分子篩

分子篩 (Molecular Sieves)
國立臺灣師範大學化學系博士生林欣慧

「分子篩」^1,2是 McBain 在 1932 年所提出的概念，他認為應該有一種物質，可以在「分子」為單位的層級中，進行尺寸或形狀的篩選，而達到分離的效果。³

分子篩又稱為合成沸石 (Zeolites)，是一種具有單一孔徑的多孔材質，主要由矽、鋁、鎵、鍺、鋅、鈹等等四面體配位的原子之結晶氧化物所構成，可以吸附特定的液體或氣體；因此在一般的化學實驗室及工業界都是很常見可作為乾燥劑使用或作為純化產物的材料。（圖一）

圖一 分子篩 (Linde Type 4A)（圖片來源：本文作者林欣慧拍攝）

其作用原理是利用分子篩的特殊單一孔徑結構，對分子尺寸進行篩選，只有小於孔洞尺寸的分子可以進入晶體的孔洞中；當目標分子進入孔洞中，又因為分子篩中的金屬離子對於極性大的分子產生作用力（凡德瓦耳力或靜電力等等），將目標分子吸附住，而達到純化的效果。以除水能力為例，分子篩大約可以吸收約本身重量的 20% 以上的水；且使用過的分子篩再以適當條件(加熱或微波)除去雜質或水分，便可繼續重複使用，是相當好且環保的純化介質。

分子篩的製作方法為將原料：鋁酸鹽類（NaAlO₂等）、含矽化合物（Na₂SiO₃等）、強鹼（氫氧化鈉、氫氧化鉀等）以適當的比例混和、加熱，待其形成晶體結構後就可以得到具有單一孔徑的多孔晶體，其結構意示圖見圖二。孔徑大小可以由結晶時的溫度、改變組成的金屬或加入不同的添加劑來控制。

圖二 Linde A型分子篩結構圖（圖片來源：參考資料4, pp.46）

因此，為了有效率的除去雜質，了解所要分離物質的特性來選擇適當的分子篩是相當重要的。分子篩常見的類型及其可分離的物質介紹如下：

• Linde Type 3 A：

化學式：2/3K₂O·1/3Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·9/2H₂O

孔徑大小：3 Å

特點：除了水分子之外，幾乎不會吸附其他分子，因此是很好的除濕劑。製作方法是將Type 4 A的分子篩進行離子交換，將鈉離子置換成鉀離子，因此價格較高，使用的不多。

• Linde Type 4 A：

化學式： Na₂O·Al₂O₃·2SiO₂·9/2H₂O

孔徑大小：4 Å

特點：除了水分子之外，也可以吸附甲醇；因製作過程最簡單、成本低廉，因此是最廣為使用的類型。

• Linde Type 5 A：

化學式：3/4 CaO·1/4Na₂O·Al₂O3·2SiO₂·9/2H₂O

孔徑大小：5 Å

特點：因為鈣離子的關係，此類型的分子篩可吸附低極性的分子，如二氧化碳、直鏈烷類、長直鏈的醇類等等，也可用在氧氣、氮氣的分離、氣體的乾燥、純化。

• Type 13X：

化學式： Na₂O·Al₂O₃·(2.8±0.2)SiO₂·(6-7)H₂O

孔徑大小：10 Å

特點：與上述的類型比較起來具有較大的孔徑，因此可用來除去體積大的分子，尤其適用於除去含硫的氣體分子（硫化氫、甲基硫醇等等），甚至可以當作催化劑的載體。

參考文獻

1. Armarego, W. L. F., Chai, C. L. L. (2009) Purification of Laboratory Chemicals, 6th ed, pp. 30-31, 57, Elsevier, Oxford.
2. Yan, Y. & Wang, H. (2003) Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology Vol. X (ed H. S. Nalwa) pp.1-19, American Scientific Publishers.
3. 3. Szostak, R. (1998) Molecular Sieves: Principles of Synthesis and Identification. 2nd ed., Blackie Academic & Professional.