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一种人工合成的具有筛选分子作用的水合硅铝酸盐(泡沸石)或天然沸石。其化学通式为(M′2M)O·Al2O3·xSiO2·yH2O，M′、M分别为一价、二价阳离子如K 、Na 和Ca22 、Ba22 等。它在结构上有许多孔径均匀的孔道和排列整齐的孔穴，不同孔径的分子筛把不同大小和形状分子分开。根据SiO2和Al2O3的分子比不同，得到不同孔径的分子筛。其型号有：3A(钾A型)、4A(钠A型)、5A(钙A型)、10Z(钙Z型)、13Z(钠Z型)、Y(钠Y型)、钠丝光沸石型等。它的吸附能力高、选择性强、耐高温。广泛用于有机化工和石油化工，也是煤气脱水的优良吸附剂。在废气净化上也日益受到重视。自然界中存在一种天然硅铝酸盐，它们具有筛分分子、吸附、离子交换和催化作用。这种天然物质称为沸石，人工合成的沸石也称为分子筛。

分子筛的化学组成通式为：(M)_2/nO· Al₂O₃·xSiO₂·pH₂O，M代表金属离子(人工合成时通常为Na)，n代表金属离子价数， x代表SiO₂的摩尔数，也称为硅铝比，p代表水的摩尔数。分子筛骨架的最基本结构是 SiO₄和AlO₄四面体，通过共有的氧原子结合而形成三维网状结构的结晶。这种结合形式，构成了具有分子级、孔径均匀的空洞及孔道。由于结构不同，形式不同，“笼”形的空间孔洞分为α、β、γ、六方柱、八面沸石等 “笼”的结构。

由于AlO₄四面体具有一个负电荷，可以结合钠等离子，成为电中性。在水溶液中，Na 很容易与其他阳离子交换。大多数分子筛催化剂是多价金属阳离子或H的交换物，分子筛具有酸性和对分子大小的选择性，可以作为催化剂或载体使用。高二氧化硅沸石对有机基团表现出很高的亲和力，相比之下，低二氧化硅沸石由于具有Lewis和Bronsted酸特性而表现出亲水性。

铝原子通过氧构成氧环，氧环的大小决定沸石的细孔孔径。每个氧环的氧原子数目为4～12个。通常具有分子筛作用的有八元环(0.4～0.5nm)、十元环 (0.5～0.6nm) 及十二元环 (0.7～ 0. 9nm)。
　　具有十二元氧环的有Y型分子筛 (x= 3.1～6.0)和丝光沸石(x=9～11)。前者可用做裂化催化剂、双功能催化剂，后者可用作甲苯的歧化催化剂。

十元氧环的有ZSM-5、ZSM-11等部分 ZSM系列分子筛。

八元氧环的有A型分子筛(x=2)、T型分子筛及ZSM-34等。它们的孔很小，只有直链烃才能进入到细孔中。以分子筛为催化活性组分或主要活性组分的催化剂称为分子筛催化剂。分子筛具有离子交换性能、均一的分子大小的孔道、优异的酸催化活性、并有良好的热稳定性和水热稳定性。可制成对许多反应有高活性、高选择性的催化剂。^[3]

按催化性质，分子筛催化剂可以分为以下几点：

(1) 酸催化剂，利用分子筛的表面酸性进行催化反应。

(2)双功能催化剂，分子筛可以负载铂、钯类的金属，得到兼有金属催化功能和酸催化功能的双功能分子筛催化剂。

(3) 择形催化剂，由于分子筛的催化作用一般发生在晶体内空间，分子筛的孔径大小和孔道结构对催化活性和选择性有很大的影响。分子筛具有规整而均匀的晶内孔道，而且孔径大小接近于分子尺寸，使分子筛的催化性能随反应物分子、产物分子或反应中间物的几何尺寸的变化而显著变化。 ^[3]

沸石分子筛的吸附是一种物理变化过程。产生吸附的原因主要是分子引力作用在固体表面产生的一种“表面力”，当流体流过时，流体中的一些分子由于做不规则运动而碰撞到吸附剂表面，在表面产生分子浓聚，使流体中的这种分子数目减少，达到分离、清除的目的。

由于吸附不发生化学变化，只要设法将浓聚在表面的分子赶跑，沸石分子筛就又具有吸附能力，这一过程是吸附的逆过程，叫解析或再生。

由于沸石分子筛孔径均匀，只有当分子动力学直径小于沸石分子筛孔径时才能很容易进入晶穴内部而被吸附，所以沸石分子筛对于气体和液体分子就犹如筛子一样，根据分子的大小来决定是否被吸附。

由于沸石分子筛晶穴内还有着较强的极性，能与含极性基团的分子在沸石分子筛表面发生强的作用，或是通过诱导使可极化的分子极化从而产生强吸附。

这种极性或易极化的分子易被极性沸石分子筛吸附的特性体现出沸石分子筛的又一种吸附选择性。^[4]

