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沸石的工业潜力

更新时间:2020-08-25 点击数:1863

      在最近的30年中,多个工业过程引入了沸石催化剂,由此带来了显著的经济和环境效益。通过沸石的应用,可以淘汰许多无机酸或者含氯的催化剂,提高工业过程的产率和选择性,从而改善产品质量,同时降低能耗。超过90%的工业沸石催化剂应用于石油化工和炼油工业等技术成熟的领域。在这些领域,过去已经有了很多的突破性的成就,未来可期望的创新将是进行优化和渐进式的改进。

       近几年,由于经济的快速增长,全球能源与物质消耗比之前的几十年加快了很多,环境的恶化也越来越严重,限制废弃物的产生和CO2的排放成为趋势,所以,目前,人们所面临的最重要的问题是能源消耗,CO2和废弃物排放的减少,以及更清洁和可再生能源的生产,那么沸石将支持这些技术革新方面发挥重要的作用。

       今天,沸石构成了应用于多相催化、离子交换、分子筛和吸附剂等有关工业领域最重要的材料之一。表面上看,这一领域似乎已经成熟,没有任何未来发展的明显空间。但实际上,因为世界范围内的研究连续地提供了新材料和技术方案,这些都适合于改善现有工艺或者开发新的应用。

环境、经济和市场因素正推动炼油厂、石油石化工业和化学工业的革新。最近几年所有这些领域都取得了明显的进展。

        沸石合成方面的发展,导致了新的越来越复杂的骨架结构的发现,例如:超大孔沸石的合成,10年前被认为是非常困难的事情,今天已成了成功颇丰的研究领域之一。最近又成功晶化出了ITQ-37,这是第一个具有三十元环开口的晶态介孔材料。

        把新材料的定义认为就是某种新的结晶结构太狭隘了,因为从组成和晶相方面改性一种材料的重要性以及通常存在的难度是众所周知的。TS-1的情况就能说明这一概念。首先,Ti在全硅Silicate-1骨架成功结合就被明确证实了,那就是沸石组成的改变可以带来材料前所未有的催化特性。其次,晶相的优化及将这些聚积成具有层级孔结构的粒子的能力,为开发淤浆相催化工艺提供了可能。层级孔结构的合成是当今研究领域的热门课题之一,因为他们代表的不仅是沸石工业制备过程中经常遇到的问题的解决方案,而且是抑制由反应物和产物的晶间扩散所引起的其他方式的严格限制的方法。最近这一概念在FCC催化剂上进行了应用,如果成功应用到工业化水平,将是明显的突破。

       但只把沸石当作是多相催化剂是有局限的,事实上,其他技术领域也在关注,比如气体分离领域,提升从N2、CO2尤其是从H2S中分离提纯天然气的能力和效率,用分子筛的应用,可以取代当前采用的成本比较高的低温蒸馏和化学处理方法,将使非甲烷气体含量高,经济上不划算的那些天然气气源的开发变得可能。

       沸石还可以开发用于环境保护领域,特别是地下水有机污染物的治理。沸石在环保领域的应用现在成本比较高,所以暂时难以大规模的应用,但最近由埃尼公司完成的现场实验表明了沸石在治理被烃类、尤其是MTBE污染的地下水的优势,充分显示了沸石的长时间将污染物浓度保持在标准以下的能力,因此,在这一领域,沸石证明了其高效性,在将来随着技术的进步,将会在这一领域有更广阔的前景。

        然而,沸石在常规与新兴领域的应用还需要进一步的研究,通过有机基团的结合来实现对无机骨架的改性,制造出晶态硅基有机-无机混合材料,可以对这些需求作出回应。在近10年中,报道了多项在骨架上接枝或者在骨架里嵌入有机基团的部分成功的尝试,但是,这种改性的优点至今没有表现出来。近期关于ECS的报道较为清晰的表明了合成晶态硅基混合材料是可能的。尽管该材料属于非沸石性质,但这些材料是多孔性的,而且可以制成具有多种多样的有机基团。尽管对这些材料的研究仍在起步阶段,对其性质的了解还不足以明确其可能的应用,ECS的制备表明,在材料科学方面仍有大量待探索的领域。


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