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分子筛

发布:2015-09-16 09:45      点击:

分子筛

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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0.3~2 nm)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。
中文名
分子筛
外文名
molecular sieve
种    类
天然沸石或合成沸石
适用场合
汽车、建筑玻璃、医药、油漆等
别    名
合成沸石
定    义
孔径与一般分子大小相当的物质
硬    度
硬度为3~5
相对密度
相对密度为2~2.8
 

目录

  1. 1 
  2. 2 
  3. 3 
  1. 4 
  2. 5 
  3. 6 
  1. 7 
  2. 8 
  3. 9 






 
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。
  分子筛相关标准:
《3A分子筛》《4A分子筛》《5A分子筛及其试验方法》《13X分子筛》
《分子筛静态水吸附测定方法》《分子筛动态水吸附测定方法》
《沸石分子筛动态二氧化碳吸附的测定》《粒状分子筛粒度测定方法》《分子筛堆积密度测定方法》《分子筛抗压碎力试验方法》《制冷系统用分子筛干燥剂抗磨耗性能的试验方法》
《工业活性氧化铝》《空气分离设备用活性氧化铝 验收技术条件》
 

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

分子筛有和合成沸石两种。①天然沸石大部分由和凝灰质沉积岩在海相或湖相环境中发生反应而形成。已发现有1000多种,较为重要的有35种,常见的有、丝光沸石、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。
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,达300~1000m2/g,内晶表面高度极化,为一类高效,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。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
分子筛
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扩散的防御屏障。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”。
分子筛简介
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-rad SEC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埃等于百亿分之一米)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。
 

生产方法

有水热合成、水热转化和等法:[1] 
① 水热合成法 用于制取纯度较高的产品,以及合成自然界中不存在的分子筛。将含硅化合物(水玻璃、等)、含铝化合物(水合、铝盐等)、碱(氢氧化钠、氢氧化钾等)和水按适当比例混合,在热压釜中加热一定时间,即析出分子筛晶体。合成过程可用下式表示:
工业生产流程中一般先合成Na-分子筛,如13X型与10X型分子筛的合成(见图)。在水热合成过程中添加某些添加剂可以改变最终产品的结构,如加入季胺盐可得到ZSM-5型分子筛。
② 水热转化法 在过量碱存在时,使固态铝硅酸盐水热转化成分子筛。所用原料有、膨润土、等,也可用合成的硅铝凝胶颗粒。此法成本低,但产品纯度不及水热合成法。
③ 离子交换法 通常在水溶液中将Na-分子筛转变为含有所需阳离子的分子筛,通式如下:
式中 Z-表示阴离子骨架,Me+表示需交换的阳离子,例如NH4 +、Ca2+、Mg2+、Zn2+等,原料通常为氯化物、硫酸盐、硝酸盐。溶液中不同性质的阳离子交换到分子筛上的难易程度不同,称为分子筛对阳离子的选择顺序,例如:13X型分子筛的选择顺序为Ag+、Cu2+、H+、Ba2+、Au3+、Th4+、Sr2+、Hg2+、Cd2+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Co2+、NH4 +、K+、Au2+、Na+、Mg2+、Li+。常用下列参数表示交换结果:交换度,即交换下来的Na+量占分子筛中原有Na+量的百分数;交换容量,为每100克分子筛中交换的阳离子毫克当量数;交换效率,表示溶液中阳离子交换到分子筛上的质量百分数。为了制取合适的分子筛催化剂,有时尚需将交换所得产物与其他组分调配,这些组分可能是其他催化活性组分、、稀释剂或粘合剂等,调配好的物料经成型即可进行催化剂的活化。
 

