分子篩是指具有均勻的微孔,其孔徑與一般分子大小相當(dāng)?shù)囊活?lèi)物質(zhì)。分子篩回收的應(yīng)用非常廣泛,可以作干燥劑、選擇性吸附劑、催化劑、離子交換劑等,但是使用化學(xué)原料合成分子篩的成本很高。常用分子篩為結(jié)晶態(tài)的硅酸鹽或硅鋁酸鹽,是由硅氧四面體或鋁氧四面體通過(guò)氧橋鍵相連而形成分子尺寸大小(通常為0.3~2 nm)的孔道和空腔體系,因吸附分子大小和形狀不同而具有篩分大小不同的流體分子的能力。
分子篩對(duì)物質(zhì)的吸附來(lái)源于物理吸附,其晶體孔穴內(nèi)部有很強(qiáng)的極性和庫(kù)侖場(chǎng),對(duì)極性分子(如水)和不飽和分子表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸附能力。分子篩回收的孔徑分布非常均一,只有分子直徑小于孔穴直徑的物質(zhì)才可能進(jìn)入分子篩的晶穴內(nèi)部。通過(guò)吸附的順序和尺寸大小來(lái)區(qū)分不同物質(zhì)的分子,所以被形象的稱(chēng)為“分子篩”。
分子篩的過(guò)渡態(tài)限制的選擇性是指有些反應(yīng),其反應(yīng)物分子和產(chǎn)物分子都不受催化劑窗口孔徑擴(kuò)散的限制,只是由于需要內(nèi)孔或籠腔有較大的空間,才能形成相應(yīng)的過(guò)渡態(tài),不然就受到限制使該反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行;相反,有些反應(yīng)只需要較小空間的過(guò)渡態(tài)就不受這種限制,這就構(gòu)成了限制過(guò)渡態(tài)的擇形催化,大優(yōu)點(diǎn)是阻止結(jié)焦。因?yàn)檩^其他分子篩具有較小的內(nèi)孔,不利于焦生成的前驅(qū)物聚合反應(yīng)需要的大的過(guò)渡態(tài)形成。因而比別的分子篩和無(wú)定形催化劑具有更長(zhǎng)的壽命。
分子篩催化劑可以分為以下幾點(diǎn):酸催化劑,利用分子篩的表面酸性進(jìn)行催化反應(yīng); 雙功能催化劑,分子篩可以負(fù)載鉑、鈀類(lèi)的金屬,得到兼有金屬催化功能和酸催化功能的雙功能分子篩催化劑; 擇形催化劑,由于分子篩的催化作用一般發(fā)生在晶體內(nèi)空間,分子篩的孔徑大小和孔道結(jié)構(gòu)對(duì)催化活性和選擇性有很大的影響。分子篩具有規(guī)整而均勻的晶內(nèi)孔道,而且孔徑大小接近于分子尺寸,使分子篩的催化性能隨反應(yīng)物分子、產(chǎn)物分子或反應(yīng)中間物的幾何尺寸的變化而顯著變化。
分子篩可用于脫水:利用低硅鋁比的沸石分子篩的極性親水性,可以進(jìn)行空氣的干燥。另外近年來(lái)將乙醇摻入汽油中替代部分汽油受到廣泛重視,作為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,使得通過(guò)精餾只能得到 95%的乙醇,對(duì)于含水量較低的乙醇脫水,沸石分子篩吸附脫水是優(yōu)的選擇; 此方法中應(yīng)用的沸石分子篩是A 或X型,而KA 型好,這一方面利用了 A型沸石分子篩的極性,另一方面由于KA沸石分子篩的孔道直徑約 0.3nm,水分子可自由進(jìn)入,而乙醇分子直徑大于 0.3nm 不能進(jìn)入沸石分子篩的孔道。
分子篩在相對(duì)濕度30% 時(shí)分子篩的吸水量比硅膠,活性氧化鋁都高。隨著相對(duì)濕度的降低,分子篩的性越發(fā)顯著,而硅膠,活性氧化鋁隨著濕度的增加,吸附量不斷增加,在相對(duì)濕度很低時(shí),它們的吸附量很少;分子篩是可用的高溫吸附劑。在100 ℃和1.3 %相對(duì)濕度時(shí)分子篩可吸附15%重量的水分,比相同條件下活性氧化鋁的吸水量大10倍;而比硅膠大20倍以上。所以在較高的溫度下,分子篩仍能吸附相當(dāng)數(shù)量的水分,而活性氧化鋁,特別是硅膠,大大喪失了吸附能力。