沸石的吸附性质

一切固体物质表面的原子或分子和固体内部的原子或分子所处的状态是不同的。在固体内部原子或分子所受的吸引力是对称的，它均匀地分布在周围的原子或分子上，处在力场饱和的平衡状态；而表面的原子或分子所受的力则是不对称的，也就是说固体表面有过剩的表面自由能，即表面有吸附力场存在，这种吸附力称为 色散力，是固体表面对气体或液体具有吸附作用的原因。当气体或液体进入吸附力 场作用范围时，就会被吸附，从而降低固体表面的自由能。这种不饱和力场的作用范围，大约相当于分子直径的大小，也就是几埃左右。

从上述情况可知，一切固体物质的表面都有吸附作用。实际上，只有多孔物质 或磨得很细的物质，由于具有很大的表面积，才有明显的吸附作用，被称为吸附剂。如活性炭、硅胶、活性氧化铝和沸石等。

1896年发现脱水的沸石能吸留酒精、苯等液体。1909年发现脱水的菱沸石能吸附氨、硫化氢等气体。至20世纪20年代开始对沸石的吸附性能进行了系统的研究。

依据沸石的吸附机理，人们对沸石改性处理，获得了对无机物和有机物更好的吸附性能。同其他吸附剂相比，沸石的吸附有它自己的特点。

 沸石不同于一般常用的固体吸附剂(硅胶,性炭等) 其具有两个显著的特点：沸石的选择性吸附和高效率吸附。

在一般情况下,沸石结构中的孔道和孔穴都充满了水分子,分子围绕着可交换的阳离子形成水化球,常在350℃或 400℃下加热数小时或更长时间沸石将会失去水分子。

这时,些有效直径小到足,通过孔道的分子将易于被沸石吸附在脱水孔道和孔穴中，直径过大无法进入孔道的分子将被排斥，这就是人们熟悉的沸石的选择性吸附。

选择性吸附1925年发现脱水菱沸石能强烈地吸附水、甲醇、乙醇，而完全不能吸附乙烷、丙酮和苯，即具有选择性吸附的特性。如上所述，沸石晶体内部存在很多孔穴和孔道，它们的体积占沸石晶体总体积的50%以上，而且孔穴、孔道大小均匀、固定，和普通分子的大小相当。一般孔穴直径在6〜15A之间，孔道直径约在3〜10A之间。表2-8是沸石、硅胶和活性炭对直链烃选择吸附的实验结果，从表中数据可以看出，活性炭对各种烃类的吸附量都很高，而硅胶在室温下对挥发性丁烷-正丁烷和异丁烷的吸附量则很低，说明它们的吸附作用是没有选择性的。只有5A分子筛具有选择性吸附作用，很明显只有那些直径比较小的分子，才能通过沸石孔道（5A分子筛的孔径为5人）被吸附，而直径大的分子，由于不能进入沸石孔穴，则不能被沸石吸附，因此沸石的选择吸附、筛分分子性能决定于沸石的孔径和被吸附分子的大小。

表2-8沸石、硅胶和活性炭对直链烃的选择吸附的实验结果

沸石分子筛还是唯一的高温吸附剂，在较高温度下，沸石分子筛仍能吸附相当数量的水分子而活性氧化铝，特别是硅胶，在较高温度时则大大丧失了吸附能力。由此可知，沸石的吸附作用远远超过硅胶、活性炭等一般吸附剂。

下表列出了几种沸石比表面积的测定值，从所列数据情况看，实际测定结果和估算数值是相符的。沸石的内表面远比一般颗粒的外表面大，一微米大小的一般固体颗粒每克仅有几个平方米。因此，沸石的吸附量远远超过其他物质。

沸石的比表面积

那么究竟是什么原因使沸石对水等极性分子具有那么强大的吸附能力呢？

沸石和硅胶、 活性炭等之所以能作吸附剂，根本原因就是它们表面具有色散力 （即吸附力），这种力的作用范围很小，通常距表面只有几个埃左右，大约相当于水等极性分子直径的大小。一般情况下，沸石的孔道或孔穴的孔径仅有几埃，即使是最大孔穴的直径也只有几十埃，它们刚好能装得下水等极性分子。因此处于脱水沸石孔道或孔穴中的这些分子受到各方面孔壁表面的吸附力（即色散力）的作用，便产生孔壁场迭加，形成超空效应，使其吸引力特别强。由于色散力随与表面的距离增大而迅速减小，且硅胶和活性氧化铝的孔径较沸石大得多，所以它们的吸附作用力远比沸石小。

另外，沸石与活性炭等吸附剂不同，后者的吸附力完全是依靠色散力而前者不仅色散力很大，而且还有较大的静电力，这种静电力主要是由于沸石晶格空穴中分布 有阳离子，同时部分格架中氧也具有未被抵消的负电荷，于是在这些粒子周围便形成 了强大的电场。

沸石由于色散力和静电力的共同作用，故其吸附能力特别强，以致对低浓度、高 温、高速的极性流体，仍有较大的吸附作用。正因为有静电力的存在，沸石对极性、不饱和以及易极化的分子都具有优先的选择吸附作用。

硅胶、活性氧化铝和活性炭都没有固定的均匀孔径，孔径范围变化很大，如硅胶的孔径大小从10〜1000A不等，活性氧化铝的孔径在10〜10000A之间，因此大小分子都可进入孔道被吸附，故没有筛分性能，也就是选择吸附性能。