分子篩

發布:2015-09-16 09:45      點擊:

分子篩

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1932年,McBain提出了“分子篩”的概念。分子篩是指具有均勻的微孔,其孔徑與一般分子大小相當的一類物質。分子篩的應用非常廣泛,可以作高效干燥劑、選擇性吸附劑、催化劑、離子交換劑等,但是使用化學原料合成分子篩的成本很高。常用分子篩為結晶態的硅酸鹽或硅鋁酸鹽,是由硅氧四面體或鋁氧四面體通過氧橋鍵相連而形成分子尺寸大?。ㄍǔ?.3~2 nm)的孔道和空腔體系,因吸附分子大小和形狀不同而具有篩分大小不同的流體分子的能力。
中文名
分子篩
外文名
molecular sieve
種    類
天然沸石或合成沸石
適用場合
汽車、建筑玻璃、醫藥、油漆等
別    名
合成沸石
定    義
孔徑與一般分子大小相當的物質
硬    度
硬度為3~5
相對密度
相對密度為2~2.8
 






 
主要用于汽車、建筑玻璃、醫藥、油漆涂料、包裝等領域。
 

功能和特點

多孔材料在許多領域有著廣泛的應用,如微孔分子篩作為主要的催化材料、吸附分離材料和離子交換材料,在石油加工、石油化工、精細化工以及日用化工中起著越來越重要的作用。
分子篩(又稱合成沸石)是一種硅鋁酸鹽多微孔晶體。它是由硅氧、鋁氧四面體組成基本的骨架結構,在晶格中存在著金屬陽離子(如 Na+,K+,Ca2+,Li+ 等),以平衡晶體中多余的負電荷。分子篩的類型按其晶體結構主要分為:A型,X型,Y型等。
  分子篩相關標準:
《3A分子篩》《4A分子篩》《5A分子篩及其試驗方法》《13X分子篩》
《分子篩靜態水吸附測定方法》《分子篩動態水吸附測定方法》
《沸石分子篩動態二氧化碳吸附的測定》《粒狀分子篩粒度測定方法》《分子篩堆積密度測定方法》《分子篩抗壓碎力試驗方法》《制冷系統用分子篩干燥劑抗磨耗性能的試驗方法》
《工業活性氧化鋁》《空氣分離設備用活性氧化鋁 驗收技術條件》
 

工作原理

吸附功能:分子篩對物質的吸附來源于物理吸附(范德華力),其晶體孔穴內部有很強的極性和庫侖場,對極性分子(如水)和不飽和分子表現出強烈的吸附能力。
  篩分功能:分子篩的孔徑分布非常均一,只有分子直徑小于孔穴直徑的物質才可能進入分子篩的晶穴內部。
  通過吸附的優先順序和尺寸大小來區分不同物質的分子,所以被形象的稱為“分子篩”。
 

種類

分子篩有天然沸石和合成沸石兩種。①天然沸石大部分由火山凝灰巖和凝灰質沉積巖在海相或湖相環境中發生反應而形成。已發現有1000多種沸石礦,較為重要的有35種,常見的有斜發沸石、絲光沸石、毛沸石和菱沸石等。主要分布于美、日、法等國,中國也發現有大量絲光沸石和斜發沸石礦床,日本是天然沸石開采量最大的國家。②因天然沸石受資源限制,從20世紀50年代開始,大量采用合成沸石。
商品分子篩常用前綴數碼將晶體結構不同的分子篩加以分類,如3A型、4A型、5A型分子篩。4A型即表中A類,孔徑4Å;。含Na+的A型分子篩記作Na-A,若其中Na+被K+置換,孔徑約為3Å;,即為3A型分子篩;如Na-A中有1/3以上的Na+被Ca2+置換,孔徑約為5Å;,即為5A型分子篩。
 

性能

分子篩為粉末狀晶體,有金屬光澤,硬度為3~5,相對密度為2~2.8,天然沸石有顏色,合成沸石為白色,不溶于水,熱穩定性和耐酸性隨著SiO2/Al2O3組成比的增加而提高。分子篩有很大的比表面積,達300~1000m2/g,內晶表面高度極化,為一類高效吸附劑,也是一類固體酸,表面有很高的酸濃度與酸強度,能引起正碳離子型的催化反應。當組成中的金屬離子與溶液中其他離子進行交換時,可調整孔徑,改變其吸附性質與催化性質,從而制得不同性能的分子篩催化劑。
 