类型介绍

3A分子筛
化学式:2/3K2O·1/3Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2H2O
英文名称:3A Molecular Sieve[1] 
:SiO2/ Al2O3≈2
:约3Å
应用:主要用于建筑玻璃行业,气体提炼净化及石化工业。
主要技术指标:
指标
单位
球状
条状
规格
mm
1.6-2.5
3-5
4-6
1.6
3.2
静态水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥20.5
≥20.5
≥20.5
≥20
≥20
磨耗率
%wt
≤0.2
≤0.2
≤0.2
≤0.25
≤0.25
堆积密度
g/ml
≥0.68
≥0.68
≥0.68
≥0.64
≥0.64
抗压强度
N
≥25
≥70
≥80
≥25
≥60
包装含水量(575℃,3小时)
%wt
≤1.5
≤1.5
≤1.5
≤1.5
≤1.5
吸附乙烯量
mg/g
≤3
≤3
≤3
≤3
≤3
再生:1、脱除水分:视再生气的压温度、含水量而定。一般情况下,200~350℃干燥气体在0.3~0.5Kg/平方厘米,通过分子筛床层3~4小时,使出口温度110~180℃,冷却。
2、脱有机物:用代替有机物,然后脱除水份。
储存:湿度不大于90%的室内:避免水、酸、碱、隔绝空气保存。
包装:30Kg密封钢桶、150Kg密封钢桶,130Kg密封钢桶(条状)。
4A分子筛
化学式:Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2H2O
硅铝比:SiO2/ Al2O3≈2
有效孔径:约4Å
应用:主要用于天然气以及各种化工气体和液体、冷冻剂、药品、电子材料及易变物质的干燥,氩气纯化,甲烷、乙烷、丙烷的分离。
主要技术指标:
指标
单位
球状
条状
规格
mm
0.5-1.0
1.6-2.5
3-5
1.6
3.2
静态水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥21.5
≥21.5
≥21.5
≥21
≥21
磨耗率
%wt
≤0.2
≤0.2
≤0.2
≤0.25
≤0.25
堆积密度
g/ml
0.69-0.75
≥0.69
≥0.69
≥0.70
≥0.65
抗压强度
N
/
≥30
≥80
≥40
≥70
包装含水量(575℃,3小时)
%wt
≤1.5
≤1.5
≤1.5
≤1.5
≤1.5
吸附甲醇量
mg/g
≤140
≤140
≤140
≤140
≤140
5A分子筛
化学式:3/4CaO·1/4Na2O·Al2O3·2 SiO2·9/2H2O
硅铝比:SiO2/ Al2O3≈2
有效孔径:约5Å
应用:主要用于正异构烷烃的分离,氧氮分离,化工、石油天然气、氨分解气体和其他工业气体及液体的干燥和精制。
主要技术指标:
指标
单位
球状
条状
规格
mm
1.6-2.5
3-5
1.6
3.2
静态水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥21
≥21
≥21
≥21
磨耗率
%wt
≤0.2
≤0.2
≤0.25
≤0.25
堆积密度
g/ml
≥0.65
≥0.65
≥0.65
≥0.65
抗压强度
N
≥28
≥60
≥30
≥60
包装含水量(575℃,3小时)
%wt
≤1.5
≤1.5
≤1.5
≤1.5
吸附正乙烷量
mg/g
≥120
≥120
≥120
≥120
再生:1、脱除水分:视再生气的压力、温度、含水量而定一般情况下,200~350℃气体在0.3~0.5Kg/平方厘米压力下,分子筛床层3~4小时,出口温度到110~180℃,冷却。
2、脱有机物:用水蒸气代替有机物,然后脱除水份。
储存:相对湿度不大于90%的室内:避免水酸碱绝空气,密闭保存。
包装:30Kg密封钢桶 、150Kg密封钢桶,130Kg密封钢桶(条状)。
10X分子筛
化学式:4/5CaO·1/5Na2O·Al2O3·(2.8±0.2) SiO2·(6-7)H2O
硅铝比:SiO2/ Al2O3≈2.6-3.0
有效孔径:约9Å
应用:主要用于吸附分离芳烃及石蜡精制。
主要技术指标:
指标
单位
球形
规格
mm
1.0-1.6
3.0-5.0
静态水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥28
≥28
磨耗率
%wt

  

  
堆积密度
g/ml
≥0.7
≥0.6
抗压强度
N
≥15
≥70
包装含水量(575℃,3小时)
%wt
≤1.5
≤1.5
粒径合格率
%
98
98
静态正已烷吸附
mg/g
≥18
≥18
PH指数

