分子篩:矽鋁酸鹽化合物-中文百科頻道

介紹

概念

然而随着分子篩合成與應用研究的深入，研究者發現了磷鋁酸鹽類分子篩，并且分子篩的骨架元素（矽或鋁或磷）也可以由B、Ga、Fe、Cr、Ge、Ti、V、Mn、Co、Zn、Be和Cu等取代，其孔道和空腔的大小也可達到2nm以上，因此分子篩按骨架元素組成可分為矽鋁類分子篩、磷鋁類分子篩和骨架雜原子分子篩；按孔道大小劃分，孔道尺寸小于2nm、2~50nm和大于50nm的分子篩分别稱為微孔、介孔和大孔分子篩。

适用場合

主要用于汽車、建築玻璃、醫藥、油漆塗料、包裝等領域。

功能和特點

多孔材料在許多領域有着廣泛的應用，如微孔分子篩作為主要的催化材料、吸附分離材料和離子交換材料，在石油加工、石油化工、精細化工以及日用化工中起着越來越重要的作用。

分子篩（又稱合成沸石）是一種矽鋁酸鹽多微孔晶體。它是由矽氧、鋁氧四面體組成基本的骨架結構，在晶格中存在着金屬陽離子（如Na+，K+，Ca2+，Li+等），以平衡晶體中多餘的負電荷。分子篩的類型按其晶體結構主要分為：A型，X型，Y型等。

工作原理

吸附功能：分子篩對物質的吸附來源于物理吸附（範德華力），其晶體孔穴内部有很強的極性和庫侖場，對極性分子（如水）和不飽和分子表現出強烈的吸附能力。

篩分功能：分子篩的孔徑分布非常均一，隻有分子直徑小于孔穴直徑的物質才可能進入分子篩的晶穴内部。

通過吸附的優先順序和尺寸大小來區分不同物質的分子，所以被形象的稱為“分子篩”。

種類

分子篩有天然沸石和合成沸石兩種。①天然沸石大部分由火山凝灰岩和凝灰質沉積岩在海相或湖相環境中發生

反應而形成。目前已發現有1000多種沸石礦，較為重要的有35種，常見的有斜發沸石、絲光沸石、毛沸石和菱沸石等。主要分布于美、日、法等國，中國也發現有大量絲光沸石和斜發沸石礦床，日本是天然沸石開采量最大的國家。②因天然沸石受資源限制，從20世紀50年代開始，大量采用合成沸石（見表）。

商品分子篩常用前綴數碼将晶體結構不同的分子篩加以分類，如3A型、4A型、5A型分子篩。4A型即表中A類，孔徑4Å；。含Na+的A型分子篩記作Na-A，若其中Na+被K+置換，孔徑約為3Å；，即為3A型分子篩；如Na-A中有1/3以上的Na+被Ca2+置換，孔徑約為5Å；，即為5A型分子篩。

性能

分子篩為粉末狀晶體，有金屬光澤，硬度為3～5，相對密度為2～2.8，天然沸石有顔色，合成沸石為白色，不溶于水，熱穩定性和耐酸性随着SiO2/Al2O3組成比的增加而提高。分子篩有很大的比表面積，達300～1000m2/g，内晶表面高度極化，為一類高效吸附劑，也是一類固體酸，表面有很高的酸濃度與酸強度，能引起正碳離子型的催化反應。當組成中的金屬離子與溶液中其他離子進行交換時，可調整孔徑，改變其吸附性質與催化性質，從而制得不同性能的分子篩催化劑。

結構

由此構成的蛋白多糖聚合體曲折盤繞，形成多微孔的篩狀結構，稱為分子篩。分子篩隻允許小于其微孔的物質通過，對大于其微孔的大分子物質、細菌等則具有屏障作用。使基質成為限制細菌等有害物質擴散的防禦屏障。溶血性鍊球菌和癌細胞等能産生透明質酸酶，分解蛋白多糖，破壞基質結構，得以擴散。蛋白多糖聚合體上還結合着許多親水基團，能結合大量水分子，形成細胞外“儲水庫”。

分子篩是一種具有立方晶格的矽鋁酸鹽化合物。分子篩具有均勻的微孔結構，它的孔穴直徑大小均勻，這些孔穴能把比其直徑小的分子吸附到孔腔的内部，并對極性分子和不飽和分子具有優先吸附能力，因而能把極性程度不同，飽和程度不同，分子大小不同及沸點不同的分子分離開來，即具有“篩分”分子的作用，故稱分子篩。由于分子篩具有吸附能力高，熱穩定性強等其它吸附劑所沒有的優點，使得分子篩獲得廣泛的應用。

在生物大分子領域，常見的有bio-radSEC分子篩預裝柱。

美國科學家發現，通過調整溫度，能夠精确地控制一種钛矽酸鹽材料中的孔洞大小，制造出精密的新型分子篩。一些晶體材料内部有着大量均勻的微孔，尺寸比孔洞小的分子能夠穿過，而大分子不能穿過，因此可以起到分離不同分子的作用，這類材料被稱為分子篩。

其實在2001年科學家在英國《自然》雜志上報告說，他們發現一種稱為钛矽酸鹽ETS－4的物質能夠作為良好的分子篩。當溫度升高時，ETS－4會逐漸脫水，微孔的尺寸随之減小。利用這種方法，可以在3到4埃（1埃等于十億分之一米）的範圍内精細地調整微孔尺寸。

科學家說，一些常見分子如氮氣、甲烷、氧氣、氩氣和水分子等尺寸都在3至4埃左右，彼此大小相差無幾，用ETS－4制作的分子篩可以有效地将它們分開。研究人員已經嘗試用ETS－4從氮氣和甲烷混合物中将氮氣的含量由18%降到5%以下，并在分離氩氣與氧氣、氮氣與氧氣的實驗中也取得了成功。據認為這一技術将有重要的商業應用前景。