分子篩對(duì)化學(xué)人來(lái)說(shuō)并不陌生，分子篩的作用廣泛，很多反應(yīng)中都會(huì)用到。分子篩性質(zhì)優(yōu)異，那分子篩的作用有哪些呢？本文帶您了解一下。

分子篩是一種包含有精確和單一的微小孔洞的材料，具有均一的孔徑和極高的比表面積，可用于吸附氣體或液體，可用于催化反應(yīng)。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。

先說(shuō)說(shuō)分子篩名字的由來(lái)，分子篩可以把比孔道直徑小的分子吸附到孔穴的內(nèi)部中來(lái)，而把比孔道大的分子排斥在外，因而能把形狀直徑大小不同的分子，極性程度不同的分子，沸點(diǎn)不同的分子，飽和程度不同的分子分離開(kāi)來(lái)，從而具有了“篩分”分子的作用，因而叫做分子篩。

一、分子篩基本特性

• 分子篩對(duì)水或各種氣，液態(tài)化合物可逆吸附及脫附，金屬陽(yáng)離子易被交換。
• 分子篩內(nèi)部空腔和通道形成非常高的內(nèi)表面積。其內(nèi)表面可高于分子篩顆粒的外表面積的10000-100000倍。
• 分子篩效應(yīng)：根據(jù)分子大小和形狀的不同選擇吸附。分子篩晶體具有蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，晶體內(nèi)的晶穴和孔道相互溝通，并且孔徑大小均勻，固定（分子篩空腔直徑一般在3—15埃之間），與通常分子的大小相當(dāng)，只有那些直徑比較小的分子才能通過(guò)沸石孔道被分子篩吸附，而構(gòu)型龐大的分子由于不能進(jìn)入沸石孔道，則不被分子篩吸附。而硅膠，活性氧化鋁和活性碳沒(méi)有均勻的孔徑，孔徑分布范圍十分寬廣，所以沒(méi)有篩分性能。
• 根據(jù)分子極性，不飽和度和極化率的選擇吸附。分子篩對(duì)于極性分子和不飽和分子有很高的親和力；在非極性分子中，對(duì)于極化率在的分子有較高的選擇吸附優(yōu)勢(shì)。此外，沸點(diǎn)越低的分子，越不易被分子篩所吸附。

二、分子篩的高效吸附特性

• 分子篩對(duì)于H2O、NH3、H2S、CO2等高分子極性具有很高的親和力，特別是對(duì)于水，在低分壓（甚至在133帕以下）或低濃度，高溫（甚至在100℃以上）等十分苛刻的條件下仍有很高的吸附容量。
• 低分壓或低濃度下的吸附：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，分子篩的優(yōu)越性越發(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。
• 高溫吸附：分子篩是唯一可用的高溫吸附劑。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。
• 高速吸附：分子篩對(duì)像水等極性分子在分壓或濃度很低時(shí)的吸附速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅膠，活性氧化鋁。雖然在相對(duì)濕度很高時(shí)，硅膠的平衡吸水量要高于分子篩，但隨著吸附質(zhì)的線速度的提高，硅膠的吸水率越來(lái)越不如分子篩效率高。

三、分子篩的離子交換性

• 分子篩的一個(gè)重要性能是可以進(jìn)行可逆的離子交換。通過(guò)這種交換，改進(jìn)了分子篩的吸附和催化性能，從而獲得了廣泛的應(yīng)用（如可用于軟化水和廢水處理）。

四、分子篩的催化性能

• 分子篩晶體具有均勻的孔結(jié)構(gòu)，孔徑的大小與通常分子相當(dāng)；它們具有很大的表面積。而且表面極性很高；平衡骨架負(fù)電荷的陽(yáng)離子，可進(jìn)行離子交換；一些具有催化活性的金屬也可以交換導(dǎo)入晶體，然后以極高的分散度還原為元素狀態(tài)；同時(shí)分子篩骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很高。
• 這些結(jié)構(gòu)性質(zhì)，使分子篩不僅成為優(yōu)良的吸附劑，而且成為有效的催化劑和催化劑載體。
• 分子篩是一種具有特定空間結(jié)構(gòu)的新型催化劑。由于不同分子篩的孔道尺寸不同，因此常將其用于擇形催化劑的載體。

