沸石分子筛的结构和特点

摘要：沸石分子筛是一种无机晶体材料，由于其特有的结构和性能，而广泛应用于催化、吸附和离子交换等领域中，并起着不可替代的作用。沸石分子筛的应用已遍及石油化工、环保、生物工程、食品工业、医药化工等领域。下面来了解下沸石分子筛。

一、沸石分子筛的性能

1、吸附性能

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。

2、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。

3、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。

二、沸石分子筛的结构

它具有晶体的结构和特征，表面为固体骨架，内部的孔穴可起到吸附分子的作用。孔穴之间有孔道相互连接，分子由孔道经过。由于孔穴的洁净性质，分子筛的孔径分布非常均一。分子筛依据其晶体内部孔穴的大小对分子进行选择性吸附，也就是吸附一定大小的分子而排斥较大物质的分子。

沸石分子筛按其孔或通道体系可分为小孔，中孔（介孔）和双孔沸石三个组别。可用于富氧空气的变压吸附分离。

三、沸石分子筛的应用

沸石分子筛晶体具有吸附性、可交换性等诸多优良性能，所以被广泛应用于石油化工工业、洗涤剂工业、精细化工等工业。在沸石分子筛的研究中，以廉价天然矿物为原料制备分子筛和其功能性的研究是该领域中最具有价值的研究之一。红辉沸石属于辉沸石族，是其中的一个矿物种，红辉沸石以含水架状铝硅酸盐为基础结构，在不同温度环境下对各种阳离子具有选择吸附性，且具有良好的催化功能、可加工性能、低硬度、低热膨胀性能，且热稳定性较好，被广泛应用于环境材料，农牧业改良，化工添加剂和吸附剂等领域。

1、畜牧业生产

分子筛独特的结构决定了其有良好的吸附性能和离子交换性能，利用分子筛为载体，吸附接枝抗菌物质制成饲料添加剂，可以增加抗菌剂的缓释能力，提高抗菌剂利用效率，从而达到事半功倍的目的，同时，分子筛自身也具有一定的杀菌能力，能提高牲畜的抗病能力，且分子筛无毒无害，性能稳定，不会被动物吸收。利用分子筛吸附二甲酸钾制得的分子筛抗菌剂能大幅度提高二甲酸钾的抑菌能力。

2、医药产业

利用分子筛良好的吸附性能和分散性能，可以作为药物的载体，对药物中的有效成分进行吸附接枝，可以提高药物的缓释性能，增强药效，延长药物作用的时间，且分子筛无毒无害，服用之后在人身体内不发生吸收，对身体无毒副作用。还可以载入特定病菌，有效地抑制细菌生长。沸石分子筛良好的离子交换性能可以吸附交换重金属离子，从而可以制备高度活性和耐久性的抗菌剂。

3、污水处理

天然红辉沸石具有一定的离子交换和吸附性能，利用其性能可以从污水中吸附氨氮，从而达到净化污水的效果。天然红辉沸石经过特殊处理之后，可以形成分子筛，分子筛的离子交换与吸附性能远远高于天然沸石，这使其能够更好地吸附污水中的重金属离子及其他有害离子，如：镍、锌、铬、镉、汞、铁等离子及酚、氨氮、三氮、磷酸根离子等有机物，因此，分子筛是处理污水的新型材料。

4、农业

利用分子筛的吸附性能及阳离子交换性能，可以改良土壤性能，降低土壤pH，提高农作物需要的微量元素的供应，交换农作物所需要的K、Na、Mg、Ca等离子，起到间接肥的作用。同时，分子筛可以吸附双氢胺等物质配成肥料缓释剂，不仅大幅度提高了氮肥实际利用率，延长氮肥有效期，还可以改善农作物营养状况，提高农作物生长活力和抵御病毒能力，最终达到农作物增产增收的目的。