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,如阳离子交换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。
沸石分子筛具有特的规整晶体结构,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。
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。
分子筛的骨架结构由初级结构单元进行有限或者无限的连接后而形成的。有限的结构单元,如次级结构单元通常是指由TO4四面体通过共同使用的氧原子,从而按照不同的连接方式组成的多元环结构,比较常见的环结构如四元环、五元环、六元环、双四元环和双六元环。现在所发现的为18种次级结构单元。例如4-4次级结构单元,它所代表的的是两个四元环,即双四元环。正如我们所熟知的A型分子筛,它就是通过SOD笼与双四元环之间进行连接从而形成了沸石分子筛。当然我们所说的SBU只是在理论意义上的拓扑单元,是为了更好的理解和解释沸石分子筛的结构,不能这样就认为是沸石分子筛晶化过程的真实物种。
SOD笼间通过本身的共面连接形成的是SOD沸石分子筛;SOD笼间通过双四元环的连接,形成的是LTA型分子筛;SOD笼间通过双六元环的连接,形成的是FAU和EMT沸石分子筛。
另外,在沸石分子筛骨架结构中,常会发现一些特征的链和二维三连接的网层结构以及周期性结构单元(PBU)。我们为常见的五种链状结构为是Pentasil链、双锯齿形链、双之字形链、双机轴链和短柱石链。由边共享的笼所组成的Pentasil链是高硅沸石分子筛家族的一个特征链。具有代表性的,MFI的骨架结构就是由Pentasil链构成。平行堆积的二维三连接网层通过上下取向的三连接顶点间相互连接形成三维四连接的骨架结构。例如,GIS类型骨架结构是由4.82二维网层结构上下连接而成。
对于沸石分子筛的形成及其生长机理的深入研究有助于人们更好的设计合成新型沸石分子筛拓扑结构、扩展沸石分子筛材料合成新路线、开发沸石分子筛材料的新性质及新用途。尽管沸石分子筛的发展已经有许多年了,但是对于它的合成机理方面一直未有一个真正的定论。研究分子筛的晶化机理即具有十分重要的理论意义,也对合成新型的沸石分子筛合成具有实际的指导意义。目前具有代表性的为固相转变机理(Solid hydrogel Transformation mechanism)、液相转变机理(Solution-mediated Transport mechanism)和双相转变机理这三种机理。
初始凝胶的配比往往能够决定终产物的类型。初投料的反应物的不同会导致后的生成物的完全不同,如,阳离子不同可以导致分子筛产物的不同,钠离子容易导向LTA、CAN、FAU、GIS等分子筛骨架的生成;而钾离子则容易导向LTL、CHA、ERI等类型的分子筛骨架。即使初的反应物相同只是反应物含量有微少的差别也极有可能得到不同的物相,如碱度对分子筛合成体系的影响。另外当所有物料比例都相同,只是简单的使用不同的硅源也有可能导致分子筛晶体大小、形貌、甚至骨架类型的改变。当我们用相图来表述整个物料时,从中可以发现许多结构只能在一个特定的区域里得到。有时由于过于多的影响因素,只能选择一两个变量来作图。另外,投料时的加料顺序,人为操作对于分子筛的合成也是一个影响因素。 [5]
分子筛的回收方法多种多样,主要包括以下几种:
热解法
原理:将废旧分子筛加入有机溶剂中,并在高温下进行脱模,从而得到干净的分子筛。
特点:适用于大批量的分子筛回收,热解。但过程中会产生一定的有机废水和固体废弃物,需要妥善处理。
气流冷却法
原理:将使用过的分子筛在空气中进行热解,然后通过气流将产生的分子筛碎片和颗粒收集起来进行回收和处理。
特点:回收,处理过程简单。但高温热解过程可能释放有害气体,需要采取防护措施。
溶剂萃取法
原理:利用溶剂将分子筛溶解,然后从溶液中分离和收集分子筛。
特点:操作简单易行,适用于分子筛稳定性和可溶性较高的情况。但需注意溶剂对环境的影响和回收成本。
回收分子筛的市场现状
目前,市场上已经有多家企业和机构从事分子筛的回收工作。这些企业和机构通过不同的回收方法和处理技术,将废旧分子筛转化为有价值的资源。同时,随着环保意识的提高和资源循环利用的重视,分子筛回收市场有望进一步扩大和发展。