分子筛

自然界中存在一种天然硅铝酸盐,它们具有筛分分子、吸附、离子交换和催化作用。这种天然物质称为沸石,人工合成的沸石也称为分子筛。
分子筛的化学组成通式为:(Mn+)2/nO· Al2O3·xSiO2·pH2O,M代表金属离子(人工合成时通常为Na),n代表金属离子价数,x代表SiO2的摩尔数,也称为硅铝比,p代表水的摩尔数。分子筛骨架的最基本结构是 SiO4和AlO4四面体,通过共有的氧原子结合而形成三维网状结构的结晶。这种结合形式,构成了具有分子级、孔径均匀的空洞及孔道。由于结构不同,形式不同,“笼”形的空间孔洞分为α、β、γ、六方柱、八面沸石等 “笼”的结构。A型、X型和Y型分子筛的晶体结构见图1。
A型、X型和Y型分子筛的主要结构
图1为A型、X型和Y型分子筛的主要结构
由于AlO4四面体具有一个负电荷,可以结合钠等离子,成为电中性。在水溶液中,Na+ 很容易与其他阳离子交换。大多数分子筛催化剂是多价金属阳离子或H+的交换物,分子筛具有酸性和对分子大小的选择性,可以作为催化剂或载体使用。硅及铝原子通过氧构成氧环,氧环的大小决定沸石的细孔孔径。每个氧环的氧原子数目为4~12个。通常具有分子筛作用的有八元环(0.4~0.5nm)、十元环 (0.5~0.6nm) 及十二元环 (0.7~0.9nm)。
具有十二元氧环的有Y型分子筛 (x=3.1~6.0)和丝光沸石(x=9~11)。前者可用做裂化催化剂、双功能催化剂,后者可用作甲苯的歧化催化剂。
十元氧环的有ZSM-5、ZSM-11等部分 ZSM系列分子筛。
八元氧环的有A型分子筛(x=2)、T型分子筛及ZSM-34等。它们的孔很小,只有直链烃才能进入到细孔中。以分子筛为催化活性组分或主要活性组分的催化剂称为分子筛催化剂。分子筛具有离子交换性能、均一的分子大小的孔道、优异的酸催化活性、并有良好的热稳定性和水热稳定性。可制成对许多反应有高活性、高选择性的催化剂。
分子筛在化学工业、石油工业和其他有关部门及实验中广泛作为固体吸附剂。经适当处理(如加热)可使被吸附的物质解吸,此过程称为“再生”,因而分子筛可重复使用。分子筛用于气体和液体的干燥和化合物脱水(脱去结晶水,或化合物分子中相近两个原子上的羟基和氢原子以水的形式脱去)。选择适当孔径的分子筛可吸附混合物中特定的物质,以达到分离或纯化目的。
以分子筛为活性组分的催化剂称分子筛催化剂。工业上用量最大的分子筛催化剂是石油炼制工业中的裂化催化剂。此外还有催化有机合成及其他性能的催化剂。分子筛催化剂通常只含5~15%的分子筛,其余部分为基质。基质常由难熔无机氧化物或其混合物和粘土组成。分子筛通式中的M通常为Na+、K+、Ca2+,这些离子可以部分或全部被半径小、电荷多的金属离子取代,这样骨架结构基本不变,但对分子筛的性能有很大影响,可使它具有特定的催化性。近年将其他原子(如镓、锗、铁、硼、磷、铬、钒、钼和砷等)引入分子筛的硅铝骨架中取代(或部分取代)硅或铝,所形成的杂原子分子筛具有某些特殊的催化性能。1982年报道了磷酸铝分子筛系列的合成,1984年又出现了含硅磷酸铝的分子筛系列。分子筛还可用于汽油、喷气燃料及柴油等的脱蜡操作,称分子筛脱蜡。
本信息由ChemicalBook的晓楠编辑整理。
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