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1、概念

自然界中存在一種天然硅鋁酸鹽，它們具有篩分分子、吸附、離子交換和催化作用。這種天然物質(zhì)稱為沸石（沸石是沸石族礦物的總稱，是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物），根據(jù)沸石的結(jié)構(gòu)，人工合成的沸石稱為分子篩。分子篩是一種包含有精確和單一的微小孔洞的材料，可用于吸附氣體或液體。足夠小的分子可以通過(guò)孔道被吸附，而更大的分子則不能。與一個(gè)普通篩子不同的是它在分子水平上進(jìn)行操作。

2、結(jié)構(gòu)

分子篩的化學(xué)組成通式為：(M)_2/nO· Al₂O₃·xSiO₂·pH₂O（其中，M代表金屬離子(人工合成時(shí)通常為Na)；n代表金屬離子價(jià)數(shù)；x代表SiO₂的摩爾數(shù)，也稱為硅鋁比；p代表水的摩爾數(shù)）。

2.1初級(jí)結(jié)構(gòu)單元  

分子篩骨架的最基本結(jié)構(gòu)是 SiO4和AlO4四面體，構(gòu)成初級(jí)結(jié)構(gòu)單元。通常來(lái)講，沸石分子篩都是一個(gè)個(gè)四面體通過(guò)共用頂點(diǎn)來(lái)堆積得到的，所以一個(gè)四面體就是一個(gè)初級(jí)的結(jié)構(gòu)單元(TO4四面體)。例如：對(duì)于silicalite-1沸石分子篩來(lái)講，它的初級(jí)結(jié)構(gòu)單元是硅氧四面體（[SiO4]0），并且這個(gè)四面體結(jié)構(gòu)單元呈現(xiàn)電中性，這些硅氧四面體通過(guò)共用氧原子的連接，形成了具有MFI結(jié)構(gòu)的沸石分子篩。當(dāng)然，當(dāng)在合成體系中有鋁存在的條件下，則有兩種四面體：硅氧四面體（[SiO4]0）和鋁氧四面體（[AlO4]-），并且鋁氧四面體是存在一個(gè)負(fù)電荷的，通過(guò)組裝合成了硅鋁的具有MFI結(jié)構(gòu)的分子篩。而磷鋁分子篩則是磷氧四面體（[PO₄]+）和鋁氧四面體（[AlO₄]-）嚴(yán)格交替構(gòu)成，骨架呈電中性。

2.2次級(jí)結(jié)構(gòu)單元  

分子篩的骨架結(jié)構(gòu)由初級(jí)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行有限或者無(wú)限的連接后而形成的。有限的結(jié)構(gòu)單元，如次級(jí)結(jié)構(gòu)單元通常是指由TO₄四面體通過(guò)共同使用定點(diǎn)的氧原子，從而按照不同的連接方式組成的多元環(huán)結(jié)構(gòu)，比較常見(jiàn)的環(huán)結(jié)構(gòu)如四元環(huán)、五元環(huán)、六元環(huán)、雙四元環(huán)和雙六元環(huán)，例如4-4次級(jí)結(jié)構(gòu)單元，它所代表的的是兩個(gè)四元環(huán)，即雙四元環(huán)。正如我們所熟知的A型分子篩，它就是通過(guò)SOD籠與雙四元環(huán)之間進(jìn)行連接從而形成了沸石分子篩。

硅及鋁原子通過(guò)氧構(gòu)成氧環(huán)，氧環(huán)的大小決定沸石的細(xì)孔孔徑。每個(gè)氧環(huán)的氧原子數(shù)目為4～12個(gè)。通常具有分子篩作用的有八元環(huán)(0.4～0.5nm)、十元環(huán) (0.5～0.6nm) 及十二元環(huán) (0.7～ 0. 9nm)。

2.3籠狀結(jié)構(gòu)單元  

四面體通過(guò)氧橋相互連接形成多元環(huán)，而各種不同的多元環(huán)通過(guò)氧橋相互連接，形成具有三維空間的多面體，這些多面體是中空的籠狀，故又稱為籠。沸石分子篩的籠是三維空間的多面體，是構(gòu)成分子篩的主要結(jié)構(gòu)單元，例如，我們所熟悉的SOD籠它由八個(gè)六元環(huán)和六個(gè)四元環(huán)來(lái)組成的，一般簡(jiǎn)寫(xiě)成4668。不同的分子篩骨架會(huì)含有相同的籠狀結(jié)構(gòu)單元，換句話說(shuō)，同一個(gè)籠狀結(jié)構(gòu)單元通過(guò)不同連接方式會(huì)形成不同的分子篩骨架結(jié)構(gòu)類型。一個(gè)經(jīng)典的例子就是SOD籠。 SOD籠間通過(guò)本身的共面連接形成的是SOD沸石分子篩；SOD籠間通過(guò)雙四元環(huán)的連接，形成的是LTA型分子篩；SOD籠間通過(guò)雙六元環(huán)的連接，形成的是FAU和EMT沸石分子篩。

這種結(jié)合形式，構(gòu)成了具有分子級(jí)、孔徑均勻的空洞及孔道。由于結(jié)構(gòu)不同，形式不同，“籠”形的空間孔洞分為α、β、γ、六方柱、八面沸石等 “籠”的結(jié)構(gòu)，如ZSM-5，AlPO4-8，SCM-14。

3、吸附性能

沸石分子篩的吸附是一種物理變化過(guò)程。產(chǎn)生吸附的原因主要是分子引力作用在固體表面產(chǎn)生的一種“表面力”，當(dāng)流體流過(guò)時(shí)，流體中的一些分子由于做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而碰撞到吸附劑表面，在表面產(chǎn)生分子濃聚，使流體中的這種分子數(shù)目減少，達(dá)到分離、清除的目的。由于沸石分子篩孔徑均勻，只有當(dāng)分子動(dòng)力學(xué)直徑小于沸石分子篩孔徑時(shí)才能很容易進(jìn)入晶穴內(nèi)部而被吸附，所以沸石分子篩對(duì)于氣體和液體分子就猶如篩子一樣，根據(jù)分子的大小來(lái)決定是否被吸附。沸石分子篩具有獨(dú)特的規(guī)整晶體結(jié)構(gòu)，其中每一類都具有一定尺寸、形狀的孔道結(jié)構(gòu)，并具有較大比表面積。