Konzept und Struktur eines Molekularsiebs.
I. Konzept
Molekularsiebe sind Aluminosilikatverbindungen mit kubischem Gitter. Molekularsiebe haben eine gleichmäßige mikroporöse Struktur. Die Durchmesser ihrer Poren sind gleichmäßig. Diese Poren können Moleküle, die kleiner als ihr Durchmesser sind, in das Innere der Porenhohlräume adsorbieren und haben eine bevorzugte Adsorptionsfähigkeit für polare Moleküle und ungesättigte Moleküle. Daher können sie Moleküle mit unterschiedlichem Polaritätsgrad, Sättigungsgrad, Größe und Siedepunkt trennen. Das heißt, sie haben die Funktion, Moleküle zu sieben, weshalb sie Molekularsiebe genannt werden. Aufgrund der Vorteile einer hohen Adsorptionskapazität und einer starken thermischen Stabilität, die andere Adsorbentien nicht haben, werden Molekularsiebe häufig verwendet.
II. Molekularsiebstruktur
Im engeren Sinne sind Molekularsiebe kristalline Silikate oder Aluminosilikate. Sie bestehen aus Silizium-Sauerstoff-Tetraedern oder Aluminium-Sauerstoff-Tetraedern, die durch Sauerstoffbrücken verbunden sind und ein Poren- und Hohlraumsystem mit Molekülgrößen (normalerweise 0,3 bis 2,0 nm) bilden, und haben daher die Eigenschaft, Moleküle zu sieben. Bei eingehender Forschung zur Synthese und Anwendung von Molekularsieben haben Forscher jedoch Alumophosphat-Molekularsiebe entdeckt. Darüber hinaus können die Gerüstelemente (Silizium, Aluminium oder Phosphor) von Molekularsieben auch durch B, Ga, Fe, Cr, Ge, Ti, V, Mn, Co, Zn, Be und Cu ersetzt werden. Die Größe ihrer Poren und Hohlräume kann auch mehr als 2 nm erreichen. Daher können Molekularsiebe entsprechend ihrer Gerüstelementzusammensetzung in Silica-Alumina-Molekularsiebe, Alumophosphat-Molekularsiebe und Gerüst-Heteroatom-Molekularsiebe unterteilt werden. Molekularsiebe mit Porengrößen von weniger als 2 nm, 2 bis 50 nm und mehr als 50 nm werden entsprechend der Porengrößeneinteilung als mikroporöse, mesoporöse und makroporöse Molekularsiebe bezeichnet. Aufgrund ihrer relativ großen Porendurchmesser sind sie gute Träger für Reaktionen größerer Moleküle. Die Porenwände mesoporöser Materialien sind jedoch amorph, was dazu führt, dass ihre hydrothermale Stabilität und thermische Stabilität den harten Bedingungen, die für petrochemische Anwendungen erforderlich sind, noch immer nicht gerecht werden können.
Da sie Metallionen mit niedrigerer Valenz und größeren Ionenradien sowie gebundenes Wasser enthalten, gehen nach dem Erhitzen kontinuierlich Wassermoleküle verloren, aber die Kristallstruktur bleibt unverändert und es bilden sich viele Hohlräume gleicher Größe. Die Hohlräume sind durch viele Mikroporen mit gleichem Durchmesser verbunden. Diese winzigen Poren haben gleichmäßige Durchmesser und können Moleküle, die kleiner als der Porendurchmesser sind, in das Innere der Poren aufnehmen, während sie Moleküle, die größer als der Porendurchmesser sind, abstoßen. Daher können sie Moleküle mit unterschiedlicher Form, Größe, Polarität, Siedepunkt und Sättigungsgrad trennen. Das heißt, sie haben die Funktion, Moleküle zu sieben, weshalb sie als Molekularsiebe bezeichnet werden. Derzeit werden Molekularsiebe häufig in Branchen wie der Metallurgie, der chemischen Industrie, der Elektronik, der Petrochemie und der Erdgasindustrie eingesetzt.
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