分子篩的應(yīng)用研究概述

摘""""" 要：介紹了分子篩的發(fā)展歷程、合成方法，歸納了分子篩作為吸附劑和催化劑方面的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，對分子篩的研究不僅具有重大的現(xiàn)實經(jīng)濟(jì)意義，也對材料科學(xué)研究具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)" 鍵" 詞：分子篩；吸附劑；催化劑

中圖分類號：TF125.6"""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" 文章編號：1004-0935（2024）11-1724-05

分子篩是一種具有規(guī)則孔徑的無機(jī)非金屬材料，分子篩主要化學(xué)成分是硅鋁酸鹽^[1]。分子篩根據(jù)孔徑大小分為微孔分子篩（孔徑lt;2 nm）、介孔分子篩（孔徑2～50 nm）和大孔分子篩（孔徑gt;50 nm）^[2]；分子篩還可按來源分為天然和人工合成分子篩。分子篩在石油、煤、精細(xì)化工、冶金、建材、環(huán)境保護(hù)（包括核廢水、核廢氣處理）、土壤修復(fù)與治理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用^[3]，在于其具有高表面積、晶體孔道大小均勻、高吸附容量以及熱穩(wěn)定性強(qiáng)。

1" 分子篩發(fā)展歷程

1756年，瑞典的礦物學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)并命名沸石，這是一類在高溫灼燒時能夠產(chǎn)生泡沸現(xiàn)象的天然硅鋁酸鹽類礦物^[4]。由于科技的發(fā)展和生產(chǎn)水平的提高，對于沸石的研究更加多樣化，同時不斷靠近高端技術(shù)。從僅對天然沸石的探索發(fā)現(xiàn)到可人工合成，從低硅沸石逐漸發(fā)展到高硅沸石，從最早的硅鋁酸鹽發(fā)展到現(xiàn)在的磷酸鋁分子篩、雜原子摻雜分子篩^[5]，并且逐步探索擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。

1932年，Mcbain^[6]向世界提出了“分子篩”，此后才真正開始較為全面的研究。1948年，Barrer ^[7]制備了低硅鋁比的絲光沸石。1950年前后，沸石分子篩材料被發(fā)現(xiàn)具有催化性能，這使得沸石分子篩可應(yīng)用至新的領(lǐng)域。Breck^[8]和Milton^[9]在這期間成功合成出用于工業(yè)生產(chǎn)的沸石，如Linde A、X和Y型等，尤其是Y型沸石，在石油化工中的催化應(yīng)用，使得該類材料進(jìn)入工業(yè)化。1970初，美國Mobil Oil公司^[10]通過實驗合成出“第二代沸石”，將其命名為ZSM-5，孔徑屬于微孔，其硅含量較高。在1988年，Davis等^[11]合成了一類分子篩（H₂O）₄₂[Al₁₈P₁₈O₇₂]- VIP-5，是一種具有超大孔徑的磷酸鋁類分子篩，同時也是大孔徑分子篩發(fā)展的開端。1992年Mobil Oil公司合成M-41S系列分子篩，孔徑屬于介孔，而后高硅型甚至是全硅型的沸石分子篩進(jìn)入全盛的發(fā)展階段。21世紀(jì)初，分子篩的發(fā)展開始引入P、Ti等新元素，成功合成更多新型分子篩，有AlPOs、MeAPOs、SAPOs、MeAPOs以及TS系列^[12]。目前，分子篩新材料的創(chuàng)新和發(fā)展全面覆蓋了材料領(lǐng)域的方方面面，近年來，在新的信息科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的影響下，分子篩面向先進(jìn)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料、前沿科技材料等領(lǐng)域迅速發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣。

2" 分子篩合成方法

分子篩的合成方法是研究人工合成分子篩的途徑，一開始是仿照地球化學(xué)形成天然分子篩的過程來合成的，后經(jīng)過大量研究者們長期探索，不斷創(chuàng)新研究，形成了最傳統(tǒng)的分子篩制備方法，水熱合成法及水熱轉(zhuǎn)換法，之后又拓展到溶劑熱法、離子熱合成法、離子交換法、軟硬模板法等。除此之外，微波法、組合化學(xué)水熱法、固相分散法、催化劑改性法、干粉體系合成法等手段也可作為制備分子篩方法^[13]。

