分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-04-06 06:08:52

中国煤制烯烃市场规模较大,煤制乙醇未来发展前景空间。新型煤化工产品主要包括煤制甲醇、煤制乙醇、煤制烯烃、 煤制工业燃气、煤制乙二醇和煤制油等,其中煤制烯烃是主要发展方向之一。截至 2021 年底,我国煤(甲醇)制烯 烃产能为 1739 万吨/年,按照 80%开工率,1 吨烯烃产品催化剂消耗量 1Kg 计算,对应分子筛催化剂需求量约 1.4 万吨,预计 2025 年我国煤(甲醇)制烯烃产能将突破 2000 万吨/年。我国生物质乙醇难以补足需求缺口,给煤制燃 料乙醇带来发展契机。全球乙醇产量的60%用作汽车燃料,添加10%的燃料乙醇,可减少汽车尾气CO排放量的30%、 烃类排放量的 40%,以及减少 NOx 的排放,相比于生物法工艺,煤制燃料乙醇在成本及盈利上更具有优势。以 2020 年汽油产量的 10%作为乙醇需求量来估计,理论上燃料乙醇需求量 1317 万吨,对应分子筛催化剂需求量在万吨量级。 DMTE 技术是目前煤制乙醇最经济的技术路线之一,主要采用高性能的分子筛催化剂和铜基催化剂。

分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理(17)

国六标准堪称全球最严排放标准之一,分为国 6a 和 6b 两个阶段实施。机动车尾气中含有大量有害物质,造成细颗 粒、光化学烟雾等空气污染,为了提高空气质量,保护公众健康,欧洲和美国等均制定了严格的汽车排放标准。国六 标准实施后,所有柴油车都需要安装尾气处理装置,以实现尾气达标排放。国六标准参考了欧洲和美国最新排放标准 的先进内容,同时结合我国环境改善需求,形成了一个全新的技术标准,堪称全球最严排放标准之一。

不同尾气催化系统使用的催化材料不同,部分催化器需配套沸石分子筛。尾气催化系统主要基于氧化催化和还原催化 两大类反应,前者是将未充分燃烧的一氧化碳、碳氢化合物、可溶性有机成分在富氧条件下反应生成二氧化碳和水; 后者主要将剩余的 CO、HC、NOx 在贫氧条件下反应生成氮气、二氧化碳、水的过程。汽车尾气催化系统衍生出三 效催化器(TWC)、汽油颗粒捕捉器(GPF)、柴油氧化催化器(DOC)、选择性催化还原器(SCR)、柴油颗粒 捕捉器(DPF)、颗粒氧化催化器(POC)、氨气泄漏催化器(ASC),相应的催化材料有差异,其中 SCR 和 ACS 需要使用沸石分子筛催化剂。

分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理(18)

国内移动源脱销分子筛需求将大幅增长,固定源脱销分子筛发展前景好。2020 年我国商用柴油车产量 357 万辆,同 比增长 24.4%,乘用柴油车产量为 6.3 万辆。通常重型柴油车、轻型柴油车平均排量分别为 13L、3L,催化剂载体体 积为发动机排量的 2.5 倍,平均每辆重柴、轻柴沸石分子筛用量分别为 4.875kg、1.125kg,以 2020 年汽车产量为基 数进行测算,国内沸石分子筛年需求总量约 9900 吨。2020 年全球重卡产量达到 436 万辆,考虑欧洲等部分地区生 产轻型柴油车,估算全球车用沸石分子筛需求量 2.5 万吨,对应市场规模超过 50 亿元。固定源尾气脱销分子筛未来 有较大发展前景,主要用于煤电发电中,2019 年国内固定源催化剂市场规模达 52 亿元,随着国家节能环保政策的 大力推行,钢铁冶金行业、煤炭化工行业、火电核电行业等高耗能行业面临前所未有的节能减排压力,纷纷加大节能 减排设备的投入,为分子筛企业带来良好的发展机遇。

分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理(19)

四、分子筛离子交换剂用于洗涤领域,参与企业较少

分子筛具有离子交换性能,可用于洗涤助剂。分子筛具有特征阴离子骨架,其中每一类都具有一定尺寸、形状的孔道 结构,不同阳离子与各种分子筛骨架的电场相互作用方式不一样,从而导致分子筛与各种阳离子的亲和力不一致,因 此可以实现对特定阳离子的选择性吸附。基于这种阳离子选择顺序,在水溶液中有干扰阳离子存在的情况下,借助分 子筛孔道中平衡骨架负电荷的阳离子和环境中的阳离子交换,可以选择性去除水中的污染阳离子,常用于洗涤助剂。

洗涤助剂为合成洗涤剂重要组分,分子筛是传统洗涤助剂三聚磷酸钠的替代品。合成洗涤剂中通常具有四种最基本物 质,即表面活性剂、漂白剂、洗涤助剂、其他助剂,其中起洗涤作用的主要是表面活性剂,但是水溶液中的钙、镁离 子不仅会使水的硬度变大还会破坏表面活性剂的洗涤效果,表面活性剂尤其是阴离子表面活性剂,易与水中的钙、镁 离子结合形成不溶的钙、镁盐从而降低起洗涤作用的表面活性剂浓度。为了消除洗涤液中钙、镁等离子的影响,减少 表面活性剂的损耗,人们在洗涤剂中引入洗涤助剂。传统的洗涤助剂三聚磷酸钠(STP)与水中的钙镁离子形成水溶 性螯合物起到了软化硬水的作用,但是 STP 会导致江河湖泊产生“富养聚集”,严重影响水质,为了保护生态平衡,世 界各国相继立法限制了磷的使用。分子筛由于其独特的结构和外形、较高的钙交换能力被认为是 STP 的理想替代品, 具有环境友好性。近年来随着世界洗涤剂无磷化的迅速发展,以分子筛为辅助洗涤剂的产品日趋增多。

4A 沸石置换水溶液中的 Ca2 ,实现软化水并提高洗涤性能的效果。沸石的种类很多,但在洗涤助剂领域具有应用价 值的只有 A 型、P 型、X 型等少数几种。4A 沸石在所有沸石中与 Ca2 结合能力最高,也最常用,它是水不溶物,不 与钙镁离子形成络合物,而是以一种离子交换剂方式发生作用。分子筛是一种具有网状结构的不溶高聚物固体,它与 液相中的 Ca2 、Mg2 之间由于电荷引力作用而进行离子交换反应,分子筛中的 Na 在水溶液中被 Ca2 置换,转变成 Ca2 分子筛,从而起到软化水并减少表面活性剂的损耗的作用。

分子筛的结构及其意义,分子筛的吸附原理(20)

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