离子交换性能

通常所说的离子交换是指沸石分子筛骨架外的补偿阳离子的交换。沸石分子筛骨架外的补偿离子一般是质子和碱金属或碱土金属，它们很容易在金属盐的水溶液中被离子交换成各种价态的金属离子型沸石分子筛。

离子在一定的条件下，如水溶液或受较高温度时比较容易迁移。在水溶液中，由于沸石分子筛对离子选择性的不同，则可表现出不同的离子交换性质。金属阳离子与沸石分子筛的水热离子交换反应是自由扩散过程。扩散速度制约着交换反应速度。

通过离子交换可以改变沸石分子筛孔径的大小，从而改变其性能，达到择形吸附分离混合物的目的。

沸石分子筛经离子交换后，阳离子的数目、大小和位置发生改变，如高价阳离子交换低价阳离子后使沸石分子筛中的阳离子数目减少，往往造成位置空缺使其孔径变大；而半径较大的离子交换半径较小的离子后，则易使其孔穴受到一定的阻塞，使有效孔径有所减小。^[4]

催化性能

沸石分子筛具有独特的规整晶体结构，其中每一类都具有一定尺寸、形状的孔道结构，并具有较大比表面积。

大部分沸石分子筛表面具有较强的酸中心，同时晶孔内有强大的库仑场起极化作用。这些特性使它成为性能优异的催化剂。

多相催化反应是在固体催化剂上进行的，催化活性与催化剂的晶孔大小有关。沸石分子筛作为催化剂或催化剂载体时，催化反应的进行受到沸石分子筛晶孔大小的控制。晶孔和孔道的大小和形状都可以对催化反应起着选择性作用。在一般反应条件下沸石分子筛对反应方向起主导作用，呈现了择形催化性能，这一性能使沸石分子筛作为催化新材料具有强大生命力。^]

沸石分子筛的应用

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干燥及净化领域的应用

（1）脱水。利用低硅铝比的沸石分子筛（如 A型，X型等）的极性亲水性，可以进行空气的干燥。另外近年来将乙醇掺入汽油中替代部分汽油受到广泛重视，作为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，使得通过精馏只能得到 95%的乙醇，对于含水量较低的乙醇脱水，沸石分子筛吸附脱水是最优的选择。

此方法中应用的沸石分子筛是A 或X型，而KA 型最好，这一方面利用了 A型沸石分子筛的极性，另一方面由于KA沸石分子筛的孔道直径约 0.3nm，水分子可自由进入，而乙醇分子直径大于 0.3nm 不能进入沸石分子筛的孔道。此种沸石分子筛脱水工艺是工业上生产燃料乙醇的首选工艺。

（2）净化空气中的污染物。随着工业的迅速发展，H₂S、SO₂、NO_X以及甲醛的排放量日益增多，造成的污染给人们的生活和环境带来了严重的危害。^[4]

吸附分离领域的应用

（1）混合二甲苯的分离。混合二甲苯一般用作溶剂和汽油掺合剂廉价出售，资源浪费十分严重。但混合二甲苯的四个异构体：乙苯、对二甲苯、间二甲苯和邻二甲苯都是重要的化工原料，因此有必要将其逐一分离。

混合二甲苯的分离方法很多，如精馏法、精密精馏法、加压结晶法、深冷结晶法等是传统的分离方法，但它们的共同缺点是能耗大、设备庞大、操作要求高。

吸附分离法是一种高效的分离方法，其关键是吸附剂的制备。由于沸石分子筛其结构的特殊性及种类的多样化，以沸石分子筛为吸附剂来分离混合二甲苯具有很好的应用前景

（2）N₂/ O₂的分离。在变压吸附（PSA）法中，沸石分子筛是利用N₂/O₂两气体在其表面平衡吸附的差异，选择性地吸附 N₂。因为 N₂的极化率较大，从而 N₂与沸石分子筛中的阳离子及其极性表面作用强于 O₂。LiA 型沸石分子筛具有更高的 N₂/O₂选择比及 N₂吸附容量，但热稳定性较差。于是，Li 、碱土金属混合阳离子交换后的 A型沸石分子筛具有较高的 N₂/O₂选择分离系数、N₂吸附容量和较高的热稳定性。另外低硅铝比的 X型沸石分子筛引起了人们的关注。人们对其进行了各种离子交换，其 N₂/O₂分离选择性较高且热稳定性较好。

（3）提高汽油辛烷值。由于异构烷烃的辛烷值大大高于正构烷烃，因此利用吸附分离法可以脱除正构烷烃。实际应用中一般将吸附分离与 C₅/C₆烷烃异构化相配合，将通过吸附分离出来的正构烷烃进行异构化，从而更大程度的提高汽油的辛烷值。A 型沸石分子筛中的钠离子被钙离子交换达 40%以上时，它的有效孔径可增大至 0.5nm，能满足此分离的要求，分离中烃类混合物通过吸附床层，正构烷烃由于分子外形尺寸小于沸石分子筛孔径尺寸可以自由进入其孔道中被吸附，异构烷烃的分子尺寸较大不能进入，则流出吸附床层为富含异构烷烃高辛烷值的物料。吸附床层吸附饱和后，用脱附剂将正构烷烃脱附送去异构化反应。^[4]

