什么是分子篩？

分子篩材料對(duì)極性分子、飽和分子有優(yōu)先選擇性吸附的能力，從而把極性程度、飽和度、分子直徑不同及熱穩(wěn)定性不同的分子篩出來，具有分離吸附分子的“篩分”作用，所以稱之為分子篩。

沸石分子篩的晶體結(jié)構(gòu)較為獨(dú)特、規(guī)整，而且在其同類沸石分子篩中每一類的孔道結(jié)構(gòu)都有自己的大小、相對(duì)比表面積和不同形狀。大多數(shù)的沸石分子篩能成為優(yōu)勢(shì)性能顯著的固體酸催化劑。主要因?yàn)樗休^強(qiáng)的酸中心和強(qiáng)大的極性作用，獨(dú)特的根據(jù)孔道結(jié)構(gòu)選擇性催化以及較強(qiáng)的吸附能力和分離能力等獨(dú)特性能。此外，氧化還原催化劑和雙功能催化劑的原料可用含有可變價(jià)元素的分子篩。沸石分子篩的出現(xiàn)使得石油化工行業(yè)有了技術(shù)性的進(jìn)步。

分子篩的種類都有哪些？

目前，通過人工合成的結(jié)晶分子篩已經(jīng)有上百種。一般使用的沸石分子篩的孔道尺寸分為三種，其中孔徑小于2nm的分子篩為微孔分子篩、孔徑大于2nm而小于50nm的分子篩為介孔分子篩、孔徑大于50nm的分子篩為大孔分子篩，這也是根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)的定義來劃分的。目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還沒有很明確，若按組成元素的骨架成分來區(qū)分，也可分為雜原子骨分子篩、硅鋁類和磷鋁類等分子篩。

工業(yè)上應(yīng)用最廣、用量最大的分子篩催化劑有A型，X型，Y型，絲光沸石，ZSM型及SAPO型等。 

01

A型分子篩

A型分子篩其內(nèi)部具有較大比表面積，其結(jié)構(gòu)是由三維孔體系構(gòu)成，孔道內(nèi)庫倫電場(chǎng)力強(qiáng)。A型分子篩是良好的選擇性吸附劑、離子交換劑和催化劑，并且其吸水、親水性強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)不同分子篩的孔徑大小，可分為3A、4A、5A型，并主要應(yīng)用在石油化工行業(yè)中的正異構(gòu)烷烴和氧氮的分離，氨分解氣體和石油天然氣等其他工業(yè)氣體及液體的干燥劑等。

3A分子篩的孔徑約為0.3nm，主要用于吸附，不吸附直徑大于0.3nm的分子。其特點(diǎn)是可多次再生使用，高度抗污染，吸附速度快，并且抗碎力強(qiáng)等，這些特點(diǎn)提高了分子篩的利用效率，并延長了它的使用壽命。3A分子篩是石油、化工行業(yè)中，氣、液的深度聚合、干燥、精煉等工藝所必需的干燥劑。例如各種液體（如乙醇）和制冷劑的干燥劑；氣體包括天然氣、甲烷的干燥劑；其它用于不飽和烴的裂解氣、乙烯、乙炔、丙烯、丁二烯的干燥劑。

4A分子篩的孔徑約為0.4nm，是堿金屬硅鋁酸鹽，在工業(yè)上主要用于吸附劑，也可用于一些特殊氣體和液體的提純和精煉。其特點(diǎn)是不吸附直徑大于4A分子篩的任何分子（包括丙烷），是工業(yè)上用量最大的干燥和吸附材料之一。相對(duì)于其它分子，其對(duì)水的選擇吸附性最強(qiáng)，其它分子包括甲醇、乙醇、硫化氫、二氧化硫、CO2、乙烯、丙烯等。4A分子篩主要用于深度干燥、靜態(tài)干燥、脫水劑和凈化等，在工業(yè)上也可用于飽和烴物料的干燥。4A型分子篩可吸附所有吸附于3A型分子篩上的分子。 

5A分子篩主要用于工業(yè)吸附劑，如空氣凈化過程中吸附水和二氧化碳。

02

X型分子篩

10X分子篩主要應(yīng)用在化工中的吸附劑和分離劑，用于芳烴和石蠟的精制。10X分子篩的有效孔徑約為9?。

13X分子篩主要應(yīng)用于用于大中型空分裝置原料氣體凈化，也可做為一般氣體的深度干燥，如天然氣、液態(tài)石油氣、液態(tài)烴等的干燥和脫硫。空氣分離裝置中吸附H2O、CO2及碳?xì)浠衔铩?/p>

