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分子筛催化剂具有优良的活性、选择性和稳定性,因此被大量地应用于催化、吸附分离和离子交换等过程中。无论是在吸附分离或催化反应中,吸附分子在催化剂内的扩散都是非常重要的,有时甚至是起决定作用的。所以充分了解扩散过程及其影响因素,对于深入认识有关的催化反应具有重要意义,可为设计高效催化剂提供理论依据和指导。
本研究采用气相色谱法,分别选取5A分子筛、ZSM-5分子筛、USY分子筛和一种工业催化剂为吸附剂,以甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、环己烷和甲苯为吸附质,在373 K-598 K的温度范围内研究了不同大小烃分子在不同吸附剂内的扩散。首先,在一定的载气流速下,使用不同浓度的吸附质进行实验,消除浓度对实验的影响,确保体系的线性;然后改变温度,在不同载气流速下进行实验;最后采用Sarma和Haynes提出的模型,利用矩量分析法分析模型的数学解。
实验表明烃分子的吸附平衡常数随温度的升高而降低,随碳原子数的增加而增大:吸附能随吸附烃分子所含碳原子数的增加而增大,吸附能由小到大的顺序为:甲烷<乙烷<丙烷<正丁烷<环己烷<甲苯;扩散系数随温度的升高而增大。对于同一种吸附剂,不同烃分子的扩散系数不同:随烃分子的有效分子直径的增大而减小,扩散系数大小顺序为乙烷>丙烷>正丁烷>环己烷>甲苯;对于同一种烃分子,吸附剂的孔道大小对烃分子的扩散也有很大影响,烃分子的扩散系数随吸附剂孔道的增加而增大,在不同吸附剂上的顺序为:USY型分子筛>ZSM-5分子筛>工业催化。同时烃分子的形状和烃分子的电子效应也是影响扩散的重要因素。