現(xiàn)有的合成方法，要么消耗大量的資源和能耗，排放出有害物質(zhì)，要么合成方法過于復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。而且隨著人們對資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)和對分子篩合成規(guī)律的進(jìn)一步掌握，開始提出了綠色合成的方法，出現(xiàn)了母液誘導(dǎo)法、晶種導(dǎo)向法和固相研磨法等合成新方法^[14]。本文僅簡述制備分子篩用的水熱、離子熱及微波合成法。

2.1" 水熱合成法

水熱合成法是最為傳統(tǒng)的分子篩合成方法，時至今日，也是被應(yīng)用最多的合成分子篩方法之一。水熱合成法是指以水為溶劑使合成分子篩的反應(yīng)原料在一定溫度和壓強(qiáng)的條件下發(fā)生特定的化學(xué)反應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)是工藝很簡單、操作很便利、成本低、無污染，同時水溶液對大多數(shù)物質(zhì)溶解能力強(qiáng)，但也存在一定的缺點(diǎn)，即水熱過程中反應(yīng)容器要有一定的耐高溫高壓性，實驗需要大量水溶劑^[15]。水熱合成法的關(guān)鍵點(diǎn)是在密封條件下通過高溫水汽產(chǎn)生體系內(nèi)壓力，形成反應(yīng)釜體系內(nèi)高壓環(huán)境，這有利于凝膠的晶化，形成晶格，促進(jìn)分子篩的合成。除了原始的水熱合成法，目前研究學(xué)者們對傳統(tǒng)水熱合成法帶來的殘留堿性物質(zhì)、有機(jī)模板劑、非水溶劑，以及高溫煅燒除去模板劑過程中產(chǎn)生大量的NO_x與CO₂，還有凝膠晶化帶來的能源消耗等成本問題進(jìn)行了更加經(jīng)濟(jì)綠色的合成路線^[16]。因此在水熱合成法的基礎(chǔ)上衍生了一系列輔助手段，以達(dá)到更快速合成更高產(chǎn)率的分子篩。

2.2" 離子熱合成法

離子熱合成法^[17]是用離子液體（或低共熔物）代替水熱合成法中的水溶劑來合成分子篩，該方法最初用于合成磷酸鹽類分子篩，同時該方法的應(yīng)用也促進(jìn)了分子篩合成機(jī)理的探索研究，現(xiàn)已適用于多種分子篩的合成方法。離子液體是一種綠色環(huán)保溶劑，在室溫下的蒸汽壓非常低，能有效避免了傳統(tǒng)方法中較大壓力，進(jìn)一步提高合成溫度，因此，近20年來在分子篩的合成研究方面頗受關(guān)注。該方法優(yōu)點(diǎn)在于離子液體既是溶解劑又是模板劑，節(jié)約了一部分原料成本，其缺點(diǎn)是離子液體價格較高、合成機(jī)理較為復(fù)雜。作為該方法溶劑的離子液體有很多，其中所以研發(fā)更多的磷酸鹽類分子篩、提高分子篩的使用性能、拓寬分子篩應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ牧峡茖W(xué)具有重要意義。

2.3" 微波合成方法

微波是一種電磁波，該電磁波的波長極短、頻率極高，在300～300 000 MH。微波加熱是指極性物質(zhì)在交變電磁場的作用下，分子極化并高速反轉(zhuǎn)產(chǎn)生類似“摩擦”現(xiàn)象，使電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?sup>[18]。微波合成方法是使用微波發(fā)生器向反應(yīng)物及模板劑混合均勻的容器里發(fā)射高頻微波，從而產(chǎn)生熱量合成分子篩。微波產(chǎn)生的超高頻電磁波能使反應(yīng)物快速碰撞，加大摩擦產(chǎn)生大量能量，從而縮短晶化時間，甚至在幾個小時內(nèi)就可高效完成^[19]。微波合成法相較于傳統(tǒng)方法的反應(yīng)速度快，晶格尺寸均勻，降低能耗。但是微波輔助合成的缺點(diǎn)也同樣明顯，微波是高能物質(zhì)對周圍環(huán)境有著極大的干擾能力，輻射對人體有害，在工業(yè)化生產(chǎn)上存在一定的局限性。

