金属离子,n表示其价态数,p是AlO2分子数,q是SiO2分子数,y表示水合数。沸石分子筛具有均匀的孔道结构,比表面积和孔体积较大,水热稳定性好及较强的酸性。因其特殊的结构和性能而具有筛分分子、吸附、离子交换和催化等良好性能,现已被广泛应用于石油化工、环保、生物工程、食品工业、医药化工等领域。

起初制备沸石分子筛的方法是模拟天然泡沸石形成的地球化学过程来实现的。经长期的探索后,国内外研究者们在传统的方法上不断地进行改进创新,目前沸石分子筛的合成主要包括:水热合成法、溶剂热合成法、气相转移法、干法转换法、(无溶剂)干粉体系合成法、组合化学水热法、离子热合成法和微波辐射合成法等方法。

沸石分子筛性能包括以下几个内容:

第一,吸附性能。沸石分子筛的吸附是一种物理变化过程。产生吸附的原因主要是分子引力作用在固体表面产生的一种“表面力”,当流体流过时,流体中的一些分子由于做不规则运动而碰撞到吸附剂表面,在表面产生分子浓聚,使流体中的这种分子数目减少,达到分离、清除的目的。由于吸附不发生化学变化,只要设法将浓聚在表面的分子赶跑,沸石分子筛就又具有吸附能力,这一过程是吸附的逆过程,叫解析或再生。

第二,通过离子交换可以改变沸石分子筛孔径的大小,从而改变其性能,达到择形吸附分离混合物的目的。沸石分子筛经离子交换后,阳离子的数目、大小和位置发生改变,如高价阳离子交换低价阳离子后使沸石分子筛中的阳离子数目减少,往往造成位置空缺使其孔径变大;而半径较大的离子交换半径较小的离子后,则易使其孔穴受到一定的阻塞,使有效孔径有所减小。

第三,沸石分子筛具有独特的规整晶体结构,其中每一类都具有一定尺寸、形状的孔道结构,并具有较大比表面积。大部分沸石分子筛表面具有较强的酸中心,同时晶孔内有强大的库仑场起极化作用。这些特性使它成为性能优异的催化剂。多相催化反应是在固体催化剂上进行的,催化活性与催化剂的晶孔大小有关。沸石分子筛作为催化剂或催化剂载体时,催化反应的进行受到沸石分子筛晶孔大小的控制。晶孔和孔道的大小和形状都可以对催化反应起着选择性作用。在一般反应条件下沸石分子筛对反应方向起主导作用,呈现了择形催化性能,这一性能使沸石分子筛作为催化新材料具有强大生命力。

虽然沸石分子筛在MTO和SCR等催化反应及气体吸附/分离等方面表现出良好的性能,但在催化中存在的积碳、高温催化活性差等问题,而对该分子筛的改性尚不足以完全解决这些问题,需进行更为有效的改性以提高其自身性能,深入研究其催化机理,是沸石分子筛今后的发展方向。