  
10
10
落粉率
NTU
≤30
≤30
再生:1、脱除水分:视再生气的压力、温度、含水量。200~350℃干燥气体在0.3~0.5Kg/平方厘米压力分子筛床层3~4小时,使出口温度到110~180℃,冷却。
2、脱有机物:用水蒸气代替有机物,然后脱除水份。
储存:相对湿度不大于90%的室内:避免水、酸、碱、隔绝空气保存。
包装:30Kg密封钢桶、150Kg密封钢桶。
13X分子筛
化学式:Na2O·Al2O3·(2.8±0.2)SiO2·(6-7)H2O
硅铝比:SiO2/AL2O3≈2.6-3.0
有效孔径:约10Å
应用:主要用于气体的干燥与净化,空分装置原料气的净化(同时去除H2O和CO2),液态碳氢化合物和天然气的脱硫(去除硫化氢和硫醇),催化剂载体。
主要技术指标:
指标
单位
球状
条状
规格
mm
1.6-2.5
3-5
1.6
3.2
静态水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥25
≥25
≥25
≥25
磨耗率
%wt
≤0.2
≤0.2
≤0.25
≤0.25
堆积密度
g/ml
0.62-0.67
≥0.65
≥0.65
≥0.65
抗压强度
N
≥30
≥60
≥30
≥60
包装含水量(575℃,3小时)
%wt
≤1.5
≤1.5
≤1.5
≤1.5
CO2吸附量(25℃,250mmHg)
%wt
≥17.58
≥17.58
≥17.58
≥17.58
再生:1、脱除水分:再生气的压力温度含水量而定。200~350℃干燥气体0.3~0.5Kg/平方厘米压力下,通过分子筛床层3~4小时使出口温度到110~180℃。
2、脱有机物:用水蒸气代替有机物,然后脱除水份。
储存:室温,相对湿度不大于90%的室内:避免水酸碱隔绝空气保存。
包装:25Kg密封钢桶、125Kg密封钢桶,140Kg密封钢桶
13XAPG分子筛
应用:主要用于大中型空分装置原料的净化(同时去除H2O和CO2)及部份碳氢化合物,天然气、液化石油气、液态烃的干燥和脱硫;常用气体干燥。
主要技术指标:
指标
单位
球状
条状
规格
mm
2-3
3-5
1.6
3.2
静态水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥27
≥27
≥27
≥27
磨耗率
%wt
≤0.10
≤0.10
≤0.10
≤0.10
堆积密度
g/ml
0.66
≥0.66
≥0.63
≥0.63
抗压强度
N
≥40
≥90
≥35
≥60
包装含水量
(575℃,3小时)
%wt
≤1.0
≤1.0
≤1.0
≤1.0
静态水吸附
%wt
≥24
≥24
≥23.5
≥23.5
CO2吸附量
(25℃,250mmHg)
%wt
≥18
≥18
≥18
≥18
再生:冷却。
2、脱有机物:用水蒸气代替有机物,然后脱除水份。
储存:室温,相对湿度不大于90%的室内:避免水、酸、碱、隔绝空气密闭保存。
包装:25Kg密封钢桶125Kg密封钢桶140Kg密封钢桶(条状)。
富氧分子筛
5A小型富氧分子筛是一种特制的,是专为医疗保健制氧机而生产的,该分子筛具有制氧纯度高、速度快、使用寿命长的特点,是5A分子筛在医疗保健行业的一个重要应用。
化学式:4/5CaO·1/5Na2O·Al2O3·2 SiO2
硅铝比:SiO2/Al2O3≈2
有效孔径:约5Å
应用:除具有一般5A分子筛的特性外,主要用于变压吸附制氧。
主要技术指标:
指标
单位
球状
规格
mm
2-3
0.6-0.9
磨耗率
%wt
≤0.2
≤0.2
堆积密度
g/ml
≥0.67
≥0.67
抗压强度
N
≥30
/
氮吸附
mlN2/g
≥10
≥10
氮氧分离比
mlN2/Mo2
≤3.0
≤3.0
产气量
NL/kg·h
≥20
≥40
氧气含量
%
93±2
93±2
包装含水量(575℃,3小时)