五、幾種常見(jiàn)的分子篩催化劑

• SAPO-11分子篩催化劑：屬于中孔分子篩，具有二維的非交叉的十元環(huán)橢圓型孔，孔徑0.39nm*0. 64nm，物化性能類似于硅鋁沸石，而且還具有某些磷鋁酸鹽分子篩的特性。
• SAPO-11分子篩因其合成條件的不同表現(xiàn)出不同的酸強(qiáng)度，因此呈現(xiàn)出獨(dú)特的催化性能。目前已應(yīng)用于裂化、烷基化、異構(gòu)化反應(yīng)等多種石油煉制與石油化工過(guò)程中?？梢酝ㄟ^(guò)負(fù)載和摻雜的方式對(duì)分子篩的酸性、氧化還原特性、潔凈度與孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，以實(shí)現(xiàn)對(duì)分子篩的改性。
• ZSM-5分子篩催化劑：具有獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)和孔徑尺寸、穩(wěn)定的骨架和大范圍可調(diào)硅鋁比。有較優(yōu)異的催化性能。有二維十元環(huán)孔道，孔徑在0.55nm左右，熱穩(wěn)定性和催化活性均較高。因其獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)及表面酸堿性，其催化反應(yīng)主要在酸堿中心進(jìn)行，可以用于甲醇轉(zhuǎn)化為烴類過(guò)程，低碳烷烴脫氫過(guò)程。同時(shí)高硅ZSM-5分子篩為疏水性，對(duì)甲醇轉(zhuǎn)化為烴類的活性和熱穩(wěn)定性都很好?？梢酝ㄟ^(guò)水蒸氣法、離子交換法、化學(xué)氣相沉積法對(duì)ZSM-5進(jìn)行改性，改性后的分子篩更能提高其催化性能。
• ?磷酸鋁分子篩催化劑：此類分子篩催化劑的骨架由AlO4及PO4四面體嚴(yán)格交替而成的，骨架呈電中性。磷酸鋁分子篩催化劑的四面體中的中心Al3+和P5+可以被許多不同價(jià)態(tài)的金屬或非金屬元素取代，形成具有不同結(jié)構(gòu)與性能的雜原子MeAlPO-n分子篩催化劑。由于AlPO4-5分子篩催化劑具有三維微孔晶體結(jié)構(gòu)，由磷氧四面體和鋁氧四面體組成，呈電中性。因此作為載體有著其它物質(zhì)所沒(méi)有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。將鐵離子加入催化劑中能有效限制非活性石墨炭的生成，提高催化劑穩(wěn)定性。

• ?TS分子篩催化劑：TS分子篩骨架結(jié)構(gòu)中有Ti4+中心，鈦硅分子篩是介孔分子篩，具有晶體結(jié)構(gòu)。由于TS分子篩催化劑的介孔結(jié)構(gòu)不僅有氧化還原性能而且有弱Lewis酸性能，加之分子篩的介孔結(jié)構(gòu)，可用于大分子化合物的選擇氧化反應(yīng)、光催化反應(yīng)和酸催化反應(yīng)，是一種環(huán)境友好的固體催化劑。TS分子篩催化劑可成功地應(yīng)用于環(huán)烯烴、環(huán)烷烴以及不飽和醇等的催化氧化。隨著鈦硅分子篩的改善，打破了微孔無(wú)機(jī)骨架的尺寸限制，為催化有機(jī)大分子底物提供了可能性。在精細(xì)化工領(lǐng)域和制藥行業(yè)中具有很好的應(yīng)用前景。
• MCM分子篩催化劑：屬于介孔催化劑，它的介孔是無(wú)序、無(wú)定形的。他們的孔道是有序排列，且孔徑大小分布很窄。在經(jīng)過(guò)優(yōu)化合成條件或后處理后，具有一定的水熱穩(wěn)定性、很好的熱穩(wěn)定性、比表面積較大（>400m2/g）、孔隙率較高、顆粒外形規(guī)則、組成可調(diào)等特點(diǎn)。且可在微米尺度內(nèi)保持高度的孔道有序性。它可以通過(guò)改變模板劑、添加增孔劑、調(diào)節(jié)表面活性劑的碳鏈長(zhǎng)度、添加輔助劑等方法對(duì)其進(jìn)行改性。改性后的MCM還可以被用作吸附劑、催化劑以及催化劑載體，還可以應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、有機(jī)大分子合成、氧化還原反應(yīng)以及石油煉制等行業(yè)。
• ?SBA分子篩催化劑：具有介孔結(jié)構(gòu)，有均一的孔道直徑分布，孔徑可調(diào)變，壁厚且水熱穩(wěn)定性很高。具有較大的比表面積（可高達(dá)2500 m2/g）和孔體積（可高達(dá)2.25cm3/g）通過(guò)增加壁厚、品化孔壁、摻雜金屬原子以及在離子表面涂覆吸水性膜等方法對(duì)其改性，可以使其穩(wěn)定性提高，從而改善了其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用。

分子篩催化劑的應(yīng)用已遍及石油化工、環(huán)保、生物工程、食品工業(yè)、醫(yī)藥化工等領(lǐng)域。有些分子篩催化劑在催化氧化方面活性并不是很高，所以有研究者對(duì)其進(jìn)行了改性。

微孔分子篩由于其孔徑較小，大分子進(jìn)入孔道比較困難，同時(shí)擴(kuò)散阻力較大，在其孔道內(nèi)形成的產(chǎn)物不能快速逸出，極大的限制了微孔沸石在大分子催化反應(yīng)中的應(yīng)用。

介孔分子篩可以彌補(bǔ)微孔分子篩的不足，為大分子反應(yīng)提供有利的空間構(gòu)型。但由于介孔分子篩的孔壁處于無(wú)定形狀態(tài)，其水熱穩(wěn)定性較差，且酸性較弱，同樣限制了其應(yīng)用范圍。

因此，人們正在研究具有強(qiáng)酸性、沸石型孔壁結(jié)構(gòu)的介孔復(fù)合材料和微孔-介孔分子篩復(fù)合材料的合成。

近年來(lái)，分子篩的作用已經(jīng)在很多領(lǐng)域發(fā)揮出來(lái)，在吸附分離、催化等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。但是對(duì)某些分子篩的性能優(yōu)劣問(wèn)題認(rèn)識(shí)不夠深入，為了更加有效地發(fā)揮分子篩的作用優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：

• 研制價(jià)格低廉的沸石分子篩，以降低生產(chǎn)成本為目的；
• 研究沸石分子篩的合成及改性對(duì)結(jié)構(gòu)、組成和性能的影響，尋找提高其吸附容量和選擇性的方法；
• 建立和完善評(píng)價(jià)吸附劑性能的定量指標(biāo)，更好地為實(shí)際生產(chǎn)做出指導(dǎo)。