沸石

沸石（Zeolite）它是沸石礦物的總稱，是一組骨架中含水的堿金屬或堿土金屬鋁硅酸鹽礦物的總稱沸石有很多種。沸石最早的發(fā)現(xiàn)是瑞典礦物學(xué)家Cronstedt在硼砂熔珠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些鋁硅酸鹽礦物在燃燒時(shí)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，因此得名沸石。

沸石的化學(xué)成分非常復(fù)雜，不同的物種化學(xué)成分差異很大。它的化學(xué)通式是AmBpO2p·NH2O，其中A代表k、Na、Ca、Sr、Ba，x代表Si、Al，結(jié)構(gòu)式是Ax/q［AlO2）x（SiO2）y］nH2O。

沸石具有離子交換性能、吸附分離性、催化性、化學(xué)穩(wěn)定性和其他獨(dú)特的性能使其廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)作為干燥劑、分離劑、分子篩和催化劑等；建材工業(yè)中的水泥外加劑、輕骨料等；環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的廢水和廢氣處理、軟水硬化等以及在農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)中作為土壤改良劑、農(nóng)藥化肥等諸多領(lǐng)域的載體和緩釋劑。

蘇聯(lián)科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)幾只鹿在吞食泥土后來經(jīng)過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)土壤中含有沸石，可以消除體內(nèi)的有害物質(zhì)、凈化內(nèi)臟、促進(jìn)一個(gè) 自身的成長(zhǎng)和發(fā)展。因此，他們以沸石為主要原料，研制出一種能促進(jìn)畜禽生長(zhǎng)提高農(nóng)作物產(chǎn)量的顆粒體。后來，蘇、美、沸石在未來肥料的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

發(fā)展歷程

1756年，瑞典礦物學(xué)家克朗斯特首先發(fā)現(xiàn)了沸石。

19世紀(jì)，人們開始關(guān)注天然沸石的微孔特性及其吸附作用、離子交換等方面的性能有了進(jìn)一步的了解。

在20世紀(jì)40年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)沸石可以用于篩選、分離分子，他們發(fā)現(xiàn)沸石的酸性催化作用可以通過離子交換來調(diào)節(jié)。通過模型天然沸石的地質(zhì)形成條件，首次實(shí)現(xiàn)了分子篩的人工合成。

20世紀(jì)50年代，科學(xué)家在鋁硅酸鹽中加入堿土金屬或堿金屬氫氧化物，采用低溫水熱合成技術(shù)，成功合成了一系列沸石。

20世紀(jì)60年代，科學(xué)家合成了一批富硅沸石分子篩，具有良好的催化作用、水熱穩(wěn)定性、高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)、精細(xì)化工和其他催化領(lǐng)域。

具有多級(jí)孔的沸石材料的合成引起了人們的關(guān)注廣泛的興趣。它可以彌補(bǔ)沸石單一微孔的不足，從而可用于吸附、催化等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

開采歷史

因?yàn)榉惺w極其精細(xì)，看起來像粘土，所以人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。直到20世紀(jì)50年代，X射線衍射儀的出現(xiàn)才在沸石的鑒定上取得突破。20世紀(jì)50年代末，在日本、在北美等地發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模的沉積型沸石礦床，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到沸石是多種沉積巖和低級(jí)變質(zhì)巖的重要成巖產(chǎn)物。

在隨后的幾十年里，一方面發(fā)現(xiàn)了更多的大型沉積型沸石礦床，另一方面由于對(duì)沸石性質(zhì)的深入研究和合成沸石工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，沸石從博物館展品變成了用途廣泛的工業(yè)礦物。

沸石種類繁多，成因類型多樣。包括溶解含有凝灰?guī)r的火山物質(zhì)以形成沸石、堿性湖泊熱水噴出形成沸石和河流-湖泊中的粘土礦物在鹽堿水中形成沸石。大多數(shù)沸石是由沉積的鋁硅酸鹽礦物與孔隙水反應(yīng)形成的（或由鋁硅酸鹽礦物熱液蝕變形成）由于原始巖石的同質(zhì)結(jié)構(gòu)、成礦的物理化學(xué)條件也相對(duì)穩(wěn)定，成巖作用中沸石形成速度較慢，可形成重要的工業(yè)礦床。

沸石的形成受堿性環(huán)境控制，在不同的溫度范圍內(nèi)可以形成不同類型的沸石。作為含水礦物，沸石的形成也受壓力影響，高壓環(huán)境下形成的沸石含水量低。

