分子筛对极性分子和极化率大的分子作用力强,对极性分子和不饱和烃分子有较大的亲和力,如在4A 分子筛上吸附下列气体的能力依次加大:
O2< N2< CH4< CO< C2H6< C2H4< CO2< C2H2
分子筛对有可成氢键的化合物有很强的作用力 如分子筛对水、CO2、NO2有不可逆吸附的作用。
分子筛具有一些其他吸附剂所没有的特点,如:即使在低浓度下对被吸附物质也有较高的吸附容量。在高温下对被吸附物质也有较高的吸附容量。在高流速下对被吸附物质也有较高的吸附能力。
使用分子筛应注意的问题:使用分子筛之前一定要活化,一般是在真空下于300~400℃干燥 3h 。或在550℃干燥2h。分子筛的型号不同,其分离性能也有很大的差异。分子筛对一些活性气体有不可逆吸附的特点,如H2O、CO2、NO2、H2S、SO2、Cl2、HCl等在分子筛上是可逆吸附。
分子筛在气固色谱中的应用:主要用于O2、N2 、CO、CH4等永久气体的分离,由于碳多孔小球的出现,分子筛的作用有一定程度的下降。
但是近年来由于介孔分子筛的出现,把分子筛的孔径提高到30nm,为分子筛的应用扩大了范围。1992年,Kresge等首次利用烷基季铵盐阳离子作为表面活性剂,合成了介孔分子筛如 MCM-41,此类介孔分子筛的比表面积大、孔径均一、孔径可调等特点,突破了微孔材料(如沸石)的孔径限制,在催化分离等方面有广阔的应用前景。但是由于 MCM-41 有孔径较小、孔壁较薄、水热稳定性及化学稳定性较差等缺点,使其应用受到很大的限制。1998年在美国加州大学圣芭芭拉分校作博士后研究的赵东元等(现在是复旦大学教授,院士)用亲水的三嵌段共聚物聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷(即P123)制备了有序二维六方相介孔分子筛 SBA-15(SBA 是Santa Barbara Amorphous[圣芭芭拉多孔]的字头),其壁厚可达6.4nm,孔径可达30nm,并且具有较高的水热性能(100℃,50h)。SBA-15不仅弥补了MCM-41水热性能方面的不足,而且三嵌段共聚物具有可生物降解、无毒、价廉等特点,满足了环保和经济发展的需求,成为近年来的研究热点之一,在催化、吸附、分离、纳米组装、生物医药和传感等方面得到了广泛的应用。下图是SBA-15不同孔径的结构图(文献来源:赵东元等. Science ,1998,279:548; 宗蒙,黄英,赵阳,材料导报A:综述篇,2012,26(9):54-59)
图3 SBA-15投射电镜图
(A) 6nm, (B)8.9nm (C) 20nm, (D) 26nm
平均孔径数据来自BET和X-射线衍射结果.
国内一些单位把SBA-15介孔分子筛作为气-固色谱固定相,如中科院煤炭化学研究所的赵燕玲等研究了SBA-15介孔分子筛作为
气相色谱固定相对含有甲烷、乙烷、乙烯、丙烷和丙烯的气态烃类混合物和正己烷/l-己烯、正庚烷/l-庚烯、正辛烷/1-辛烯 3 种液态烃类混合物的色谱分离性能; 并与硅胶作为色谱固定相分离3 种液态烃类混合物的情况进行了比较。与常规色谱填料硅胶相比,SBA-15介孔分子筛更适合作为烯烃/烷烃分离的色谱固定相。(赵燕玲等,石油化工,2010,39(10):1110-1114)