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分子篩的應用
2019-12-25

合成的分子篩材料一般為粉末狀、圓球顆?;蛑鶢?,當采用天然礦物作原料或在合成過程中混入雜質時,得到的分子篩產品會略帶顏色,例如13X分子篩,因其在生產過程加有凹凸棒天然礦物質呈現淡黃色。分子篩為多孔材料,具有均勻的孔道分布(這是和活性氧化鋁最根本的區(qū)別)、大比表面積和較大的孔體積等物理性質,使得分子篩材料在吸附、分離等領域都有著重要的應用價值。

1、分子篩在吸附分離中的應用

微孔分子篩材料應用最為廣泛的是硅鋁型沸石分子篩。最早沸石分子篩是以天然礦物的形式被發(fā)現的,其應用也只限于吸附、離子交換和氣體分離。例如,A型沸石的孔口直徑為0.4nm(4A分子篩),正好介于O2和N2之間(O2為0.38nm×0.28nm,N2為0.4nm×0.32nm),因此,A型沸石對于空氣中的氮氣與氧氣分離具有非常好的效果,b軸定向生長的MFI分子篩更是可以實現動力學半徑差值小于0.1nm的二甲苯異構體(鄰二甲苯和對二甲苯)的分離。若將NaCl晶格中的Na+和Cl-全部換成β籠,并將相鄰的β籠用γ籠聯結起來就得到A型分子篩的晶體結構。8個β籠聯結后形成一個方鈉石結構,如用γ籠做橋聯結,就得到A型分子篩結構。中心有一個大的α的籠。α籠之間通道有一個八元環(huán)窗口,其直徑為4A,故稱4A分子篩。若4A分子篩上70%的Na+為Ca2+交換,八元環(huán)可增至5A,對應的沸石稱5A分子篩。反之,若70%的Na+為K+交換,八元環(huán)孔徑縮小到3A,對應的沸石稱3A分子篩。
? ? 2、分子篩在催化反應中的應用

自最初Y型沸石在烷烴催化裂化反應成功應用后,沸石晶體材料在石油煉制、石油化工等領域得到了快速發(fā)展和廣泛關注,Y型沸石也成為工業(yè)化的催化裂化(FCC)催化劑。通過調節(jié)骨架鋁含量或采用雜原子Ga、B等對Al的取代可以實現對分子篩酸密度和酸強度的調控。硅鋁沸石分子篩作為一類重要的固體酸催化劑,彌補了均相催化反應中催化劑和反應物不能分離的缺點,已經被用在許多酸催化反應中,如催化裂化、加氫裂化、異構化、甲醇制烯烴(MTO)應等。另外,通過將過渡金屬元素引入沸石分子篩骨架中還實現了其在氧化還原反應中的應用,最典型的例子是鈦硅分子篩的合成,合成的含鈦分子篩在催化氧化反應中表現出相當高的催化活性,如Ts-1、Ti-Beta、Ti-MWW等分子篩已被廣泛地用于苯酚羥化、烯烴環(huán)氧化、烷烴氧化等反應。沸石分子篩經過Fe3和Cu2+交換后可以用來降解汽車和制酸工廠排出的氮氧化物氣體,在環(huán)境保護和凈化方面顯示出一定的價值。作為催化劑或催化劑載體,與其他材料相比沸石分子篩有著相對明顯的優(yōu)勢:高的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性使催化反應可以在苛刻的條件下進行,規(guī)則的孔道結構可以實現對某種產物的高選擇性,而可調變的活性中心使其可以應用在各類反應中。
?????? 介孔分子篩因具有高度有序和均勻分布的孔道結構,孔徑尺寸調變范圍較寬(2~5nm),比表面積大(大于1000m2/g),并且其骨架組分具有多樣性等特點,在很多領域具有良好的應用前景,已成為孔材料研究領域新的熱點。最初,介孔分子篩主要應用于催化反應,后究人員又利用其孔道特性不斷拓展,相繼發(fā)展到納米材料和生物吸附分離等領域。近幾研究主要是在以前研究的基礎上,將介孔分子篩改性負載官能團及金屬離子,以應用多領域。