4.7.1. Цеолитовые насосы

Цеолиты — это природные минералы, главным образом гидрированные алюмосиликаты щелочных или щелочноземельных металлов, с трехмерной кристаллической решеткой, образованной тетраэдрами АlO4- и SiO4-. В настоящее время налажено производство искусственных цеолитов.

Атомы кислорода соединяются с атомами алюминия и кремния определенным образом, следствием чего является особая структура цеолита, в которой имеются полости объемом менее кубического нанометра, соединенные каналами диаметром ~ 1 нм (фиг. 4.104) и заполненные молекулами воды. После ее удаления получается пористое вещество с очень развитой внутренней поверхностью (доходящей до 1000 м2 на 1 г цеолита), способной сорбировать воду или газы.

Так как размеры пор в цеолитах зависят от размеров атомов и их связей в кристаллической структуре, можно путем подбора компонентов влиять на эти размеры, а тем самым на проницаемость каналов для газов с разными размерами молекул. Поэтому цеолиты носят также название молекулярных сит.

Синтетические цеолиты обычно обозначаются числом, определяющим максимальный диаметр молекул газа, которые еще могут проникнуть через каналы, а также буквой А или X в зависимости от структуры цеолита.

В табл. 4.14 приведены характеристики некоторых цеолитов. В обычном состоянии (насыщения водой) полости и каналы цеолита наполнены молекулами воды, которая может быть удалена путем отжига при температуре 920—930 К. (После обезвоживания масса 1 см3 цеолита уменьшается с ~21 до 1,5 г.)

Адсорбированные на внешней поверхности цеолита молекулы газов и паров могут мигрировать по внутренним поверхностям и проникать через каналы в полости, где они оседают на стенках. Таким образом, цеолиты обладают большой сорбционной способностью, которая более или менее различается для разных газов. Сорбционная способность цеолитов в отношении инертных газов, например гелия и неона, практически равна нулю, а для водорода очень мала.

В технике высокого вакуума цеолиты находят применение главным образом а) как поглотители, используемые при температуре окружающей среды, которые помещают между источником распыленного масла, его паров или паров ртути и пространством высокого вакуума, например между диффузионным насосом и откачиваемым объемом или же между ртутным и ионизационным манометрами и т. д. (т. е. вместо отражателей

с криогенной жидкостью); б) в высоковакуумных насосах, где цеолит работает при пониженной температуре, например в жидком азоте, и обеспечивает чистый (т. е. свободный от паров органических веществ) вакуум.