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活性氧化铝、分子筛的应用

活性氧化铝和分子筛都是具有内部空矿孔结构的固体材料,具有很大比表面积、孔道尺寸可调节等特点。两者具备很好的吸附能力,都是工业生...

   活性氧化铝分子筛都是具有内部空矿孔结构的固体材料,具有很大比表面积、孔道尺寸可调节等特点。两者具备很好的吸附能力,都是工业生产中常用的吸附剂。那我们就用一篇文章介绍一下活性氧化铝、分子筛的应用。
一、活性氧化铝的应用
       活性氧化铝(γ-Al2O3)是一种多孔性,高分散度的固体物料,具有表面积大、吸咐性能好、表面酸性、热稳定性良好的特点,活性氧化铝属于过渡形态氧化铝。为粉状、球状或柱状白色固体。其晶体结构不同于工业氧化铝。活性氧化铝属于四角晶系,晶格与尖晶石的结构十分类似。活性氧化铝的晶体是无序的,这种无序性主要由铝原子的无序性来决定,正因为铝原子的无序性:控制其制备条件,可制得多种不同比表面积和孔容的活性氧化铝产品,因此在吸附干燥方面和催化领域中使用最多。

活性氧化铝孔分布

1、活性氧化铝在吸附干燥方面的应用

活性氧化铝吸附式干燥设备

      活性氧化铝作为吸附剂的主要的工业应用包括气体干燥、液体干燥、水质净化、石油工业的选择吸附以及色层分离工艺等。
       活性氧化铝干燥的气体主要有:乙炔、裂解气、焦炉气、氢气、氧气、空气、乙烷、氯化氢、丙烷、氨气、乙烯、硫化氢、丙烯、氩气、甲烷、二氧化硫、二氧化碳、天然气、氦气、氮气、氯气等。
      活性氧化铝干燥的液体主要有:芳香烃类、高分子烯烃类、汽油、煤油、环己烷、丙烯、丁烯以及许多卤化烃类等。这些液体与氧化铝接触时,二者不会发生反应或聚合,同时,干燥的液体中不含有容易吸附在氧化铝表面并且再生时不易去掉的组分。
       在水质净化吸附方面,活性氧化铝除主要用于去除饮水中的氟化物外,对工业污水颜色及气味的消除也很有效果。此外,活性氧化铝在碳水化合物的回收和选择性吸附及动力系统油的养护中也有普遍应用。

2、活性氧化铝在催化剂及载体的应用

 活性氧化铝催化剂结构

(1)活性氧化铝用作催化剂载体,在功能简单的催化反应中,活性氧化铝并不直接参与催化过程,其作用是稀释,支撑和分散贵金属。活性氧化铝70%以上是作催化剂载体,除了上述功能外,有的反应中,活性氧化铝还有增强热稳定性,机械稳定性的功能,如汽车尾气净化催化剂所用的pd/Al2O3,Cu/r-Al2O3以及石油裂解反应的催化剂都属于此类型,烯烃加氢反应所用的镍载在活性氧化铝上的催化剂,其热稳定范围大于用硅藻土载镍的催化剂。
(2)用作活性催化剂,活性氧化铝具有明显的吸附剂特征,并能活化许多键,如H-H键,C-H键等,因此
在烃类裂化,醇类脱水制醚等反应中可直接作为活性催化剂加入反应体系中。如乙醇脱水生产乙烯,由于活性氧化铝表面同时存在酸性中心和碱性中心。因此活性氧化铝本身就是一种极好的催化剂。但目前活性氧化铝直接用作工业催化剂还不多。
(3)用作活性组分,某些催化反应要求催化剂具有双功能,既要有活性组分提供的活性中心,又要有载体提供的酸、碱中心,如汽油馏分的催化重整反应,催化剂的组成由0.35%的pb沉积在表面积为200cm2/g的高纯活性氧化铝上,并加入1%的氯化物提高其酸性。正庚烷的裂化反应,选用钠含量小于50×10-6的氯化活性氧化铝,加入1%的氟,其裂化活性达66%,这是由于活性氧化铝有四种活性中心存在结果。因此活性氧化铝可向多种催化反应提供活性组分。
    活性氧化铝的应用主要是以催化剂载体为主,涉足的领域有:有机化工、石油化工、高分子化学等,因此,活性氧化铝 的市场是非常广泛。
二、分子筛的应用
       合成的分子筛材料一般为粉末状、圆球颗粒或柱状,当采用天然矿物作原料或在合成过程中混入杂质时,得到的分子筛产品会略带颜色,例如13X分子筛,因其在生产过程加有凹凸棒天然矿物质呈现淡黄色。分子筛为多孔材料,具有均匀的孔道分布(这是和活性氧化铝最根本的区别)、大比表面积和较大的孔体积等物理性质,使得分子筛材料在吸附、分离等领域都有着重要的应用价值。