03

Y型分子篩

Y型分子篩具有FAU拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是IZA（國際分子篩協(xié)會(huì)）認(rèn)證的213種分子篩結(jié)構(gòu)之一，也是目前工業(yè)上使用最廣泛的一種微孔分子篩。

Y型分子篩是由硅氧四面體或鋁氧四面體即SiO4或AlO4來構(gòu)成的，其初級(jí)結(jié)構(gòu)是通過四面體間共用的氧原子連接，在相連的頂點(diǎn)形成β籠結(jié)構(gòu)，每個(gè)β籠有通過雙六元環(huán)與其他β籠相連。六個(gè)氧橋?qū)⑾噜彽牧鶄€(gè)β籠連起來，圍城一個(gè)26面體籠，成為超籠。

由于Y型分子篩具有超大的內(nèi)孔徑，其超籠內(nèi)空腔的孔徑約1.3nm，而且其內(nèi)部環(huán)的孔口直徑約為0.74nm，并且是十二元環(huán)結(jié)構(gòu)。

Y型分子篩具有三維的孔道體系，使得它可以催化不同大小的有機(jī)分子，在其內(nèi)部的空腔和三維十二元環(huán)孔道體系內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)。由于Y型分子篩穩(wěn)定性高，活性好，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，從六十年代開始，Y型分子篩作為一種固體酸催化劑被廣泛應(yīng)用在石油催化裂化過程中，繼而引起了石油催化裂化領(lǐng)域的一次革命。

04

MOR型分子篩

MOR型分子篩，即絲光沸石。根據(jù)不同的孔徑，可以把MOR型分子篩分為SPM型和LPM型。

LPM型即大孔型絲光沸石分子篩，其孔徑約為0.7nm。

SPM型為小孔徑絲光沸石，其孔徑約為0.4nm。

絲光沸石分子篩有天然形成和人工合成兩種。大孔型LPM基本上都是天然絲光沸石，可以吸附大分子，如笨等。小孔型SPM分為天然和人工合成兩種。可根據(jù)硅鋁比不同，分為高硅和低硅。其中，高硅型具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，熱穩(wěn)定性可達(dá)1000℃以上。

小孔型高硅型絲光沸石分子篩其催化性能強(qiáng)，可選擇性吸附，并且其穩(wěn)定性可根據(jù)硅鋁比的不同而不同，可用于烷基轉(zhuǎn)移的催化反應(yīng)，是重要的催化材料。目前，有很多方式合成絲光沸石，如改性，改型和活化等。種類包括氫型、鈉型、按型、混合型等絲光沸石分子篩。

05

ZSM-5型分子篩

1972年，美國Mobile公司首次成功開發(fā)出了的ZSM-5分子篩。

ZSM-5被稱為第二代沸石是一種高硅鋁比、具有三維直通孔道結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽沸石分子篩，屬于中孔沸石。其結(jié)構(gòu)中的T-O鍵（T=Si，Al）組成的四面體，其內(nèi)表面具有很大的縫隙。

ZSM-5分子篩的晶體結(jié)構(gòu)中存在大量空穴，ZSM-5沒有籠，其中分布著可移動(dòng)的陽離子和水分子，這些分子可以進(jìn)一步連接成孔徑分布比較均勻的直形和正弦型孔道。所以ZSM-5分子篩在催化過程中不易產(chǎn)生積碳，并且具有優(yōu)良的耐酸性、疏水性、熱穩(wěn)定性、和水蒸氣穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

ZSM-5分子篩對(duì)水熱合成體系要求的相對(duì)靈活，其獨(dú)特的三維交叉孔道體系使其成為擇形催化的首選材料。

ZSM-5分子篩是石油加工和石油化工重要的催化材料之一。它的孔道結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性使反應(yīng)中對(duì)空間進(jìn)行了限制，又為反應(yīng)物和產(chǎn)物的充分催化提供了良好的空間條件。所以，

ZSM-5分子篩為制備活性高、選擇性好、壽命長和抗積碳失活性能優(yōu)良的工業(yè)催化劑，提供了晶體結(jié)構(gòu)方面的研究基礎(chǔ)。

自問世以來，ZSM-5分子篩已經(jīng)在煉油工業(yè)的轉(zhuǎn)化過程，如芳構(gòu)、異構(gòu)、烷基化、油品精制、柴油降凝、減少污染等過程中得到廣泛的應(yīng)用。

