沸石的物化性质与用途

2019.12.03 点击4089次

沸石是沸石族矿物的总称，是一种架状的含水铝硅酸盐矿物，全世界已发现天然沸石40多种，其中最常见的有斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、毛沸石和片沸石等，具有独特的离子交换性、离子交换性、催化性、热稳定性和耐酸性等，广泛应用于建材、环保、离子交换、催化裂化、日用轻工、石油化工、农牧业、造纸和塑料等领域。

一、沸石的物理化学性能

1、离子交换性

沸石的离子交换性源于因平衡沸石结构中Al³⁺替代Si⁴⁺后引起的电价不平衡而存在于沸石孔道中的可交换性阳离子，如K⁺、Na⁺和Ca²⁺等。沸石的离子交换表现出明显的选择性，例如方沸石中的Na⁺易被Ag⁺、Ti、Pb等交换，而被NH₄⁺交换的量较低。

2、选择性吸附性

沸石的孔道结构使其具有很大的内表面积，脱水后因孔道结构的连通和空旷而具有更大的内表面积，巨大的内表面积形成了沸石高效的吸附性能。

选择性吸附与分子筛效应是沸石吸附性能的一个重要特征。沸石中的孔道和孔穴一般大于晶体总体积的50%，且大小均匀，有固定尺寸，有规则的形状，一般孔穴直径为0.66-1.5nm，孔道为0.3-1.0nm。显然，直径小于沸石孔穴的分子可进入孔穴，而大于孔穴的分子则被拒之孔外，因而沸石具有被称之为分子筛效应的筛选分子作用。

另外，被吸附分子的性质也对沸石的吸附行为产生重要影响，沸石对H₂O、NH₃、H₂S、CO₂等极性分子具有很强的亲和力，吸附作用很强，并且湿度、温度和浓度等条件对其影响很小。

沸石的硅铝比因直接影响沸石晶体内部的静电场，而影响吸附力的强弱。硅铝比值越大，吸附力就越弱。

3、催化性能

沸石具有很高的催化活性，且耐高温、耐酸，有抗中毒的性能，是优良的催化剂及其载体。沸石呈现催化性质的机理主要是由其晶体结构中的酸性位置、孔穴大小及其阳离子交换性能所决定的。

沸石催化的许多反应属于正碳离子型，经过正碳离子中间体发生反应。沸石对一些游离基反应、氧化-还原反应也有相当的催化活性。

天然沸石一般不能作催化剂，只有采用离子交换法改性为H型沸石后，才能用做催化剂。天然沸石可以作为载体，承载具有催化活性的金属（如Bi、Sb、Ag、Cu及稀土等），通过金属作用表现出良好的催化性能。

4、稳定性

沸石的耐热稳定性主要取决于其中Si+Al与平衡阳离子的比例，在其组成变化范围内，一般是含量越高，热稳定性越好。

天然沸石具有良好的耐酸性能，在低于100℃下与强酸作用2h，其晶格基本不受破坏，丝光沸石在王水中也能保持稳定。因此天然沸石常用酸处理方法进行活化、再生利用和其他目的的利用。

沸石的耐碱性远不如耐酸性好，这是由于沸石晶体格架中存在酸性位置所造成的。当将其置于低浓度强碱性介质中，沸石结构即遭破坏。

5、耐酸性

沸石具有良好的耐酸性，如山东省斜发沸石和丝光沸石岩用不同浓度的盐酸在100℃下处理2小时，试验证明两者均有较强的耐酸性，其中斜发沸石在4N盐酸中处理，丝光沸石在10mol/L盐酸中处理，晶体结构均未被破坏。

此外，沸石还具有化学反应性、远红外辐射性、可逆脱水性等工艺性能。

二、、沸石的应用领域

1、农牧业

利用沸石的离子交换性和吸附性，将其掺入土壤中，可明显提高土壤的离子交换性能和吸附性能，从而达到保肥、保水和改良土壤的效果。

据介绍，日本许多地区皆在农田中施加沸石粉来中和酸性火山质土壤，施用沸石粉后，水稻、小麦可增产5%-10%。我国浙江省施用450-900μm沸石粉，水稻增产10%-20%

沸石还用做饲料的添加剂和饲养场除臭用吸附剂等。

2、建材

沸石在建材方面主要在水泥中作活性混合料和在混凝土中作掺和料，起到降低水泥用量，发挥和改善各种功能的作用。

沸石作为水泥混合料主要是因沸石中含可溶性的活性铝成分，而具有火山灰活性的原因。因此可在不影响水泥性能的前提下，部分代替胶凝材料。

利用沸石的火山灰活性特点，在混凝土，特别是高性能混凝土中作掺和料使用，沸石可与水泥水化后形成的副产物Ca(OH)₂（无硬化强度）发生反应生成具有硬化强度的物质，从而提高混凝土的强度。

沸石在混凝土中作掺和料，还有独特的意义和作用，由于沸石的离子交换性，它可吸纳混凝土体系中水泥和其他组分带入的Na⁺和K⁺，从而消除或降低了Na⁺和K⁺与具有活性SiO₂组分的集料发生的碱集料反应，提高混凝土的耐久性和使用安全性。