結構

由此構成的蛋白多糖聚合體曲折盤繞,形成多微孔的篩狀結構,稱為分子篩。分子篩只允許小于其微
分子篩分子篩
孔的物質通過,對大于其微孔的大分子物質、細菌等則具有屏障作用。使基質成為限制細菌等有害物質擴散的防御屏障。溶血性鏈球菌和癌細胞等能產生透明質酸酶,分解蛋白多糖,破壞基質結構,得以擴散。蛋白多糖聚合體上還結合著許多親水基團,能結合大量水分子,形成細胞外“儲水庫”。
分子篩簡介
分子篩是一種具有立方晶格的硅鋁酸鹽化合物。分子篩具有均勻的微孔結構,它的孔穴直徑大小均勻,這些孔穴能把比其直徑小的分子吸附到孔腔的內部,并對極性分子和不飽和分子具有優先吸附能力,因而能把極性程度不同,飽和程度不同,分子大小不同及沸點不同的分子分離開來,即具有“篩分”分子的作用,故稱分子篩。由于分子篩具有吸附能力高,熱穩定性強等其它吸附劑所沒有的優點,使得分子篩獲得廣泛的應用。
在生物大分子領域,常見的有bio-rad SEC分子篩預裝柱。
美國科學家發現,通過調整溫度,能夠精確地控制一種鈦硅酸鹽材料中的孔洞大小,制造出精密的新型分子篩。 一些晶體材料內部有著大量均勻的微孔,尺寸比孔洞小的分子能夠穿過,而大分子不能穿過,因此可以起到分離不同分子的作用,這類材料被稱為分子篩。
其實在2001年科學家在英國《自然》雜志上報告說,他們發現一種稱為鈦硅酸鹽ETS-4的物質能夠作為良好的分子篩。當溫度升高時,ETS-4會逐漸脫水,微孔的尺寸隨之減小。利用這種方法,可以在3到4埃(1埃等于百億分之一米)的范圍內精細地調整微孔尺寸。 科學家說,一些常見分子如氮氣、甲烷、氧氣、氬氣和水分子等尺寸都在3至4埃左右,彼此大小相差無幾,用ETS-4制作的分子篩可以有效地將它們分開。 研究人員已經嘗試用ETS-4從氮氣和甲烷混合物中將氮氣的含量由18%降到5%以下,并在分離氬氣與氧氣、氮氣與氧氣的實驗中也取得了成功。據認為這一技術將有重要的商業應用前景。
 

生產方法

有水熱合成、水熱轉化和離子交換等法:[1] 
① 水熱合成法 用于制取純度較高的產品,以及合成自然界中不存在的分子篩。將含硅化合物(水玻璃、硅溶膠等)、含鋁化合物(水合氧化鋁、鋁鹽等)、堿(氫氧化鈉、氫氧化鉀等)和水按適當比例混合,在熱壓釜中加熱一定時間,即析出分子篩晶體。合成過程可用下式表示:
工業生產流程中一般先合成Na-分子篩,如13X型與10X型分子篩的合成(見圖)。在水熱合成過程中添加某些添加劑可以改變最終產品的結構,如加入季胺鹽可得到ZSM-5型分子篩。
② 水熱轉化法 在過量堿存在時,使固態鋁硅酸鹽水熱轉化成分子篩。所用原料有高嶺土、膨潤土、硅藻土等,也可用合成的硅鋁凝膠顆粒。此法成本低,但產品純度不及水熱合成法。
③ 離子交換法 通常在水溶液中將Na-分子篩轉變為含有所需陽離子的分子篩,通式如下:
式中 Z-表示陰離子骨架,Me+表示需交換的陽離子,例如NH4 +、Ca2+、Mg2+、Zn2+等,原料通常為氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽。溶液中不同性質的陽離子交換到分子篩上的難易程度不同,稱為分子篩對陽離子的選擇順序,例如:13X型分子篩的選擇順序為Ag+、Cu2+、H+、Ba2+、Au3+、Th4+、Sr2+、Hg2+、Cd2+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Co2+、NH4 +、K+、Au2+、Na+、Mg2+、Li+。常用下列參數表示交換結果:交換度,即交換下來的Na+量占分子篩中原有Na+量的百分數;交換容量,為每100克分子篩中交換的陽離子毫克當量數;交換效率,表示溶液中陽離子交換到分子篩上的質量百分數。為了制取合適的分子篩催化劑,有時尚需將交換所得產物與其他組分調配,這些組分可能是其他催化活性組分、助催化劑、稀釋劑或粘合劑等,調配好的物料經成型即可進行催化劑的活化。
 