06

SAPO型分子篩

美國聯(lián)合碳化物公司在1982年首次制備出了20余種新型的分子篩，即AlPO-n分子篩。這一發(fā)明打破了傳統(tǒng)觀念中，沸石分子篩的結(jié)構(gòu)是由硅氧四面體和鋁氧四面體組成的這種不變的模式。由于磷酸鋁分子篩AlPO-n的骨架呈電中性，其結(jié)構(gòu)中呈負(fù)電性的AlO2-和呈正電性的PO2+四面體數(shù)目相等，所以分子篩表面的酸性較弱，無法產(chǎn)生更多的活性，所以影響了其催化反應(yīng)的效果。由于AlPO-n型分子篩在最基本的催化劑反應(yīng)中并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以它只能做為催化劑載體，從而在應(yīng)用方面沒有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

1984年Lok等人將硅元素引入了AlPO4分子篩的結(jié)構(gòu)中，制成了由SiO2、AlO2-、PO2+四面體組成的磷酸硅鋁(SAPO)分子篩。由于結(jié)構(gòu)中加入了硅，使原有骨架中的平衡被打破。

SAPO分子篩呈負(fù)電性，使其具有擇性和質(zhì)子酸性，其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和良好的熱穩(wěn)定性，使SAPO分子篩被使用于吸附劑和催化劑等化工材料。近年來，SAPO分子篩在國內(nèi)外受到廣泛重視，并且使其制備和應(yīng)用都得到了迅速發(fā)展。

分子篩在石化行業(yè)有哪些應(yīng)用？

分子篩問世以來的半個(gè)多世紀(jì)里，其相關(guān)技術(shù)發(fā)展主要應(yīng)用于滿足三大傳統(tǒng)領(lǐng)域的需要。首先在傳統(tǒng)石油、化工的催化過程，在日用品行業(yè)和煤礦及放射性行業(yè)廢氣、廢液處理需要的離子交換過程等等。

分子篩在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。在石化行業(yè)中主要應(yīng)用于石油裂解、乙烯、丙稀干燥、天然氣干燥和 CO2 脫附、加氫裂解提純等。

01

吸附劑

按功能來分，具有吸附能力的分子篩材料主要用于化工行業(yè)和環(huán)境凈化分離行業(yè)，以及干燥劑等相關(guān)領(lǐng)域。由于分子篩材料的物理吸附能對(duì)物質(zhì)進(jìn)行吸附，內(nèi)部孔腔有很強(qiáng)的極性和庫倫場(chǎng)，可以對(duì)極性分子和不飽合分子進(jìn)行吸附。吸附材料，用于工業(yè)與環(huán)境的分離與凈化、干燥領(lǐng)域。分子篩作為吸附劑可在廢水處理中脫除重金屬離子，處理有機(jī)廢水、改性后的分子篩可對(duì)水中的化合物進(jìn)行去除，并且效果良好。在氣體分離領(lǐng)域，分子篩吸附劑可用于變壓吸附制氮、CO2、氧氣等。分子篩吸附劑也是很好的油品清潔劑。

02

催化劑

具有催化功能的分子篩材料作為催化材料，主要用于石油化工行業(yè)、煤礦行業(yè)和精細(xì)化工行業(yè)。為了滿足石油煉制與加工、石油化工、煤化工與精細(xì)化工等領(lǐng)域工業(yè)催化過程的需耍，分子篩在催化劑方面需求量很大。

為使分子篩內(nèi)部能夠有效的容納分子，沸石分子篩的孔徑應(yīng)比反應(yīng)物分子大，但也不能超過一定范圍。使催化過程中經(jīng)過路易斯酸催化反應(yīng)發(fā)生，其中必須使用有效生成分子才能形成完整的催化過程。

03

離子交換劑

具有離子交換能力的分子篩材料主要用于洗滌劑行業(yè)、采礦業(yè)和廢棄物處理等相關(guān)行業(yè)。離子交換材料，應(yīng)用于洗滌劑工業(yè)，礦廠與放射性廢料及廢液的處理等等。

分子篩材料在以上幾個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域中已經(jīng)發(fā)揮了很大的作用，并且由于不斷研發(fā)改進(jìn)使得分子篩材料的種類已經(jīng)達(dá)到 100 多種。分子篩材料的元素組分與結(jié)構(gòu)多樣性使得分子篩材料尚有很大的發(fā)展空間。另外，由于本項(xiàng)技術(shù)用硅溶膠量較大，如果自產(chǎn)硅溶膠，則產(chǎn)品的成本方面會(huì)有一定的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。目前工業(yè)上已經(jīng)成為規(guī)模的分子篩材料有 LTA型、FAU 型、MOR 型、LTL 型等幾十種產(chǎn)品。