分子筛结构

1、分子筛在吸附分离中的应用

微孔分子筛材料应用最为广泛的是硅铝型沸石分子筛。最早沸石分子筛是以天然矿物的形式被发现的,其应用也只限于吸附、离子交换和气体分离。例如,A型沸石的孔口直径为0.4nm(4A分子筛),正好介于O2和N2之间(O2为0.38nm×0.28nm,N2为0.4nm×0.32nm),因此,A型沸石膜对于空气中的氮气与氧气分离具有非常好的效果,b轴定向生长的MFI分子筛更是可以实现动力学半径差值小于0.1nm的二甲苯异构体(邻二甲苯和对二甲苯)的分离。若将NaCl晶格中的Na+和Cl-全部换成β笼,并将相邻的β笼用γ笼联结起来就得到A型分子筛的晶体结构。8个β笼联结后形成一个方钠石结构,如用γ笼做桥联结,就得到A型分子筛结构。中心有一个大的α的笼。α笼之间通道有一个八元环窗口,其直径为4A,故称4A分子筛。若4A分子筛上70%的Na+为Ca2+交换,八元环可增至5A,对应的沸石称5A分子筛。反之,若70%的Na+为K+交换,八元环孔径缩小到3A,对应的沸石称3A分子筛
2、分子筛在催化反应中的应用。

自最初Y型沸石在烷烃催化裂化反应成功应用后,沸石晶体材料在石油炼制、石油化工等领域得到了快速发展和广泛关注,Y型沸石也成为工业化的流化催化裂化(FCC)催化剂。通过调节骨架铝含量或采用杂原子Ga、B等对Al的取代可以实现对分子筛酸密度和酸强度的调控。硅铝沸石分子筛作为一类重要的固体酸催化剂,弥补了均相催化反应中催化剂和反应物不能分离的缺点,已经被用在许多酸催化反应中,如催化裂化、加氢裂化、异构化、甲醇制烯烃(MTO)应等。另外,通过将过渡金属元素引入沸石分子筛骨架中还实现了其在氧化还原反应中的应用,最典型的例子是钛硅分子筛的合成,合成的含钛分子筛在催化氧化反应中表现出相当高的催化活性,如Ts-1、Ti-Beta、Ti-MWW等分子筛已被广泛地用于苯酚羟化、烯烃环氧化、烷烃氧化等反应。沸石分子筛经过Fe3和Cu2+交换后可以用来降解汽车和制酸工厂排出的氮氧化物气体,在环境保护和净化方面显示出一定的价值。作为催化剂或催化剂载体,与其他材料相比沸石分子筛有着相对明显的优势:高的热稳定性和水热稳定性使催化反应可以在苛刻的条件下进行,规则的孔道结构可以实现对某种产物的高选择性,而可调变的活性中心使其可以应用在各类反应中。
       介孔分子筛因具有高度有序和均匀分布的孔道结构,孔径尺寸调变范围较宽(2~5nm),比表面积大(大于1000m2/g),并且其骨架组分具有多样性等特点,在很多领域具有良好的应用前景,已成为孔材料研究领域新的热点。最初,介孔分子筛主要应用于催化反应,后究人员又利用其孔道特性不断拓展,相继发展到纳米材料和生物吸附分离等领域。近几研究主要是在以前研究的基础上,将介孔分子筛改性负载官能团及金属离子,以应用多领域。

分子筛催化反应塔

        从活性氧化铝、分子筛的应用我们可以清楚的认识到,它们都广泛的应用在工业生产中的吸附、干燥、气体分离,但最重的是它们在催化反应领域的应用。所以说两者作用互补,在化工能源相关生产中的应用有着重要的地位。    


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