定義介紹
沸石分子篩沸石分子篩是一種無機晶體材料，因具有規整的孔道結構、較強的酸性和高的水熱穩定性而廣泛套用於催化、吸附和離子交換等領域中，並起著不可替代的作用。人們對於沸石分子篩的人工合成研究可追溯到 20 世紀 40 年代，Barrer 等通過對天然礦物在熱的鹽溶液中相態轉變的研究，首次實現了沸石分子篩的人工合成，自此揭開了人工合成沸石分子篩的序幕。
最早發現的是天然沸石，大約有50多種，早期對它們的用途很少開發．其套用主要局限於氣體的乾燥、純化及分離。二十世紀50年代A和x型沸石，特別是Y型沸石的人工合成及其在催化裂解上的套用被看成是沸石材料工業和商業化的開端。從那時到現在的半個世紀裡，沸石分子篩的研究經歷了三個主要發展階段，即七十年代ZSM-5的合成、八十年代AIPO系列分子篩的合成和九十年 代M4lS介孔類分子篩的合成。現今沸石分子篩的種類已至少超過120多種，孔道尺寸從微孔擴展到了中孔，骨架化學組成從矽酸鋁擴展到了含有各種雜原子的矽鋁酸鹽及磷鋁酸鹽，已成為石油加工和精細化工中不可缺少的催化和吸附材料。
沸石分子篩是結晶鋁矽酸金屬鹽的水合物，其化學通式為：Mx/m[(AlO)x·(SiO)y]·zHO。M代表陽離子，m表示其價態數，z表示水合數，x和y是整數。沸石分子篩活化後，水分子被除去，餘下的原子形成籠形結構，孔徑為3～10Å。分子篩晶體中有許多一定大小的空穴，空穴之間有許多同直徑的孔（也稱“視窗”）相連。由於分子篩能將比其孔徑小的分子吸附到空穴內部，而把比孔徑大的分子排斥在其空穴外，起到篩分分子的作用，故得名分子篩。沸石分子篩在自然界中即可存在，人工大量合成是從上世紀70年代開始。
性能
吸附性能
沸石分子篩的吸附是一種物理變化過程。產生吸附的原因主要是分子引力作用在固體表面產生的一種“表面力”，當流體流過時，流體中的一些分子由於做不規則運動而碰撞到吸附劑表面，在表面產生分子濃聚，使流體中的這種分子數目減少，達到分離、清除的目的。由於吸附不發生化學變化，只要設法將濃聚在表面的分子趕跑，沸石分子篩就又具有吸附能力，這一過程是吸附的逆過程，叫解析或再生。由於沸石分子篩孔徑均勻，只有當分子動力學直徑小於沸石分子篩孔徑時才能很容易進入晶穴內部而被吸附，所以沸石分子篩對於氣體和液體分子就猶如篩子一樣，根據分子的大小來決定是否被吸附。由於沸石分子篩晶穴內還有著較強的極性，能與含極性基團的分子在沸石分子篩表面發生強的作用，或是通過誘導使可極化的分子極化從而產生強吸附。這種極性或易極化的分子易被極性沸石分子篩吸附的特性體現出沸石分子篩的又一種吸附選擇性。
離子交換性能
通常所說的離子交換是指沸石分子篩骨架外的補償陽離子的交換。沸石分子篩骨架外的補償離子一般是質子和鹼金屬或鹼土金屬，它們很容易在金屬鹽的水溶液中被離子交換成各種價態的金屬離子型沸石分子篩。離子在一定的條件下，如水溶液或受較高溫度時比較容易遷移。
在水溶液中，由於沸石分子篩對離子選擇性的不同，則可表現出不同的離子交換性質。金屬陽離子與沸石分子篩的水熱離子交換反應是自由擴散過程。擴散速度制約著交換反應速度。
催化性能
沸石分子篩具有獨特的規整晶體結構，其中每一類都具有一定尺寸、形狀的孔道結構，並具有較大比表面積。大部分沸石分子篩表面具有較強的酸中心，同時晶孔內有強大的庫侖場起極化作用。這些特性使它成為性能優異的催化劑。多相催化反應是在固體催化劑上進行的，催化活性與催化劑的晶孔大小有關。沸石分子篩作為催化劑或催化劑載體時，催化反應的進行受到沸石分子篩晶孔大小的控制。晶孔和孔道的大小和形狀都可以對催化反應起著選擇性作用。在一般反應條件下沸石分子篩對反應方向起主導作用，呈現了擇形催化性能，這一性能使沸石分子篩作為催化新材料具有強大生命力。