類型介紹

3A分子篩
化學式:2/3K2O·1/3Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2H2O
英文名稱:3A Molecular Sieve[1] 
硅鋁比:SiO2/ Al2O3≈2
有效孔徑:約3Å
應用:主要用于建筑玻璃行業,氣體提煉凈化及石化工業。
主要技術指標:
指標
單位
球狀
條狀
規格
mm
1.6-2.5
3-5
4-6
1.6
3.2
靜態水吸附(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
堆積密度
g/ml
≥0.68
≥0.68
≥0.68
≥0.64
≥0.64
抗壓強度
N
≥25
≥70
≥80
≥25
≥60
包裝含水量(575℃,3小時)
%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、脫除水分:視再生氣的壓溫度、含水量而定。一般情況下,200~350℃干燥氣體在0.3~0.5Kg/平方厘米,通過分子篩床層3~4小時,使出口溫度110~180℃,冷卻。
2、脫有機物:用水蒸氣代替有機物,然后脫除水份。
儲存:濕度不大于90%的室內:避免水、酸、堿、隔絕空氣保存。
包裝:30Kg密封鋼桶、150Kg密封鋼桶,130Kg密封鋼桶(條狀)。
4A分子篩
化學式:Na2O·Al2O3·2SiO2·9/2H2O
硅鋁比:SiO2/ Al2O3≈2
有效孔徑:約4Å
應用:主要用于天然氣以及各種化工氣體和液體、冷凍劑、藥品、電子材料及易變物質的干燥,氬氣純化,甲烷、乙烷、丙烷的分離。
主要技術指標:
指標
單位
球狀
條狀
規格
mm
0.5-1.0
1.6-2.5
3-5
1.6
3.2
靜態水吸附(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
堆積密度
g/ml
0.69-0.75
≥0.69
≥0.69
≥0.70
≥0.65
抗壓強度
N
/
≥30
≥80
≥40
≥70
包裝含水量(575℃,3小時)
%wt
≤1.5
≤1.5
≤1.5
≤1.5
≤1.5
吸附甲醇量
mg/g
≤140
≤140
≤140
≤140
≤140
5A分子篩
化學式:3/4CaO·1/4Na2O·Al2O3·2 SiO2·9/2H2O
硅鋁比:SiO2/ Al2O3≈2
有效孔徑:約5Å
應用:主要用于正異構烷烴的分離,氧氮分離,化工、石油天然氣、氨分解氣體和其他工業氣體及液體的干燥和精制。
主要技術指標:
指標
單位
球狀
條狀
規格
mm
1.6-2.5
3-5
1.6
3.2
靜態水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥21
≥21
≥21
≥21
磨耗率
%wt
≤0.2
≤0.2
≤0.25
≤0.25
堆積密度
g/ml
≥0.65
≥0.65
≥0.65
≥0.65
抗壓強度
N
≥28
≥60
≥30
≥60
包裝含水量(575℃,3小時)
%wt
≤1.5
≤1.5
≤1.5
≤1.5
吸附正乙烷量
mg/g
≥120
≥120
≥120
≥120
再生:1、脫除水分:視再生氣的壓力、溫度、含水量而定一般情況下,200~350℃氣體在0.3~0.5Kg/平方厘米壓力下,分子篩床層3~4小時,出口溫度到110~180℃,冷卻。
2、脫有機物:用水蒸氣代替有機物,然后脫除水份。
儲存:相對濕度不大于90%的室內:避免水酸堿絕空氣,密閉保存。
包裝:30Kg密封鋼桶 、150Kg密封鋼桶,130Kg密封鋼桶(條狀)。
10X分子篩
化學式:4/5CaO·1/5Na2O·Al2O3·(2.8±0.2) SiO2·(6-7)H2O
硅鋁比:SiO2/ Al2O3≈2.6-3.0
有效孔徑:約9Å
應用:主要用于吸附分離芳烴及石蠟精制。
主要技術指標:
指標
單位
球形
規格
mm
1.0-1.6
3.0-5.0
靜態水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥28
≥28
磨耗率
%wt

  

  
堆積密度
g/ml
≥0.7
≥0.6
抗壓強度
N
≥15
≥70
包裝含水量(575℃,3小時)
%wt
≤1.5
≤1.5
粒徑合格率
%
98
98
靜態正已烷吸附
mg/g
≥18
≥18
PH指數