3" 分子篩應(yīng)用研究

3.1" 分子篩吸附劑的應(yīng)用研究

3.1.1" 分子篩在處理廢水中的研究

伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和建設(shè)能力也逐漸加劇，伴隨而來的工業(yè)廢水受到的污染也越來越嚴(yán)重^[20]。分子篩的晶體結(jié)構(gòu)均勻?qū)ΨQ性較好，孔徑大小適中，高比表面積，其硅氧四面體骨架上負(fù)電荷形成的電場產(chǎn)生的靜電引力，使分子篩對工業(yè)廢水、有機(jī)廢水等具備了較強(qiáng)的吸附能力。

李莉等^[21]利用共溶法制備分子篩，合成產(chǎn)品吸附羅丹明B，探究該產(chǎn)品的吸附性，吸附模型擬合后得出該吸附過程屬于單分子吸附，吸附過程的工藝條件影響其性能。在最優(yōu)化的工藝下，對羅丹明B去除程度可達(dá)80%。一次使用的分子篩解吸后再次吸附，利用三次后邊吸附能力仍約70%?？椎马樀?sup>[22]在含Cu²⁺廢水中加入NaX分子篩處理，在最優(yōu)的處理條件下，得到的實驗結(jié)果為：在25 ℃左右，廢水的pH約為7，反應(yīng)時間為20～25 min，Cu²⁺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由46%降低到2%左右，達(dá)到了國家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，使用后的分子篩還可經(jīng)過再生再利用。S.Razee等^[23]用改性分子篩吸附水中的有機(jī)化合物，如芳香族的化合物，結(jié)論為加入改性分子篩后，芳香族有機(jī)化合物的吸附率在45%～64%。

3.1.2" 分子篩在干燥物質(zhì)中的研究

分子篩分為不同孔徑，孔徑有零點(diǎn)幾到幾十納米，不同大小的孔徑可以吸附不同的分子，用于吸附劑的分子篩在脫除物質(zhì)中水分有著重要的作用。分子篩脫水的工作條件范圍廣泛，操作也簡單，成本低效率高，因此常用于氣體干燥、天然氣分離回收烴類物質(zhì)、有機(jī)溶劑干燥脫水等。

劉健等^[24]在研究分子篩的吸附時，用4A分子篩作為吸附劑，探索吸附在乙二醇二甲醚中的微量水，經(jīng)過控制實驗條件等研究顯示，其吸附模型是Langmuir、Freundlich模型，根據(jù)克勞修斯-克拉伯龍方程計算其吸附熱研究了吸附機(jī)理為化學(xué)吸附。姜洋等^[25]用3A、4A、5A和13X分子篩也是吸附甲基丙烯酸甲酯中微量水分，實驗研究得出的動力學(xué)曲線和通過考察的13X型分子篩的吸附控制因素發(fā)現(xiàn)，在13X型分子篩質(zhì)量濃度為0.4 g·mL^-1，其飽和吸附量最大，吸附效果最佳，吸附性能優(yōu)于3A、4A、5A分子篩。還有研究學(xué)者比較了在天然氣脫水中采用甲醇脫水與分子篩脫水，結(jié)果表明分子篩脫水解決了甲醇由于溫度產(chǎn)生的技術(shù)問題。

3.1.3" 分子篩在凈化空氣中的研究

大氣污染一直是人類高度關(guān)注的熱點(diǎn)問題，全球氣候變暖、酸性氣體和氮氧化物的排放、臭氧層破壞、植物建筑物遭受酸雨腐蝕等，導(dǎo)致人類生活和生產(chǎn)遭遇嚴(yán)重影響，若不加以控制，未來會越來越嚴(yán)重。而分子篩特有的孔道結(jié)構(gòu)，使其在吸附氣體中存在較高的選擇性，不僅可作為水的吸附劑，而且是良好的氣體吸附劑。

牛永紅等^[26]采用粉煤灰自制沸石分子篩，使用該分子篩凈化室內(nèi)空氣，除去甲醛。考察了影響甲醛凈化效果的因素，有空氣中相對濕度、空氣溫度、空氣流動速度、甲醛含量等，經(jīng)實驗后，在吸附溫度12 ℃時，相對濕度40%，甲醛最大吸附量為1.36、1.25 mg·g^-1；空氣流速為4 m·s^-1，最大吸附效率為0.675 mg·（g·h）^-1；甲醛質(zhì)量濃度0.75 mg·g^-1，甲醛氣體最大脫除率為83%。