催化领域的应用

沸石分子筛具有复杂多变的结构和独特的孔道体系，是一种性能优良的催化剂。ZSM- 5 与Y型沸石分子筛共同作用应用于 FCC 反应，以获得较高产率的汽油、丙烯和丁烯。MCM- 22 沸石分子筛在烷基化反应上具有显著的优势，例如 MCM- 22 作为液相烷基化催化剂催化苯和乙烯反应制备乙苯，不仅提高了乙苯选择性，并且 MCM- 22 本身的稳定性高，用量少，可以在反应器中进行原位再生，而其它种类催化剂则必须从反应器中取出另行再生。在短链烷基取代芳烃的合成反应上，MCM- 56 有更好的活性，并且不容易失活。ZSM- 22 在许多工艺中用作催化剂，但主要是用于丁烯骨架异构和正庚烷异构化两个方面。^[4]

分子筛作为催化剂的主要应用见下表^[3] 。

表1 主要分子筛催化剂举例

沸石分子筛的结构

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沸石分子筛材料的广泛应用（例如：吸附分离、离子交换、催化），是与其结构特点密不可分的。例如，吸附分离性能取决于分子筛的孔道和孔体积的大小；离子交换性能取决于分子筛中阳离子的数目、位置及其孔道的可通行性；催化过程中表现出的择形性与分子筛的孔道尺寸、走向相关，而催化反应中的中间产物以及最后产品和分子筛的孔道维数或其笼结构相关。因此，分子筛的结构是研究分子筛材料的基本问题。^[5]

结构单元

首先从最简单的基本结构单元进行研究。通常来讲，沸石分子筛都是一个个四面体通过共用顶点来堆积得到的，所以一个四面体就是一个初级的结构单元(TO₄四面体)。例如：对于silicalite-1沸石分子筛来讲，它的初级结构单元是硅氧四面体（[Si O4]0），并且这个四面体结构单元呈现电中性，这些硅氧四面体通过共用氧原子的连接，形成了具有MFI结构的沸石分子筛。在合成中模板剂和吸附水是存在于它的孔道中的。当然，当在合成体系中有铝存在的条件下，则有两种四面体：硅氧四面体（[Si O4]0）和铝氧四面体（[Al O4]-），并且铝氧四面体是存在一个负电荷的，通过组装合成了硅铝的具有MFI结构的分子筛，由于这种结构本身带有一定的负电荷，因此必然要通过额外的阳离子来平衡，使其整体最终呈现电中性。而磷铝分子筛则是磷氧四面体（[PO4] ）和铝氧四面体（[Al O4]-）严格交替构成，骨架呈电中性。当然，在初级结构单元与初级结构单元的连接中，要遵守Lowenstein规则：在硅铝骨架结构中，铝与铝不能相邻；在磷酸盐骨架结构中，如SAPO-34，铝是不能和二价或者三价金属原子相邻、以及磷不能与硅或磷相连的。^[5]

次级结构单元

分子筛的骨架结构由初级结构单元进行有限或者无限的连接后而形成的。有限的结构单元，如次级结构单元通常是指由TO₄四面体通过共同使用定点的氧原子，从而按照不同的连接方式组成的多元环结构，比较常见的环结构如四元环、五元环、六元环、双四元环和双六元环。现在所发现的为18种次级结构单元。例如4-4次级结构单元，它所代表的的是两个四元环，即双四元环。正如我们所熟知的A型分子筛，它就是通过SOD笼与双四元环之间进行连接从而形成了沸石分子筛。当然我们所说的SBU只是在理论意义上的拓扑单元，是为了更好的理解和解释沸石分子筛的结构，不能这样就认为是沸石分子筛晶化过程的真实物种。

笼状结构单元

分子筛的骨架中存在一特征笼状结构单元，而笼状结构单元又是根据确定它们多面体的多元环来描述的。例如，我们所熟悉的SOD笼它由八个六元环和六个四元环来组成的，一般简写成4668。不同的分子筛骨架会含有相同的笼状结构单元，换句话说，同一个笼状结构单元通过不同连接方式会形成不同的分子筛骨架结构类型。一个经典的例子就是SOD笼。

SOD笼间通过本身的共面连接形成的是SOD沸石分子筛；SOD笼间通过双四元环的连接，形成的是LTA型分子筛；SOD笼间通过双六元环的连接，形成的是FAU和EMT沸石分子筛。

另外，在沸石分子筛骨架结构中，常会发现一些特征的链和二维三连接的网层结构以及周期性结构单元（PBU）。我们最为常见的五种链状结构为是Pentasil链、双锯齿形链、双之字形链、双机轴链和短柱石链。由边共享的笼所组成的Pentasil链是高硅沸石分子筛家族的一个特征链。最具有代表性的，MFI的骨架结构就是由Pentasil链构成。平行堆积的二维三连接网层通过上下取向的三连接顶点间相互连接形成三维四连接的骨架结构。例如，GIS类型骨架结构是由4.8²二维网层结构上下连接而成。