%wt
≤1.0
≤1.0
储存:室温,相对湿度不大于90%的室内:避免水、酸、碱、隔绝空气。
包装:30Kg密封钢桶、150Kg密封钢桶。
XH系列制冷剂
XH-5分子筛主要用于R12、R22制冷剂的干燥和净化,提高制冷效果。
XH-7分子筛适用于冰箱、冰柜、空调用新型制冷剂R-134a及丁烷等制冷剂的脱水干燥。
XH-9分子筛适用于车船等用空调及冰箱冰柜等新型制冷剂的脱水干燥,是一种通用型的制冷剂用。
主要技术指标:
指标
单位
XH-5
XH-7
XH-9
直径
mm
1.6-2.5
1.6-2.5
1.6-2.5
动态水吸附量
%wt
≥6.0
≥6.0
≥6.0
静态水吸附量
%wt
≥20
≥18.0
≥18.5
堆积密度
g/ml
≥0.80
≥0.80
≥0.85
抗压强度
N
≥80
≥80
≥75
磨耗率
%wt
≤0.1
≤0.1
≤0.1
残余含水量
%wt
≤1.0
≤1.0
≤1.0
与R-134a的相容性试验
/
/
/
/
试验前干燥剂的含氟量
%wt
/
0.018
0.018
试验后干燥剂的含氟量
%wt
/
0.018
0.018
储存:室温相对湿度不大于90%的室内:避免水、酸、碱、隔绝空气,密闭保存。
包装:35Kg密封钢桶、160Kg密封钢桶。
中空玻璃专用
中空玻璃通用型分子筛可以同时吸附中空玻璃中的水分和残留有机物,使中空玻璃即使在很低温度下仍然保持光洁透明,同时,能充分降低中空玻璃因季节和昼夜温差巨大变化所承受的强大内外压力差,彻底解决普通易使中空玻璃膨胀或收缩而导致的扭曲破碎问题,充分延长中空玻璃的使用寿命。
主要用途:
吸附掉生产时密封于中空玻璃空气层内的水分及杂物。
在中空玻璃寿命期内连续吸附进入空气层内的水分,以保持和稳定中空玻璃内的低露点。
使用惰性气体(氩气和氮气)可以提高节能效果。为获得减少噪音及改善热传导效果而使用六氟化硫替代空气时,中空玻璃专用分子筛对六氟化硫几乎不吸附。
主要技术指标:
指标
单位
球状
规格
mm
φ1.0-1.6
φ0.5-1.0
堆积密度
g/ml
≥0.74
≥0.74
抗压强度
%wt
≥20
≥15
磨耗率
wt%
≤0.20
≤0.20
平衡水吸附
wt%
≥20.0
≥20.0
平衡N2吸附
mg/g
≤2.0
≤2.0
吸水速率
mg/g min
≤0.60
≤0.60
包装含水量
wt/%
<1.5
<1.5
储存:室温,湿度不大于90%的室内:避免水、酸、碱、隔绝空气,密闭保存。
包装:30Kg密封钢桶、150Kg密封钢桶。
分子筛不同品种参数及用途
类型
直径
体积密度(g/ml)
吸水性
磨损度W (%)
用途
3A
3 Å
0.60~0.68
19~20
0.3~0.6
干燥石油裂解气和烯烃
4A
4 Å
0.60~0.65
20~21
0.3~0.6
分离天然气和烯烃
5A
5 Å
0.60~0.65
20~21
0.3~0.5
干燥和净化空气,脱水和脱硫天然气;脱硫石油气;氧气和氢气生产变压吸附过程
5A-DW
5 Å
0.45~0.50
21~22
0.3~0.6
脱脂、烯烃分离和和抑制的航空煤油和柴油倾点
10X
8 Å
0.50~0.60
23~24
0.3~0.6
高效吸附,可用于干燥,脱硫脱碳,气体和液体和分离芳烃
13X
10 Å
0.55~0.65
23~24
0.3~0.5
干燥,脱硫和净化的石油气、天然气
13X-AS
10 Å
0.55~0.65
23~24
0.3~0.5
用于空气分离工业干燥和脱碳
Cu-13X
10 Å
0.50~0.60
23~24
0.3~0.5
航空用液态碳氢化合物脱硫
 

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。

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