由于不同的地球化學(xué)環(huán)境和不同的沸石礦物晶體結(jié)構(gòu)，沸石礦物之間的轉(zhuǎn)化是復(fù)雜的。

沸石是沉積巖中含量最豐富分布最廣的自生礦物，也是火山凝灰?guī)r和火山碎屑沉積物的主要成分。沸石礦物廣泛分布于地球上含油氣盆地的儲(chǔ)層中，沸石的發(fā)育也與碎屑巖的儲(chǔ)層性質(zhì)密切相關(guān)。日本、美國(guó)、澳大利亞、俄羅斯、在中國(guó)和其他地方發(fā)現(xiàn)了許多沸石礦床。

礦物組成

沸石的化學(xué)成分非常復(fù)雜，不同的物種化學(xué)成分差異很大。它的化學(xué)通式是AmBpO2p·結(jié)構(gòu)式為Ax的NH2O/q［AlO2）x（SiO2）y］NH2O，其中A是Ca、Na、K、Ba、Sr等陽(yáng)離子；B為Al和Si；q為陽(yáng)離子電價(jià)；m為陽(yáng)離子數(shù)；n為水分子數(shù)；x為Al原子數(shù)；y為Si原子數(shù)；不同沸石礦物中硅鋁比（y/x）不一樣；x+y）是一個(gè)晶胞中四面體的數(shù)量。例如，斜發(fā)沸石具有化學(xué)式：Na，K，Ca）2～3［Al3（Al，Si）2Si13O36］12H2O，絲光沸石的化學(xué)式為：Na2Ca［AlSi5O12］4·12H2O。

物化特征

沸石的密度為1.92～2.80g/Cm3，莫氏硬度5 ~ 5.5通常是無色的，但有時(shí)是肉紅色或其他淺色。

沸石獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性，主要是離子交換、吸附分離性（例如選擇性吸附性能）催化性（可用作催化劑和催化劑載體）化學(xué)穩(wěn)定性（天然沸石具有良好的熱穩(wěn)定性、耐酸性）可逆的脫水性、導(dǎo)電性等。

離子交換性

在沸石晶格中，Si4被Al3取代，導(dǎo)致過量的負(fù)電荷。為了補(bǔ)償這些電荷，通常加入堿金屬或堿土金屬離子。這些陽(yáng)離子與晶格的結(jié)合力很弱，所以它們是可交換的。沸石的離子交換性能表現(xiàn)出明顯的選擇性。例如，在方沸石中，鈉很容易被銀吸收、Ti4+、Pb2血漿交換，但是在NH4中的交換容量低。

吸附分離性

沸石的孔結(jié)構(gòu)使其具有較大的內(nèi)部比表面積，脫水后由于孔結(jié)構(gòu)的連通和空洞，使其具有更大的內(nèi)部比表面積。這也使得沸石具有高吸附性能。

選擇性吸附和分子篩效應(yīng)是沸石吸附性能的重要特征。在沸石中，孔隙和空穴一般占晶體總體積的50%以上，且大小一致、具有固定的尺寸和規(guī)則的形狀?？讖酵ǔ?.66~1.5nm，通道的直徑為0.3~1.0nm。因此，小于沸石孔徑的分子可以進(jìn)入孔隙，而大于孔徑的分子則被排斥。所以沸石有一種分子篩選功能，叫做分子篩效應(yīng)。

催化性

沸石具有高催化活性和耐高溫性能、耐酸性和抗中毒，因此被認(rèn)為是一種優(yōu)良的催化劑和載體。沸石顯示催化性能的機(jī)理主要與其在晶體結(jié)構(gòu)中的酸性位置有關(guān)、孔徑和陽(yáng)離子交換性能。

化學(xué)穩(wěn)定性

沸石具有良好的耐熱性、耐酸性。

結(jié)構(gòu)特征

沸石是骨架結(jié)構(gòu)硅酸鹽中的一組礦物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由三維硅組成（鋁）氧格架組成。

硅（鋁）氧四面體是沸石骨架中最基本的結(jié)構(gòu)單元，四面體中的每個(gè)硅（或鋁）原子周圍有四個(gè)氧原子形成四面體配位。硅氧四面體中的硅可以被鋁原子取代，形成鋁氧四面體。為了補(bǔ)償電荷不平衡，一般用堿金屬或堿土金屬離子來補(bǔ)償，如Na、Ca、Sr 、K、Ba、Mg等金屬離子。沸石的結(jié)構(gòu)水和一般結(jié)構(gòu)水（OH）不一樣，因?yàn)樗且运肿拥男问酱嬖冢谔囟ǖ臏囟认录訜?、脫水后結(jié)構(gòu)未被破壞，原有水分子的位置仍有空隙，形成海綿狀的格子狀結(jié)構(gòu)，具有將水分子和氣體吸回空隙的特性。