結構
它具有晶體的結構和特徵，表面為固體骨架，內部的孔穴可起到吸附分子的作用。孔穴之間有孔道相互連線，分子由孔道經過。由於孔穴的潔淨性質，分子篩的孔徑分布非常均一。分子篩依據其晶體內部孔穴的大小對分子進行選擇性吸附，也就是吸附一定大小的分子而排斥較大物質的分子。
沸石分子篩按其孔或通道體系可分為小孔，中孔（介孔）和雙孔沸石三個組別。可用於富氧空氣的變壓吸附分離。
兩種常用沸石分子篩結構圖
(a)A型
(b)B型沸石分子篩膜
沸石分子篩是一類具有規則微孔結構的矽鋁酸鹽晶體，其不僅具有一般無機膜材料的固有的物理化學特性，更為優異的是，其均一的規則的、具有特定的空間走向的結晶孔道系統以及可調變的骨架Si/Al比等特性賦予沸石分子篩膜擁有篩分、擇形功能特性和可調變的膜的表面特性，使其成為實現分子水平上高效分離及膜催化反應一體化的優良多孔膜材料，是最具潛力最有前途的膜材料之一。自20世紀90年代，沸石分子篩膜的製備和套用研究在國際上得到了高速發展，沸石膜研究成為膜科學與技術的研究熱點和前沿。
沸石分子篩膜中的傳質機理主要是表面擴散和活性化擴散。表面擴散包括吸附和擴散過程，即首先分子從分離體相進入沸石分子孔表面，吸附在表面上和孔中，吸附在表面和孔中的分子在化學勢的梯度下，從一個吸附點躍遷至空位或另一個吸附點，在膜的透過側脫附擴散進入滲透相。活性化擴散是分子與膜材料表面的吸附作用弱，體相分子進入孔後，直接在孔中擴散的過程。因此，沸石分子篩膜分離選擇性由於分子吸附和擴散的差異而導致不同，沸石膜材料的表面特性、孔道結構與分子的特性如大小與極性是 決 定 了 膜 的 分 離 性 能。另 一 方面，支撐沸石膜的有效分離層由一多晶沸石層構成的，由於是多晶層，因此多晶層的厚度、連續性、多晶間隙、取向等微觀結構是決定沸石膜的分離效果的根本因素。與其它膜材料同樣，高性能沸石膜開發的關鍵任務在於依據分離體系的分子特性進行膜材料的設計和膜的微觀結構的調控。
製備方法
水熱、溶劑熱 合成法
水（溶劑）熱合成法是將合成沸石的前軀體預先分散在水（溶劑）溶液中，然後在一定的溫度和自生壓力下經過成核、生長、結晶等過程形成沸石。20世紀40年代，Barrer使用低溫水熱法合成了首批低矽沸石，之後不斷有其他類型的分子篩被成功合成。該合成方法的優點是水對大多數物質尤其是離子型和極性化合物溶解能力強（水是極性分子，相似相溶原理），且該合成方法的反應條件溫和、污染小、成本低；缺點是合成周期長，形成的沸石分子篩不純，易出現雜相，合成的沸石種類有限。後來人們嘗試使用有機溶劑代替水，Bibby和Dale首次使用乙二醇和丙醇作為溶劑合成出矽鋁比大範圍可調的沸石以及SOD結構的純矽沸石；而後，徐如人等使用多種有機溶劑合成出ZSM-39、ZSM-48型分子篩。該方法優點：溶劑可以溶解難溶於水或者溶於水後不穩定的反應物，有機溶劑具有多樣的物理和化學性質，為合成沸石提供了更廣闊的空間；同時在溶劑熱體系下，有助於生成較少缺陷的單晶；缺點是合成過程使用了大量的有機溶劑，增加了操作的危險性，不適宜實際工業生產。
氣相合成法
氣相合成法是將不含模板劑的分子篩前軀體製備成乾凝膠，而後在少量水和有機胺作為液相成分的氣氛下，通過一定的溫度將其轉變為分子篩。1990年Xu等首先提出該法，並成功合成了MFI型分子篩；之後有人利用這種方法合成了ZSM-5和ZSM-35分子篩膜。這種方法的優缺點都非常明顯，優點是合成過程無廢水產生，混合溶劑可以循環利用，模板劑用量降低，合成分子篩成本更低；缺點是結晶時間長，合成周期久，產物易出現雜相。對於合成分子篩膜，因為加熱慢、加熱不均勻，沸石就不會在支撐體表面同時成核，進而影響分子篩膜的厚度。
