沸石分子筛的性能与应用

摘要：分子筛是一类具有均匀微孔，主要由硅、铝、氧及其它一些金属阳离子构成的吸附剂或薄膜类物质，其孔径与一般分子大小相当，据其有效孔径来筛分各种流体分子。沸石分子筛是具有分子筛作用的晶态硅铝酸盐。本文将论述其性能、应用、历史和发展前景。

关键词：沸石分子筛；性能；应用

沸石分子筛是指那些具有分子筛作用的天然及人工合成的晶态硅铝酸盐。沸石分子筛是一种无机晶体材料，因具有规整的孔道结构、较强的酸性和高的水热稳定性而广泛应用于催化、吸附和离子交换等领域中，并起着不可替代的作用。沸石分子筛由于其特有的结构和性能，已成为一门独立的学科，沸石分子筛的应用已遍及石油化工、环保、生物工程、食品工业、医药化工等领域。

一、沸石分子筛的性能

1、吸附性能

沸石分子筛的吸附是一种物理变化过程。产生吸附的原因主要是分子引力作用在固体表面产生的一种“表面力”，当流体流过时，流体中的一些分子由于做不规则运动而碰撞到吸附剂表面，在表面产生分子浓聚，使流体中的这种分子数目减少，达到分离、清除的目的。由于吸附不发生化学变化，只要设法将浓聚在表面的分子赶跑，沸石分子筛就又具有吸附能力，这一过程是吸附的逆过程，叫解析或再生。由于沸石分子筛孔径均匀，只有当分子动力学直径小于沸石分子筛孔径时才能很容易进入晶穴内部而被吸附，所以沸石分子筛对于气体和液体分子就犹如筛子一样，根据分子的大小来决定是否被吸附。由于沸石分子筛晶穴内还有着较强的极性，能与含极性基团的分子在沸石分子筛表面发生强的作用，或是通过诱导使可极化的分子极化从而产生强吸附。这种极性或易极化的分子易被极性沸石分子筛吸附的特性体现出沸石分子筛的又一种吸附选择性。

2、离子交换性能

通常所说的离子交换是指沸石分子筛骨架外的补偿阳离子的交换。沸石分子筛骨架外的补偿离子一般是质子和碱金属或碱土金属，它们很容易在金属盐的水溶液中被离子交换成各种价态的金属离子型沸石分子筛。离子在一定的条件下，如水溶液或受较高温度时比较容易迁移。

在水溶液中，由于沸石分子筛对离子选择性的不同，则可表现出不同的离子交换性质。金属阳离子与沸石分子筛的水热离子交换反应是自由扩散过程。扩散速度制约着交换反应速度。

3、催化性能

沸石分子筛具有独特的规整晶体结构，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优异的催化剂。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。

二、沸石分子筛的应用

1、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最优的选择。沸石分子筛脱水工艺是工业上生产燃料乙醇的首选工艺。

（2）污水处理

天然红辉沸石具有一定的离子交换和吸附性能，利用其性能可以从污水中吸附氨氮，从而达到净化污水的效果。天然红辉沸石经过特殊处理之后，可以形成分子筛，分子筛的离子交换与吸附性能远远高于天然沸石，这使其能够更好地吸附污水中的重金属离子及其他有害离子。因此，分子筛是处理污水的新型材料.

2、催化领域的应用

沸石分子筛具有复杂多变的结构和独特的孔道体系，是一种性能优良的催化剂。ZSM-5与Y型沸石分子筛共同作用应用于FCC反应，以获得较高产率的汽油、丙烯和丁烯。MCM-22沸石分子筛在烷基化反应上具有显著的优势，

3、石油化工工业

石油工业的催化裂化、加氢裂化、聚合、重整、加氢脱蜡、歧化、异构化、烷基化、烷基转移、烯烃制汽油、烯烃裂解、苯与乙烯或丙烯烷基化、低碳烷烃和烯烃芳构化等炼油与石油化工过程， 以及选择氧化、甲醇制烯烃、甲醇制汽油等精细化工或煤化工工艺过程都离不开沸石分子筛。

4、畜牧业生产

分子筛独特的结构决定了其有良好的吸附性能和离子交换性能，利用分子筛为载体，吸附接枝抗菌物质制成饲料添加剂，可以增加抗菌剂的缓释能力，提高抗菌剂利用效率，事半功倍。同时，分子筛自身也具有一定的杀菌能力，能提高牲畜的抗病能力，且分子筛无毒无害，性能稳定，不会被动物吸收。利用分子筛吸附二甲酸钾制得的分子筛抗菌剂能大幅度提高二甲酸钾的抑菌能力。

5、医药产业

利用分子筛良好的吸附性能和分散性能，可以作为药物的载体，对药物中的有效成分进行吸附接枝，可以提高药物的缓释性能，增强药效，延长药物作用的时间，且分子筛无毒无害，服用之后在人身体内不发生吸收，对身体无毒副作用。还可以载入特定病菌，有效地抑制细菌生长。沸石分子筛良好的离子交换性能可以吸附交换重金属离子，从而可以制备高度活性和耐久性的抗菌剂。

三、沸石分子筛的发展历史

1756年瑞典矿物学家克隆斯特在选矿时发现沸石。化学家发现沸石后在很长时间内用它做吸水剂，后来又发现沸石有交换离子的性质。

人们对于沸石分子筛的人工合成研究可追溯到20世纪40年代，Barrer等通过对天然矿物在热的盐溶液中相态转变的研究，首次实现了沸石分子筛的人工合成，自此揭开了人工合成沸石分子筛的序幕。

到50年代沸石用于核能废水中阳离子处理剂、工业废气的吸收剂和工业废水的净化剂等。50年代后期莫比尔实验室首先发现在沸石结构内部能进催化反应，这一发现标志着沸石催化研究的真正起点。

60年代苇茨和弗里莱特发现合成沸石的催化作用后沸石在催化领域的用途迅速扩大。由于分子筛的多样性和稳定性它的独特的选择与择形选择相结合的性能已经在吸附分离、催化及阳离子交换工业上广为应用。

分子筛催化很快发展成为催化领域中的一个专门分支学科。此阶段发展的中低硅铝比沸石被称为第一代分子筛。70年代莫比尔公司开发的以ZSM -5为代表的高硅三维交叉直通道的新结构沸石称之为第二代分子筛。年代联合碳化公司成功地开发了非硅、铝骨架的磷酸铝系列分子筛，这就是第三代分子筛。

四、发展前景

沸石分子筛作为一种重要的分离、吸附和催化材料，具有广泛的应用前景。随着科技的不断发展和工业化进程的加速，沸石分子筛的应用领域将会不断拓展。

1.环保领域：沸石分子筛可以用于废气净化、水处理和固体废物处理等领域，可以有效地去除有害物质，保护环境。

2.能源领域：沸石分子筛可以用于石油和天然气的分离和提纯，也可以用于催化反应，提高能源利用效率。

3.化学工业领域：沸石分子筛可以用于合成高附加值的有机化合物，也可以用于催化反应，提高化学反应的效率和选择性。

4.生物医药领域：沸石分子筛可以用于制备药物、分离和纯化生物大分子，也可以用于生物反应器中的固定化细胞和酶。

综上所述，沸石分子筛具有广泛的应用前景，随着科技的不断发展和工业化进程的加速，其应用领域将会不断拓展。随着国民经济各行业的发展，沸石分子筛的应用前景日益广阔。

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