  
10
10
落粉率
NTU
≤30
≤30
再生:1、脫除水分:視再生氣的壓力、溫度、含水量。200~350℃干燥氣體在0.3~0.5Kg/平方厘米壓力分子篩床層3~4小時,使出口溫度到110~180℃,冷卻。
2、脫有機物:用水蒸氣代替有機物,然后脫除水份。
儲存:相對濕度不大于90%的室內:避免水、酸、堿、隔絕空氣保存。
包裝:30Kg密封鋼桶、150Kg密封鋼桶。
13X分子篩
化學式:Na2O·Al2O3·(2.8±0.2)SiO2·(6-7)H2O
硅鋁比:SiO2/AL2O3≈2.6-3.0
有效孔徑:約10Å
應用:主要用于氣體的干燥與凈化,空分裝置原料氣的凈化(同時去除H2O和CO2),液態碳氫化合物和天然氣的脫硫(去除硫化氫和硫醇),催化劑載體。
主要技術指標:
指標
單位
球狀
條狀
規格
mm
1.6-2.5
3-5
1.6
3.2
靜態水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥25
≥25
≥25
≥25
磨耗率
%wt
≤0.2
≤0.2
≤0.25
≤0.25
堆積密度
g/ml
0.62-0.67
≥0.65
≥0.65
≥0.65
抗壓強度
N
≥30
≥60
≥30
≥60
包裝含水量(575℃,3小時)
%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、脫除水分:再生氣的壓力溫度含水量而定。200~350℃干燥氣體0.3~0.5Kg/平方厘米壓力下,通過分子篩床層3~4小時使出口溫度到110~180℃。
2、脫有機物:用水蒸氣代替有機物,然后脫除水份。
儲存:室溫,相對濕度不大于90%的室內:避免水酸堿隔絕空氣保存。
包裝:25Kg密封鋼桶、125Kg密封鋼桶,140Kg密封鋼桶
13XAPG分子篩
應用:主要用于大中型空分裝置原料的凈化(同時去除H2O和CO2)及部份碳氫化合物,天然氣、液化石油氣、液態烴的干燥和脫硫;常用氣體干燥。
主要技術指標:
指標
單位
球狀
條狀
規格
mm
2-3
3-5
1.6
3.2
靜態水吸附(25℃,RH50%)
%wt
≥27
≥27
≥27
≥27
磨耗率
%wt
≤0.10
≤0.10
≤0.10
≤0.10
堆積密度
g/ml
0.66
≥0.66
≥0.63
≥0.63
抗壓強度
N
≥40
≥90
≥35
≥60
包裝含水量
(575℃,3小時)
%wt
≤1.0
≤1.0
≤1.0
≤1.0
靜態水吸附
%wt
≥24
≥24
≥23.5
≥23.5
CO2吸附量
(25℃,250mmHg)
%wt
≥18
≥18
≥18
≥18
再生:冷卻。
2、脫有機物:用水蒸氣代替有機物,然后脫除水份。
儲存:室溫,相對濕度不大于90%的室內:避免水、酸、堿、隔絕空氣密閉保存。
包裝:25Kg密封鋼桶125Kg密封鋼桶140Kg密封鋼桶(條狀)。
富氧分子篩
5A小型富氧分子篩是一種特制的5A分子篩,是專為醫療保健制氧機而生產的,該分子篩具有制氧純度高、速度快、使用壽命長的特點,是5A分子篩在醫療保健行業的一個重要應用。
化學式:4/5CaO·1/5Na2O·Al2O3·2 SiO2
硅鋁比:SiO2/Al2O3≈2
有效孔徑:約5Å
應用:除具有一般5A分子篩的特性外,主要用于變壓吸附制氧。
主要技術指標:
指標
單位
球狀
規格
mm
2-3
0.6-0.9
磨耗率
%wt
≤0.2
≤0.2
堆積密度
g/ml
≥0.67
≥0.67
抗壓強度
N
≥30
/
氮吸附
mlN2/g
≥10
≥10
氮氧分離比
mlN2/Mo2
≤3.0
≤3.0
產氣量
NL/kg·h
≥20
≥40
氧氣含量
%
93±2
93±2
包裝含水量(575℃,3小時)
%wt
≤1.0
≤1.0
儲存:室溫,相對濕度不大于90%的室內:避免水、酸、堿、隔絕空氣。
包裝:30Kg密封鋼桶、150Kg密封鋼桶。
XH系列制冷劑
XH-5分子篩主要用于R12、R22制冷劑的干燥和凈化,提高制冷效果。