乾膠凝膠法
乾膠凝膠法是把一定量的沸石合成原料、模板劑和去離子水充分混合均勻後過濾、洗滌，得到無定形凝膠，在凝膠形成後將其烘乾變成乾粉，最後在水蒸汽氣氛下完成合成。這種方法由我國學者徐文暘於1990年提出，並成功合成了ZSM-5分子篩。後來，有人用這種方法合成了具有中等孔尺寸的MFI型沸石納米晶。該方法的優點：模板劑用量較少，減少廢物的排放同時降低合成成本，該法在一定程度上提高產率；缺點是合成過程所使用的乾凝膠要先製備水合凝膠而後在將水合凝膠蒸發乾得到，製備過程相對複雜，限制了工業套用。
離子熱合成法
離子熱合成法以離子液體或低共熔混合物同時作為合成反應的溶劑和模板劑進行合成的方法，該法原理與水熱合成法相同。2004年，Morris小組報導了分子篩的離子熱合成法。2010年，中國科學院大連化學物理研究所採用離子熱合成法合成了超大孔（20元環）的磷酸鋁分子篩。該方法優點為：離子液體中的有機陽離子起到溶劑和結構導向劑的作用；離子液體中離子間有較強的相互作用，單個分子難以脫離整個體系，加熱過程一般不產生蒸汽壓，減少高壓帶來的危險，更適合工業化生產；缺點是合成周期長、能源消耗大，效率低。
套用
沸石分子篩晶體具有吸附性、可交換性等諸多優良性能，所以被廣泛套用於石油 化工工業、洗滌劑工業、精細化工等工業。在沸石分子篩的研究中，以廉價天然礦物 為原料製備分子篩和其功能性的研究是該領域中最具有價值的研究之一。紅輝沸石 屬於輝沸石族，是其中的一個礦物種，紅輝沸石以含水架狀鋁矽酸鹽為基礎結構， 在不同溫度環境下對各種陽離子具有選擇吸附性，且具有良好的催化功能、可加工性能、低硬度、低熱膨脹性能，且熱穩定性較好，被廣泛套用於環境材料，農牧業改良， 化工添加劑和吸附劑等領域。
畜牧業生產
分子篩獨特的結構決定了其有良好的吸附性能和離子交換性能，利用分子篩為載體，吸附接枝抗菌物質製成飼料添加劑，可以增加抗菌劑的緩釋能力，提高抗菌劑利用效率，從而達到事半功倍的目的，同時，分子篩自身也具有一定的殺菌能力，能提高牲畜的抗病能力，且分子篩無毒無害，性能穩定，不會被動物吸收。利用分子篩吸附二甲酸鉀製得的分子篩抗菌劑能大幅度提高二甲酸鉀的抑菌能力。
醫藥產業
利用分子篩良好的吸附性能和分散性能，可以作為藥物的載體，對藥物中的有效 成分進行吸附接枝，可以提高藥物的緩釋性能，增強藥效，延長藥物作用的時間，且 分子篩無毒無害，服用之後在人身體內不發生吸收，對身體無毒副作用。還可以載入 特定病菌，有效地抑制細菌生長。沸石分子篩良好的離子交換性能可以吸附交換重金 屬離子，從而可以製備高度活性和耐久性的抗菌劑。
污水處理
天然紅輝沸石具有一定的離子交換和吸附性能，利用其性能可以從污水中吸附氨 氮，從而達到淨化污水的效果。天然紅輝沸石經過特殊處理之後，可以形成分子篩， 分子篩的離子交換與吸附性能遠遠高於天然沸石，這使其能夠更好地吸附污水中的重 金屬離子及其他有害離子，如：鎳、鋅、鉻、鎘、汞、鐵等離子及酚、氨氮、三氮、 磷酸根離子等有機物，因此，分子篩是處理污水的新型材料
農業
利用分子篩的吸附性能及陽離子交換性能，可以改良土壤性能，降低土壤 pH， 提高農作物需要的微量元素的供應，交換農作物所需要的 K、Na、Mg、Ca等離 子，起到間接肥的作用。同時，分子篩可以吸附雙氫胺等物質配成肥料緩釋劑，不僅大幅度提高了氮肥實際利用率，延長氮肥有效期，還可以改善農作物營養狀況，提高 農作物生長活力和抵禦病毒能力，最終達到農作物增產增收的目的。
