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。
分子筛的主要结构:
分子筛的化学组成通式为:(M)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。
按催化性质,分子筛催化剂可以分为以下几点:
1、酸催化剂,利用分子筛的表面酸性进行催化反应;
2、双功能催化剂,分子筛可以负载铂、钯类的金属,得到兼有金属催化功能和酸催化功能的双功能分子筛催化剂;
3、择形催化剂,由于分子筛的催化作用一般发生在晶体内空间,分子筛的孔径大小和孔道结构对催化活性和选择性有很大的影响。分子筛具有规整而均匀的晶内孔道,而且孔径大小接近于分子尺寸,使分子筛的催化性能随反应物分子、产物分子或反应中间物的几何尺寸的变化而显著变化。
分子筛在干燥及净化领域的应用:
1、脱水:利用低硅铝比的沸石分子筛(如 A型,X型等)的极性亲水性,可以进行空气的干燥。另外近年来将乙醇掺入汽油中替代部分汽油受到广泛重视,作为燃料的乙醇要求其中的水含量低于 0.8%,而由于乙醇和水的共沸,使得通过精馏只能得到 95%的乙醇,对于含水量较低的乙醇脱水,沸石分子筛吸附脱水是优的选择;
此方法中应用的沸石分子筛是A 或X型,而KA 型好,这一方面利用了 A型沸石分子筛的极性,另一方面由于KA沸石分子筛的孔道直径约 0.3nm,水分子可自由进入,而乙醇分子直径大于 0.3nm 不能进入沸石分子筛的孔道。此种沸石分子筛脱水工艺是工业上生产燃料乙醇的工艺;
2、净化空气中的污染物:随着工业的迅速发展,H2S、SO2、NOX以及甲醛的排放量日益增多,造成的污染给人们的生活和环境带来了严重的危害。
分子筛的催化性能:
分子筛晶体具有均匀的孔结构,孔径的大小与通常分子相当;它们具有很大的表面积。而且表面极性很高;平衡骨架负电荷的阳离子,可进行离子交换;一些具有催化活性的金属也可以交换导入晶体,然后以的分散度还原为元素状态;同时分子筛骨架结构的稳定性很高。这些结构性质,使分子筛不仅成为优良的吸附剂,而且成为有效的催化剂和催化剂载体。
4A分子筛化学式:Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2H2O
硅铝比:SiO2/Al2O3≈2
有效孔径:约4