当需要把大小不同的固体颗粒分开时,人们马上就会想到筛子。那么,是不是有一种筛子,可以把大小不同的分子分开呢?答案是肯定的。人们现在已经找到一类叫做分子筛的物质,它们可以将混合物中的分子按其大小加以筛分。
分子筛又称沸石,它在自然界里就存在,但目前在工业上用的大多是人工合成的。在外观上,分子筛是粉末状的固体,有金属光泽,天然沸石有颜色,合成沸石都是白色的。在化学结构上,分子筛是一种结晶型的铝硅酸盐,其晶体结构中具有许多空穴,空穴之间有孔道(又称窗口)相连,凡直径比孔径小的“瘦”分子可以通过窗口进入空穴,而直径大于孔径的“胖”分子就只能被挡在窗口外面“望筛兴叹”。
虽然分子筛主要是由氧化硅、氧化铝所组成,但是随着其中所含氧化硅与氧化铝比例的变化,它们可以构架组建成数目众多的、具有不同结构和性能的分子筛,它们的孔道形状和大小可以有很大差别。例如,A型分子筛的孔径为0.4纳米左右,X型分子筛的孔径则要大一倍,约为0.8~0.9纳米。此外还有诸如Y型分子筛、ZSM—5型分子筛等等许
多类型。
分子筛是个多孔性的物质,其中密布着大大小小的空穴,假如把这些孔都展开,它的表面积非常之大。1克分子筛只有一片较大的药片这么大,可是它里面的孔表面积竟能达到
300~1000平方米,比一般的一户家居面积还要大得多。分子筛里的空穴也叫笼子,笼子有大有小,X型和Y型分子筛结构中都有一种超级笼子,这里面可以装下5个苯分子,其容量可真不小。
上面说的是分子筛对分子的大小和形状的选择性,就是说,分子要能通过分子筛的孔道,其直径必须小于分子筛的孔径。但是,假如有几种分子都可以通过孔道,那就涉及另一方
面的选择性。这里有个“竞争上岗”的问题,凡是与分子筛亲和力强的分子就会在竞争中占优势,它们更容易吸附于分子筛中,留在空穴内,而其他的分子只能退避三舍。利用分子筛对一些杂质和水的亲和力较强的性质,人们可以除去氢气中的杂质而大大提高它的纯度,也可以用来降低空气中的湿度。
分子筛不仅可以用作吸附剂来对某些物质进行分离,同时还是一类性能超常、用途广泛的催化材料。分子筛的结构中带有酸性,可以作为固体酸类的催化剂,它具有很高的活性、选择性和稳定性。由于它能大大加速石油中各类分子的裂化等反应,以Y型分子筛为催化剂的催化裂化已是当前我国生产汽油的主要过程。分子筛还可以用作各种催化剂的载体,如石油加氢裂化的催化剂就是把镍、钼、钨等金属载在分子筛上而制成的。
目前,国内外对于分子筛的研究方兴未艾,新型的分子筛层出不穷,它们各有其“过人”的本领,其前景十分广阔。