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沸石的吸附性質

發布時間:2018-04-12     瀏覽次數:8696

一切固體物質表面的原子或分子和固體內部的原子或分子所處的狀態是不同的。在固體內部原子或分子所受的吸引力是對稱的,它均勻地分布在周圍的原子或分子上,處在力場飽和的平衡狀態;而表面的原子或分子所受的力則是不對稱的,也就是說固體表面有過剩的表面自由能,即表面有吸附力場存在,這種吸附力稱為 色散力,是固體表面對氣體或液體具有吸附作用的原因。當氣體或液體進入吸附力 場作用范圍時,就會被吸附,從而降低固體表面的自由能。這種不飽和力場的作用范圍,大約相當于分子直徑的大小,也就是幾埃左右。

從上述情況可知,一切固體物質的表面都有吸附作用。實際上,只有多孔物質 或磨得很細的物質,由于具有很大的表面積,才有明顯的吸附作用,被稱為吸附劑。如活性炭、硅膠、活性氧化鋁和沸石等。

1896年發現脫水的沸石能吸留酒精、苯等液體。1909年發現脫水的菱沸石能吸附氨、硫化氫等氣體。至20世紀20年代開始對沸石的吸附性能進行了系統的研究。

依據沸石的吸附機理,人們對沸石改性處理,獲得了對無機物和有機物更好的吸附性能。同其他吸附劑相比,沸石的吸附有它自己的特點。

 沸石不同于一般常用的固體吸附劑(硅膠,性炭等) 其具有兩個顯著的特點:沸石的選擇性吸附和高效率吸附。

在一般情況下,沸石結構中的孔道和孔穴都充滿了水分子,分子圍繞著可交換的陽離子形成水化球,常在350℃或 400℃下加熱數小時或更長時間沸石將會失去水分子。

這時,些有效直徑小到足,通過孔道的分子將易于被沸石吸附在脫水孔道和孔穴中,直徑過大無法進入孔道的分子將被排斥,這就是人們熟悉的沸石的選擇性吸附

選擇性吸附1925年發現脫水菱沸石能強烈地吸附水、甲醇、乙醇,而完全不能吸附乙烷、丙酮和苯,即具有選擇性吸附的特性。如上所述,沸石晶體內部存在很多孔穴和孔道,它們的體積占沸石晶體總體積的50%以上,而且孔穴、孔道大小均勻、固定,和普通分子的大小相當。一般孔穴直徑在6?15A之間,孔道直徑約在3?10A之間。表2-8是沸石、硅膠和活性炭對直鏈烴選擇吸附的實驗結果,從表中數據可以看出,活性炭對各種烴類的吸附量都很高,而硅膠在室溫下對揮發性丁烷-正丁烷和異丁烷的吸附量則很低,說明它們的吸附作用是沒有選擇性的。只有5A分子篩具有選擇性吸附作用,很明顯只有那些直徑比較小的分子,才能通過沸石孔道5A分子篩的孔徑為5人)被吸附,而直徑大的分子,由于不能進入沸石孔穴,則不能被沸石吸附,因此沸石的選擇吸附、篩分分子性能決定于沸石的孔徑和被吸附分子的大小。

表2-8沸石、硅膠和活性炭對直鏈烴的選擇吸附的實驗結果


吸附質

溫度/℃

壓力/kPa

吸附量/(g/100g吸附劑

吸附分子的臨界直徑/A

5A

硅膠

活性炭

正丁烷

25

6.27

9.8

3.4

24

4.89

異丁烷

25

13.07

0.5

4.8

26

5.6?5.9

25

6.67

().5

35

44

6.5?6.8


沸石

沸石分子篩還是唯一的高溫吸附劑,在較高溫度下,沸石分子篩仍能吸附相當數量的水分子而活性氧化鋁,特別是硅膠,在較高溫度時則大大喪失了吸附能力。由此可知,沸石的吸附作用遠遠超過硅膠、活性炭等一般吸附劑。


下表列出了幾種沸石比表面積的測定值,從所列數據情況看,實際測定結果和估算數值是相符的。沸石的內表面遠比一般顆粒的外表面大,一微米大小的一般固體顆粒每克僅有幾個平方米。因此,沸石的吸附量遠遠超過其他物質。

沸石的比表面積

沸石分子篩型號

比表面積/(㎡/g)

飽和吸附量/[標準狀態下cm3/(1U0g ?脫水篩)]

13X(Na 型)

1030

445(H20)

10X(Ca 型)

1030

 

4A(Na 型)

約800

357(H20)

5A(Ca 型)

750—800

 

菱沸石(富Ca)

750

366(H20)

絲光沸石

440



那么究竟是什么原因使沸石對水等極性分子具有那么強大的吸附能力呢?

沸石和硅膠、 活性炭等之所以能作吸附劑,根本原因就是它們表面具有色散力 (即吸附力),這種力的作用范圍很小,通常距表面只有幾個埃左右,大約相當于水等極性分子直徑的大小。一般情況下,沸石的孔道或孔穴的孔徑僅有幾埃,即使是最大孔穴的直徑也只有幾十埃,它們剛好能裝得下水等極性分子。因此處于脫水沸石孔道或孔穴中的這些分子受到各方面孔壁表面的吸附力(即色散力)的作用,便產生孔壁場迭加,形成超空效應,使其吸引力特別強。由于色散力隨與表面的距離增大而迅速減小,且硅膠和活性氧化鋁的孔徑較沸石大得多,所以它們的吸附作用力遠比沸石小。

另外,沸石與活性炭等吸附劑不同,后者的吸附力完全是依靠色散力而前者不僅色散力很大,而且還有較大的靜電力,這種靜電力主要是由于沸石晶格空穴中分布 有陽離子,同時部分格架中氧也具有未被抵消的負電荷,于是在這些粒子周圍便形成 了強大的電場。

沸石由于色散力和靜電力的共同作用,故其吸附能力特別強,以致對低濃度、高 溫、高速的極性流體,仍有較大的吸附作用。正因為有靜電力的存在,沸石對極性、不飽和以及易極化的分子都具有優先的選擇吸附作用。 

   硅膠、活性氧化鋁和活性炭都沒有固定的均勻孔徑,孔徑范圍變化很大,如硅膠的孔徑大小從10?1000A不等,活性氧化鋁的孔徑在10?10000A之間,因此大小分子都可進入孔道被吸附,故沒有篩分性能,也就是選擇吸附性能。



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