王爍天等^[27]以4A、5A、13X和NaY分子篩作為吸附劑，在303 K、0.1 MPa條件下，分子篩對單組分CO₂和雙組分CO₂/CH₄混合氣的穿透吸附性能進(jìn)行了研究，其中13X分子篩吸附劑吸附性最好，對CO₂吸附量分別為2.65 mmol·g^-1和0.32 mmol·g^-1。在CO₂/CH₄混合氣體系，CO₂和CH₄分子存在競爭吸附，且CO₂穿透吸附容量明顯高于CH₄。

劉穎等^[28]采用XRD、SEM和BET等方法表征脫除廢水中氨氮的沸石分子篩的組成、結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：分子篩吸附廢水中的氨氮有著積極的作用，在實驗條件下平衡吸附量與氨氮濃度成正比、與投加量成反比。

3.2" 分子篩催化劑的應(yīng)用研究

分子篩催化劑最開始應(yīng)用于石油裂化，以此能夠提高效率，很快分子篩催化劑就得到了廣泛應(yīng)用。分子篩催化劑自出現(xiàn)以來，有微孔、介孔、大孔以及混合孔之分，并有著高的活性中心、適中的晶粒大小等優(yōu)異的特性而廣受關(guān)注，在石油化工、化學(xué)、電子材料等眾多領(lǐng)域有著關(guān)鍵作用^[29]。

3.2.1" 微孔分子篩催化劑的研究

20世紀(jì)60、70年代，國外一些公司就已經(jīng)研究出具有催化活性的分子篩，可應(yīng)用在異構(gòu)化、裂化等反應(yīng)工程中，20世紀(jì)80年代開發(fā)出一種硅磷酸鋁分子篩，經(jīng)過改性后其催化性能具有加倍效果。意大利公司的研究員開發(fā)的鈦硅分子篩催化劑，通過水熱法合成，應(yīng)用在苯、烷烴、烯烴等選擇性氧化領(lǐng)域^[30-31]。

國內(nèi)在20世紀(jì)60年代研發(fā)出人工合成分子篩，隨后各種大學(xué)、研究所等展開深入研究。高煥新等^[32]成功合成了鈦硅分子篩，并利用ICP-AES、XRD、FT-IR等方法進(jìn)行了表征發(fā)現(xiàn)，催化反應(yīng)結(jié)果表明該分子篩的反應(yīng)活性高低與分子篩中鈦的質(zhì)量成正比，與分子篩合路徑也存在聯(lián)系，含Ti³⁺分子篩催化性能更好。任春華等^[33]一直開展有關(guān)于沸石分子篩的研究及改性研究，完成了烯烴催化劑的制備以及中試試驗，結(jié)果表明了該烯烴轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%。

3.2.2" 介孔分子篩催化劑的研究

在實際反應(yīng)工程中，某些反應(yīng)物不易達(dá)到微孔分子篩的活性位點(diǎn)，而分子篩的催化性能與其活性位點(diǎn)有著重要關(guān)系。何農(nóng)躍等^[34]將Fe³⁺負(fù)載于MCM-41分子篩上，考察苯芐基化反應(yīng)催化性能，研究顯示沒有負(fù)載Fe³⁺的分子篩無論孔徑大小和溫度高低都沒有高的催化活性，甚至沒有催化活性，但負(fù)載Fe³⁺在60 ℃時則相反，因此表明Fe³⁺致使分子篩具有催化活性的。何靜等^[35]在純硅MCM-41負(fù)載Phillips烯烴催化劑組分Cr，經(jīng)過XRD、TEM以及光譜表征后，所得到的改性Cr催化劑能發(fā)生烯烴聚合生成的聚乙烯存在不同形貌，有結(jié)晶和無定形兩種形態(tài)，反應(yīng)條件和Cr負(fù)載量影響乙烯聚合速率。