XH-7分子篩適用于冰箱、冰柜、空調用新型制冷劑R-134a及丁烷等制冷劑的脫水干燥。
XH-9分子篩適用于車船等用空調及冰箱冰柜等新型制冷劑的脫水干燥,是一種通用型的制冷劑用干燥劑。
主要技術指標:
指標
單位
XH-5
XH-7
XH-9
直徑
mm
1.6-2.5
1.6-2.5
1.6-2.5
動態水吸附量
%wt
≥6.0
≥6.0
≥6.0
靜態水吸附量
%wt
≥20
≥18.0
≥18.5
堆積密度
g/ml
≥0.80
≥0.80
≥0.85
抗壓強度
N
≥80
≥80
≥75
磨耗率
%wt
≤0.1
≤0.1
≤0.1
殘余含水量
%wt
≤1.0
≤1.0
≤1.0
與R-134a的相容性試驗
/
/
/
/
試驗前干燥劑的含氟量
%wt
/
0.018
0.018
試驗后干燥劑的含氟量
%wt
/
0.018
0.018
儲存:室溫相對濕度不大于90%的室內:避免水、酸、堿、隔絕空氣,密閉保存。
包裝:35Kg密封鋼桶、160Kg密封鋼桶。
中空玻璃專用
中空玻璃通用型分子篩可以同時吸附中空玻璃中的水分和殘留有機物,使中空玻璃即使在很低溫度下仍然保持光潔透明,同時,能充分降低中空玻璃因季節和晝夜溫差巨大變化所承受的強大內外壓力差,徹底解決普通中空玻璃干燥劑易使中空玻璃膨脹或收縮而導致的扭曲破碎問題,充分延長中空玻璃的使用壽命。
主要用途:
吸附掉生產時密封于中空玻璃空氣層內的水分及雜物。
在中空玻璃壽命期內連續吸附進入空氣層內的水分,以保持和穩定中空玻璃內的低露點。
使用惰性氣體(氬氣和氮氣)可以提高節能效果。為獲得減少噪音及改善熱傳導效果而使用六氟化硫替代空氣時,中空玻璃專用分子篩對六氟化硫幾乎不吸附。
主要技術指標:
指標
單位
球狀
規格
mm
φ1.0-1.6
φ0.5-1.0
堆積密度
g/ml
≥0.74
≥0.74
抗壓強度
%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
包裝含水量
wt/%
<1.5
<1.5
儲存:室溫,濕度不大于90%的室內:避免水、酸、堿、隔絕空氣,密閉保存。
包裝:30Kg密封鋼桶、150Kg密封鋼桶。
分子篩不同品種參數及用途
類型
直徑
體積密度(g/ml)
吸水性
磨損度W (%)
用途
3A
3 Å
0.60~0.68
19~20
0.3~0.6
干燥石油裂解氣和烯烴
4A
4 Å
0.60~0.65
20~21
0.3~0.6
分離天然氣和烯烴
5A
5 Å
0.60~0.65
20~21
0.3~0.5
干燥和凈化空氣,脫水和脫硫天然氣;脫硫石油氣;氧氣和氫氣生產變壓吸附過程
5A-DW
5 Å
0.45~0.50
21~22
0.3~0.6
脫脂、烯烴分離和和抑制的航空煤油和柴油傾點
10X
8 Å
0.50~0.60
23~24
0.3~0.6
高效吸附,可用于干燥,脫硫脫碳,氣體和液體和分離芳烴
13X
10 Å
0.55~0.65
23~24
0.3~0.5
干燥,脫硫和凈化的石油氣、天然氣
13X-AS
10 Å
0.55~0.65
23~24
0.3~0.5
用于空氣分離工業干燥和脫碳
Cu-13X
10 Å
0.50~0.60
23~24
0.3~0.5
航空用液態碳氫化合物脫硫
 

干燥技術

微波干燥技術解決了傳統干燥分子篩中干燥速度緩慢,能量損耗大,產品品質差的問題,具體表現在:
1、微波干燥分子篩速度快 , 一般幾分鐘就可達到微波干燥目的;
2、微波干燥分子篩均勻,實現深度干燥,產品品質好;
3、靜態干燥,不燒帶,粉塵少;
4、非接觸式干燥,避免了對分子篩的污染;
5、微波干燥分子篩工藝安全、節能、環保 使用電能,內外同時干燥,比電熱干燥節能50%以上;
6、縮短生產周期,極大的減少生產流動資金占用;
7、微波干燥設備箱體溫度在40℃以下,改善工人工作環境;
8、設備操作簡單方便。
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