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    新聞資訊

    分子篩結構及性能原理

      一、分子篩的結構詳解

      自然界中存在一種天然硅鋁酸鹽,它們具有篩分分子、吸附、離子交換和催化作用。這種天然物質稱為沸石,根據沸石的結構,人工合成的沸石稱為分子篩。

      分子篩的化學組成通式為:

      (M)2/nO· Al2O3·xSiO2·pH2O

      M代表金屬離子(人工合成時通常為Na);

      n代表金屬離子價數;

      x代表SiO2的摩爾數,也稱為硅鋁比;

      p代表水的摩爾數;

      分子篩骨架的最基本結構是 SiO4和AlO4四面體,構成初級結構單元:

      初級結構單元通過共有的氧原子結合而形成三維網狀結構的結晶,即分子篩的骨架結構,

      由四個四面體構成四圓環,五個四面體構成五元環,六個四面體構成六圓環,以此類推。

      四面體通過氧橋相互連接形成多元環,而各種不同的多元環通過氧橋相互連接,形成具有三維空間的多面體,這些多面體是中空的籠狀,故又稱為籠。

      孔口是空穴與外部或其他空穴相連的部位,各種晶體或流體分子能否進去到沸石晶體內部,是由主孔口的有效孔徑控制的。

      孔道是沸石內部由孔穴孔口相互連接形成的通道。

      沸石分子篩的籠是三維空間的多面體,是構成分子篩的主要結構單元。

      最終組成沸石分子篩

      這種結合形式,構成了具有分子級、孔徑均勻的空洞及孔道。由于結構不同,形式不同,“籠”形的空間孔洞分為α、β、γ、六方柱、八面沸石等 “籠”的結構。

      二、分子篩的性能原理

      1、吸附性能

      沸石分子篩的吸附是一種物理變化過程。產生吸附的原因主要是分子引力作用在固體表面產生的一種“表面力”,當流體流過時,流體中的一些分子由于做不規則運動而碰撞到吸附劑表面,在表面產生分子濃聚,使流體中的這種分子數目減少,達到分離、清除的目的。

      由于吸附不發生化學變化,只要設法將濃聚在表面的分子趕跑,沸石分子篩就又具有吸附能力,這一過程是吸附的逆過程,叫解析或再生。

      由于沸石分子篩孔徑均勻,只有當分子動力學直徑小于沸石分子篩孔徑時才能很容易進入晶穴內部而被吸附,所以沸石分子篩對于氣體和液體分子就猶如篩子一樣,根據分子的大小來決定是否被吸附。

      由于沸石分子篩晶穴內還有著較強的極性,能與含極性基團的分子在沸石分子篩表面發生強的作用,或是通過誘導使可極化的分子極化從而產生強吸附。

      這種極性或易極化的分子易被極性沸石分子篩吸附的特性體現出沸石分子篩的又一種吸附選擇性。

      2、離子交換性能

      通常所說的離子交換是指沸石分子篩骨架外的補償陽離子的交換。沸石分子篩骨架外的補償離子一般是質子和堿金屬或堿土金屬,它們很容易在金屬鹽的水溶液中被離子交換成各種價態的金屬離子型沸石分子篩。

      離子在一定的條件下,如水溶液或受較高溫度時比較容易遷移。在水溶液中,由于沸石分子篩對離子選擇性的不同,則可表現出不同的離子交換性質。金屬陽離子與沸石分子篩的水熱離子交換反應是自由擴散過程。擴散速度制約著交換反應速度。

      通過離子交換可以改變沸石分子篩孔徑的大小,從而改變其性能,達到擇形吸附分離混合物的目的。

      沸石分子篩經離子交換后,陽離子的數目、大小和位置發生改變,如高價陽離子交換低價陽離子后使沸石分子篩中的陽離子數目減少,往往造成位置空缺使其孔徑變大;而半徑較大的離子交換半徑較小的離子后,則易使其孔穴受到一定的阻塞,使有效孔徑有所減小。

      3、催化性能

      沸石分子篩具有獨特的規整晶體結構,其中每一類都具有一定尺寸、形狀的孔道結構,并具有較大比表面積。

      大部分沸石分子篩表面具有較強的酸中心,同時晶孔內有強大的庫侖場起極化作用。這些特性使它成為性能優異的催化劑。

      多相催化反應是在固體催化劑上進行的,催化活性與催化劑的晶孔大小有關。沸石分子篩作為催化劑或催化劑載體時,催化反應的進行受到沸石分子篩晶孔大小的控制。晶孔和孔道的大小和形狀都可以對催化反應起著選擇性作用。在一般反應條件下沸石分子篩對反應方向起主導作用,呈現了擇形催化性能,這一性能使沸石分子篩作為催化新材料具有強大生命力。