山东源林：3A/4A/5A/13X分子筛特性介绍与用途

    源林硅瓷生产的分子筛

    分子筛是一种硅铝酸盐多微孔晶体，它具有均一的孔径和极高的比表面积、热稳定性好、吸附性能强、内表面积大、强度高等特点。分子筛由于其用途的不同，因此分为：

    吸附脱水：3A、4A、5A、13X；

    气体吸附分离：4A、5A、13X；

    制氮制氧：碳分子筛、13-HP分子筛、锂分子筛；

    中空玻璃：中空玻璃分子筛；

    聚氨酯胶、塑料类脱水添加剂：分子筛活化粉。

    分子筛的主要特性

    1、分子筛对水或各种气，液态化合物可重复吸附和脱附。

    2、分子筛可以实现选择性吸附，即只吸附那些小于分子筛孔径的分子。

    3、对于小的不饱和极性分子，具有优异的选择吸附性能。不饱和度越高，极性越大，其吸附性越强。

    4、具有强烈的吸水性。哪怕在较高的温度、较大的空速和含水量较低的情况下，仍有相当高的吸水容量。

    实验表明分子筛对于水 、氨气 、硫化氢 、二氧化碳 等极性强分子具有很强的吸附力。特别对于水，在低分压、低浓度，高温（甚至在 100℃以上）等十分苛刻的条件下仍有很高的吸附量。

    1、低压或低浓度下的吸附

    在相对湿度30% 时分子筛的吸水量比硅胶 ,活性氧化铝都高。随着相对湿度的降低，分子筛的优越性越发显著。而硅胶，活性氧化铝随着湿度的降低，吸附量快速下降。

    2、高温吸附

    在较高的温度下，活性氧化铝，特别是硅胶，会几乎丧失吸附能力。

分子筛是唯一可用的高温吸附剂。在 100度和相对湿度1.3%时，分子筛吸水量还能达到 15%，比相同条件下活性氧化铝的吸水量大 10倍。

    分子筛的催化特性及相关解释

    分子筛具有均匀的孔结构，形成很大的表面积，而且表面极性很高，一些具有催化活性的金属可以，以极高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，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。

    1、分子筛的相关解释

    分子筛，常称沸石或沸石分子筛，按经典的定义为“ 是具有可以被很多大的离子和水分占据孔穴(道) 骨架结构的铝硅酸盐” 。照传统定义，分子筛是具有均一结构，能将不同大小分子分离或选择性反应的固体吸附剂或催化剂。狭义讲，分子筛是结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键连相连形成孔道和空隙体系，从而具有筛分分子的特性。基本可分为A、X、Y、M和ZSM几种型号，研究者常把它归属固体酸一类。

    2、分子筛催化剂的分类及其特点

    分子筛按孔道大小划分，分别有小于2nm、2-50nm和大于50nm的分子筛，它们分别称为微孔、介孔和大孔分子筛。分子筛根据孔径大小可分为微孔、介孔和大孔分子筛3 大类。微孔分子筛具有强酸性和高水热稳定性等优点和特殊“择形催化”性能，但也存在着孔径狭窄、扩散阻力大等缺点，从而大大限制了在大分子催化反应中的应用。介孔分子筛具有比表面积高、吸附容量大、孔径大等特点，在一定程度上解决了传质扩散限制问题，但其酸性较弱且水热稳定性较差，导致其工业应用受到了限制。为了解决上述问题，研究人员开发了多级孔分子筛，该分子筛结合了介孔和微孔分子筛的优点，在石油化工领域具有不可估量的应用前景。

    3、分子筛的催化特性

    （1）催化反应的活性要求：

    比表面积大，孔分布均匀，孔径可调变，对反应物和产物有良好的形状选择；结构稳定，机械强度高，可耐高温(400～600℃)，热稳定性很好，活化再生后可重复使用；对设备无腐蚀且容易与反应产物分离，生产过程中基本不产生“三废”，废催化剂处理简单，不污染环境。如择形催化的研究体系，几乎包括了全部的烃类转化和合成，还有醇类和其它含氮、氧、硫有机化合物以及生物质的催化转化，这些都为基础研究、应用研究和工业开发开辟了广阔的领域。一些含过渡金属的沸石分子筛不仅应用到传统的酸碱催化体系中，而且也应用到氧化一还原催化过程中。

    （2）沸石分子筛的高效催化

    对于工业催化所用的沸石分子筛而言，高性能是基本的要求和目标。催化材料活性中心的种类与数量，以及微孔扩散性能是影响其催化活性的内在本质因素。催化选择性则与微孔孔道的择形性、副反应的发生、各反应分子的扩散快慢有密切关系，寿命一直是衡量催化材料性能优劣的重要指标，如何尽可能地延长催化剂寿命是催化过程的永恒话题。在催化剂活性达到要求的前提下，失活催化剂如果容易再生，结构可恢复，即可以反复再生，然后配以合适的反应工艺，将可以达到延长催化剂寿命的目的。所以高性能不仅对沸石分子筛材料提出了更高的要求，而且需要催化材料与反应工艺、反应工程系统进行多尺度的结合与配合，最终使催化剂在工业化应用中实现高性能。

    4、分子筛的结构与其性能

    （1） 晶粒大小与形状的控制

    大多数沸石分子筛的孔道尺寸小于1nm，小分子有机物在分子筛孔道中反应时，扩散会受到一定的限制，从而影响其孔道利用率及催化性能。减小晶粒尺寸和改变晶粒形状是提高分子扩散性能和孔道利用率的手段，小晶粒或纳米分子筛比大晶粒分子筛孔道扩散路径短，其孔道利用率将大大提高，催化活性也将有提高。

    （2）多级孔复合

    目前报道的大部分介孔材料都存在着材料热稳定性较差、缺少一定强度的表面酸性中心及酸中心易流失等缺点，其主要原因是尽管上述材料具有有序的介孔孔道，但其骨架为无定形结构。沸石分子筛虽然具有良好的结构稳定性和较强的酸性中心，但存在分子扩散的限制，从而影响其催化反应的活性和选择性。而微孔与介孔或大孔的多级孔复合材料有望结合二者优点并在实际应用中发挥优势。多级孔沸石分子筛有望用于一些较大分子的催化反应及液相催化反应中。

    （3）共结晶分子筛

    共结晶分子筛的催化本质实际上是孔道与酸性的精细调变，它是实现提高催化剂性能的一种手段。结晶分子筛的催化性能有较大幅度的提高，例如ZSM-5/ZSM-11（MFI/MEL）共结晶分子筛应用于MTG反应时，可大范围调节汽油组分。

    （4）分子筛表面修饰与其水热稳定性提高

    热稳定性和水热稳定性是分子筛催化剂需要考察的重要性质之一，许多工业催化反应对催化剂的热稳定性，尤其是水热稳定性要求很高，它们往往是决定催化剂寿命和反应工艺选择的关键。以碳四烯烃催化裂解反应为例，由于该反应在水蒸气条件下进行，提高催化剂水热稳定性是碳四烯烃催化剂开发的关键。结果表明，通过对多孔材料催化活性中心进行磷氧化合物组装修饰、引入骨架杂原子等，可以提高催化材料在水蒸气条件下活性中心的稳定性。