分子筛（硅铝酸盐化合物）

分子筛

硅铝酸盐化合物

1932年，McBain提出了“分子筛”的概念。分子筛是指具有均匀的微孔，其孔径与一般分子大小相当的一类物质。分子筛的应用非常广泛，可以作高效干燥剂、选择性吸附剂、催化剂、离子交换剂等，但是使用化学原料合成分子筛的成本很高。常用分子筛为结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小（通常为0.3~2nm）的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和形状不同而具有筛分大小不同的流体分子的能力。

介绍

概念

然而随着分子筛合成与应用研究的深入，研究者发现了磷铝酸盐类分子筛，并且分子筛的骨架元素（硅或铝或磷）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达到2nm以上，因此分子筛按骨架元素组成可分为硅铝类分子筛、磷铝类分子筛和骨架杂原子分子筛；按孔道大小划分，孔道尺寸小于2nm、2~50nm和大于50nm的分子筛分别称为微孔、介孔和大孔分子筛。

适用场合

主要用于汽车、建筑玻璃、医药、油漆涂料、包装等领域。

功能和特点

多孔材料在许多领域有着广泛的应用，如微孔分子筛作为主要的催化材料、吸附分离材料和离子交换材料，在石油加工、石油化工、精细化工以及日用化工中起着越来越重要的作用。

分子筛（又称合成沸石）是一种硅铝酸盐多微孔晶体。它是由硅氧、铝氧四面体组成基本的骨架结构，在晶格中存在着金属阳离子（如Na+，K+，Ca2+，Li+等），以平衡晶体中多余的负电荷。分子筛的类型按其晶体结构主要分为：A型，X型，Y型等。

工作原理

吸附功能：分子筛对物质的吸附来源于物理吸附（范德华力），其晶体孔穴内部有很强的极性和库仑场，对极性分子（如水）和不饱和分子表现出强烈的吸附能力。

筛分功能：分子筛的孔径分布非常均一，只有分子直径小于孔穴直径的物质才可能进入分子筛的晶穴内部。

通过吸附的优先顺序和尺寸大小来区分不同物质的分子，所以被形象的称为“分子筛”。

种类

分子筛有天然沸石和合成沸石两种。①天然沸石大部分由火山凝灰岩和凝灰质沉积岩在海相或湖相环境中发生

反应而形成。目前已发现有1000多种沸石矿，较为重要的有35种，常见的有斜发沸石、丝光沸石、毛沸石和菱沸石等。主要分布于美、日、法等国，中国也发现有大量丝光沸石和斜发沸石矿床，日本是天然沸石开采量最大的国家。②因天然沸石受资源限制，从20世纪50年代开始，大量采用合成沸石（见表）。

商品分子筛常用前缀数码将晶体结构不同的分子筛加以分类，如3A型、4A型、5A型分子筛。4A型即表中A类，孔径4Å；。含Na+的A型分子筛记作Na-A，若其中Na+被K+置换，孔径约为3Å；，即为3A型分子筛；如Na-A中有1/3以上的Na+被Ca2+置换，孔径约为5Å；，即为5A型分子筛。

性能

分子筛为粉末状晶体，有金属光泽，硬度为3～5，相对密度为2～2.8，天然沸石有颜色，合成沸石为白色，不溶于水，热稳定性和耐酸性随着SiO2/Al2O3组成比的增加而提高。分子筛有很大的比表面积，达300～1000m2/g，内晶表面高度极化，为一类高效吸附剂，也是一类固体酸，表面有很高的酸浓度与酸强度，能引起正碳离子型的催化反应。当组成中的金属离子与溶液中其他离子进行交换时，可调整孔径，改变其吸附性质与催化性质，从而制得不同性能的分子筛催化剂。

结构

由此构成的蛋白多糖聚合体曲折盘绕，形成多微孔的筛状结构，称为分子筛。分子筛只允许小于其微孔的物质通过，对大于其微孔的大分子物质、细菌等则具有屏障作用。使基质成为限制细菌等有害物质扩散的防御屏障。溶血性链球菌和癌细胞等能产生透明质酸酶，分解蛋白多糖，破坏基质结构，得以扩散。蛋白多糖聚合体上还结合着许多亲水基团，能结合大量水分子，形成细胞外“储水库”。

分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物。分子筛具有均匀的微孔结构，它的孔穴直径大小均匀，这些孔穴能把比其直径小的分子吸附到孔腔的内部，并对极性分子和不饱和分子具有优先吸附能力，因而能把极性程度不同，饱和程度不同，分子大小不同及沸点不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称分子筛。由于分子筛具有吸附能力高，热稳定性强等其它吸附剂所没有的优点，使得分子筛获得广泛的应用。

在生物大分子领域，常见的有bio-radSEC分子筛预装柱。

美国科学家发现，通过调整温度，能够精确地控制一种钛硅酸盐材料中的孔洞大小，制造出精密的新型分子筛。一些晶体材料内部有着大量均匀的微孔，尺寸比孔洞小的分子能够穿过，而大分子不能穿过，因此可以起到分离不同分子的作用，这类材料被称为分子筛。

其实在2001年科学家在英国《自然》杂志上报告说，他们发现一种称为钛硅酸盐ETS－4的物质能够作为良好的分子筛。当温度升高时，ETS－4会逐渐脱水，微孔的尺寸随之减小。利用这种方法，可以在3到4埃（1埃等于十亿分之一米）的范围内精细地调整微孔尺寸。

科学家说，一些常见分子如氮气、甲烷、氧气、氩气和水分子等尺寸都在3至4埃左右，彼此大小相差无几，用ETS－4制作的分子筛可以有效地将它们分开。研究人员已经尝试用ETS－4从氮气和甲烷混合物中将氮气的含量由18%降到5%以下，并在分离氩气与氧气、氮气与氧气的实验中也取得了成功。据认为这一技术将有重要的商业应用前景。

干燥技术

微波干燥技术解决了传统干燥分子筛中干燥速度缓慢，能量损耗大，产品品质差的问题，具体表现在：

1、微波干燥分子筛速度快，一般几分钟就可达到微波干燥目的；

2、微波干燥分子筛均匀，实现深度干燥，产品品质好；

3、静态干燥，不烧带，粉尘少；

4、非接触式干燥，避免了对分子筛的污染；

5、微波干燥分子筛工艺安全、节能、环保使用电能，内外同时干燥，比电热干燥节能50%以上；

6、缩短生产周期，极大的减少生产流动资金占用；

7、微波干燥设备箱体温度在40℃以下，改善工人工作环境；

8、设备操作简单方便。

参考资料

1.分子筛·贤集网