天然沸石在110℃时具有很好的发泡性，因此它还是生产轻骨料混凝土及其他轻质建材的原料。

3、石油和化工

沸石可用做催化剂及其载体，以沸石为基本原料的催化剂应用非常广泛，主要领域为：

用做石油炼制过程中的裂化催化、液压催化和氢化裂化；

用做石油化工中的异构化、重整、烷基化、歧化和转烷基化等；

在环保工业中用斜发沸石作催化剂可使环乙醇异构化为羧甲基戊烷；

在H₂S气氛中使碳氢化合物加氢脱蜡等

用IIB族金属离子（锌等）交换处理的毛沸石作催化剂，可使石油脱硫并提高辛烷值；

用HCl处理的丝光沸石作催化剂，可促进正丁烷的异构化；

用NH₄⁺交换后的丝光沸石对异丙苯有较高的分解活性；

H型丝光沸石可直接用作高分子单体的聚合剂。

另外，沸石可作干燥剂、吸附剂和气体分离剂用于石化领域，如：

用天然沸石制成的干燥剂和吸附剂可选择性吸收HCl、H₂S、Cl₂、CO、CO₂及氯甲烷等气体，可分离天然气中的H₂O、CO₂和SO₂等，提高天然气质量，可分离空气中的O₂、N₂，制取富氧气体和氮气，也可除掉其他有用气体中的痕量N₂。

利用沸石的吸附性能，还可回收合成氨厂废气中的氨；吸附硫酸厂废气中的H₂S等。

利用沸石的离子交换性，以Na⁺和K⁺离子置换法可从海水中提取钾。其中斜发沸石对钾有特殊的选择交换性能，用饱和NaCl溶液在100℃下将斜发沸石改型成Na型沸石，其离子交换容量可进一步提高，从而改善提钾效果。

4、水处理

废水中含Hg²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺、As³⁺等重金属阳离子和有机污染物，斜发沸石、丝光沸石因对这些杂质具有强烈吸附作用而用做其净化材料，沸石还可净化废水中的NH₃-N，H₂PO₄^2-、HPO₄^2-、PO₄^3-等以及污水中的氨态氮NH₃-N等有害杂质。沸石的离子交换作用还被用来从工业废水中回收某些金属。

沸石还可在改善水质方面加以应用。天然沸石可吸附硬水中的阳离子，使水软化。如西沙群岛的饮用水即是以当地含沸石的火山角砾岩处理后，排除了较多的有机质，降低了矿化度，减少了氨离子和硝酸根，而成为标准饮用水的；斜发沸石作离子交换吸附剂，经硫酸铝钾再生系列处理，可降低高氟水中的氟含量，并使之达到饮用水标准；另外，用银交换的沸石可以淡化海水。

5、空气净化材料

沸石作为具有微孔孔道和空隙结构，并具有离子交换性和吸附选择性的多孔矿物材料，可成为纳米尺度单元物质在一维、二维和三维空间排列并生成组装材料的媒介。复合纳米单元物质性质和沸石孔道特性的沸石纳米孔-金属离子及簇团组装材料为其在净化室内空气方面实现应用打下了良好基础。以沸石为载体，通过孔道吸附作用活化、抗菌组分在纳米孔道中组装并稳定固化等技术制备的具有无机抗菌和快速吸附除味功能的无机抗菌型除味剂可成为居室、卫生间、汽车内室和电冰箱等局部环境空气的净化半岛bd体育手机客户端。

6、环境污染治理

沸石是具有孔道结构和含水架状硅铝多孔矿物，因有独特的晶体结构和化学性质，使之具有分子筛分、离子交换、吸附和催化等功能，因而在污水处理、土壤修复、大气污染治理、汽车尾气处理等众多环境领域有着广泛的应用。

7、造纸领域

沸石族矿物特有的结构特性赋予的高孔隙度、吸附性、离子交换性、特殊光泽性（玻璃光泽、丝绢光泽、珍珠光泽）等，可用于造纸填料、特种涂料颜料和水处理剂。

8、沸石类止血剂

沸石是从自然界中发现的多孔晶状铝硅酸盐矿物，能够吸收大量的水，与周围的溶液进行离子交换，具有长期的物理和化学稳定性而没有生物毒性，这使得沸石成为制备止血剂的理想材料。获得FDA批准上市的沸石类止血剂主要有美国Ｚ型药物公司的QC、ACS、ACS等。

9、核废料处理

沸石还可用于核废料处理。如斜发沸石和丝光沸石具有耐辐射功能，且对Cs、Sr有高的选择性交换能力，因而可用以除去核废物中半衰期较长的Cs、Sr，并通过熔化沸石将放射性物质长久固定在沸石晶格内，从而控制放射性污染。

10、其他应用

沸石作填料用于造纸、塑料、橡胶工业；还可用于制造新型气相防锈剂、红外辐射材料；还可用做热能贮藏，太阳能制冷等；绿光沸石可作食用油吸附剂清除杂质；美国研制细粒沸石已用于杀虫剂载体、液态肥料悬浮剂和抗肥料结块剂等；铅沸石可用于生产铅-酸电池电极等。

随着经济发展和生活水平的提高，预计未来沸石将能在环境保护、医疗保健、土壤修复、国防电子、水处理等领域具有更大的高值化利用前景。