陳強(qiáng)等^[36]研究了雙助劑含鐵的分子篩，經(jīng)過詳細(xì)表征其介孔結(jié)構(gòu)，表明所制備的分子篩催化劑具有較好的介孔結(jié)構(gòu)、較高的催化活性，尤其催化苯酚羥基化反應(yīng)。汪穎軍等^[37]制備了雙功能分子篩催化劑，將其命名為Ni-SiW12-Ce/Al-MCM-41，研究發(fā)現(xiàn)，Ce元素的添加增加了鎳的分散性，改善了孔徑結(jié)構(gòu)，提高了催化活性和穩(wěn)定性。

3.2.3" 復(fù)合孔分子篩催化劑的研究

單一孔道結(jié)構(gòu)分子篩催化劑在反應(yīng)中存在局限性，從而影響催化劑的催化活性，因此研究者們又將研究面向復(fù)合孔分子篩，旨在研究出具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的活性中心、應(yīng)用范圍寬的復(fù)合孔分子篩催化劑。

肖豐收等^[38]通過水熱法發(fā)明了同時具有微孔和介孔的分子篩，分子篩孔壁有著微孔和介孔的晶體結(jié)構(gòu)，能夠負(fù)載適合于微孔和介孔孔徑大小的原子，增加了負(fù)載原子種類，在化工生產(chǎn)上的應(yīng)用增加。趙東元等^[39]合成的復(fù)合孔分子篩是核殼結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用在催化及廢氣處理領(lǐng)域。Wang Liang等^[40]研究了水熱和酸處理方法合成了多級孔分子篩，并負(fù)載Ni/W金屬制備催化劑可應(yīng)用在加氫裂化等方面。王銀忠等^[41]使用檸檬酸刻蝕分子篩，制備出多孔道結(jié)構(gòu)的分子篩，作為甲醇制烯烴的催化劑，通過催化反應(yīng)，甲醇100%轉(zhuǎn)化時，復(fù)合分子篩催化劑壽命高，選擇性好。

陳玉晶等^[42]利用Al³⁺在SBA-15分子篩構(gòu)建活性位點(diǎn)，合成帶有梯級孔和酸度分布的核殼復(fù)合分子篩。在該分子篩負(fù)載活性金屬W-Ni雙組分從而形成石油催化劑。以伊朗VGO為原料，轉(zhuǎn)化率相同時，該催化劑的反應(yīng)溫度較低，對石油餾分選擇性高，且性質(zhì)穩(wěn)定。

4" 結(jié)論

分子篩本身具有的特性，使其已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生活和生產(chǎn)的方方面面。近年來關(guān)于分子篩的研究已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，也與工程生產(chǎn)聯(lián)系緊密，但從合成方法、研究機(jī)理以及更深層的應(yīng)用中還存在著較大的研究空間。因此，拓寬分子篩的應(yīng)用范圍、增強(qiáng)分子篩特性、更有效發(fā)揮分子篩這一無機(jī)非金屬材料的重要作用是未來研究發(fā)展的方向。建議在以下方面加大關(guān)注力度：首先根據(jù)《十四五大宗固體廢棄物綜合利用指導(dǎo)意見》要求，充分利用固體廢棄物為原料制備分子篩，既實現(xiàn)了資源綠色、高效高值利用，又增加了制備分子篩所用原料范圍；再次開拓研究新結(jié)構(gòu)和高性能分子篩的合成路徑及工藝；最后開展分子篩新應(yīng)用的研究，加大推進(jìn)綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的進(jìn)程。

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Overview of Application Research of Molecular Sieves

DONG Hainan^1，2， AN Baigang²， JIN Shi³， WANG Qingnan¹， GUO Yongqiang⁴， GUO Ke¹

（1. Angang Group Mining Design and Research Institute Co.， Ltd.， Anshan Liaoning 114000， China;

2. Liaoning University of Science and Technology， Anshan Liaoning 114000， China;

3. Qidashan Concentrator of Anshan Iron and Steel Group Co.， Ltd.， Anshan Liaoning 114000， China;

4. Angang Mine Car Transport Co.， Ltd.， Anshan Liaoning 114000， China）

Abstract： The development process and synthesis method of molecular sieves were introduced，and the application research status of molecular sieves as adsorbents and catalysts was summarized. The research on molecular sieving not only has great practical economic significance， but also has vital guiding significance for material science research.

Key words： Molecular sieve; Adsorbent; Catalyst