沸石骨架的最基本單元是二氧化硅四面體(SiO4)和鋁氧四面體(AlO4)被稱為“一級(jí)結(jié)構(gòu)”這些四面體通過頂角處的氧原子相互連接，形成一個(gè)顯示在平面上的封閉的多元環(huán)，稱為“二級(jí)結(jié)構(gòu)”以及這些多元環(huán)在三維空間中通過橋氧連接的正多面體形成的孔或籠，如立方籠、β籠和γ籠稱為“晶穴結(jié)構(gòu)”

沸石種類繁多，包括40種天然沸石和125種合成沸石。常見的天然沸石種類是斜發(fā)沸石（clinoptilolite）絲光沸石（mordenite）菱沸石（chabazite）毛沸石（mao feishi）方沸石（analcime）片沸石（heulandite）濁沸石（飾濁沸石）鈣十字沸石（phillipsite-Ca）等。

斜發(fā)沸石

斜發(fā)沸石的晶體化學(xué)式為(Na,K,Ca)2-3[Al3(Al,Si)2Si13O36]12H2O。它的化學(xué)成分是SiO2 69.93%， Al2O3 11.86%，MgO 0.12%,   Cao 33563.26%， Na2O 1.51%， K2O 2.14%， H2O11.18%

斜發(fā)沸石屬于單斜晶系，晶體形態(tài)可呈板狀，長(zhǎng)度可達(dá)1cm。斜發(fā)沸石為白色或無色，具有玻璃光澤，形態(tài)為透明至半透明。主要由火山玻璃析晶形成，產(chǎn)于流紋巖和安山巖的洞穴中。

菱沸石

菱沸石的晶體化學(xué)式為(Ca0.5,Na,K)4[Barium strontium aluminate]12H2O。它的化學(xué)成分是SiO2 47.46%，Al2O3 20.13%，CaO 11.07%，H2O 21.34%

菱沸石屬于三斜晶系，其晶體形態(tài)可以是假菱形、接近立方體或板狀的形狀。它常呈白色、黃色、粉色、紅色或無色，有玻璃光澤，透明至半透明狀。菱沸石主要產(chǎn)于玄武巖中、安山巖在石灰?guī)r和片巖中很少見；它是由湖泊沉積物的層狀凝灰?guī)r沉積物中的火山玻璃交代作用形成的。

毛沸石

鈣柔毛沸石晶體的化學(xué)式如下(Calcium, potassium and sodium)Alias Al4Si14O36?15H2O。它的化學(xué)成分是SiO2 60.67%，Al2O3 12.90%，F(xiàn)e2O3 1.35%，F(xiàn)eO 0.09%，MgO 1.09%，CaO 0.65%，Na2O 4.39%，K2O 4.09%，H2O  7.69%，H2O-( 6)94%

毛沸石屬于六方晶系，其晶體通常為柱狀結(jié)構(gòu)。白色，具有玻璃光澤至絲綢光澤，透明至半透明狀。產(chǎn)于玄武巖中，由流紋巖凝灰?guī)r交代或湖床鏡質(zhì)體凝灰?guī)r沉積交代而成。

絲光沸石

絲光沸石的晶體化學(xué)式為(Calcium, sodium and potassium)AlSi5O12]2?7H2O。它的化學(xué)成分是SiO2 66.06%，Al2O3 12.32%，MgO 0.36%, Cao 33563.02%，Na2O 3.86%，K2O 0.50%，H2O  9.19%，H2O-( 4)68%

絲光沸石屬于正交晶系，其晶體形態(tài)可呈針狀或纖維狀結(jié)構(gòu)。絲光沸石通常是白色的、淺黃色，有時(shí)被雜質(zhì)染成玫瑰色，具有玻璃光澤，或珍珠光澤和絲綢光澤，透明至半透明狀。常見于火山杏仁和洞穴中，也可作為火山玻璃或沉積巖中自生礦物的水化產(chǎn)物產(chǎn)生。

方沸石

方沸石的晶體化學(xué)式為Na2[AlSi2O6]2?2H2O。它的化學(xué)成分是SiO2 54.58%，Al2O3 23.16%，Na2O 14.08%，H2O  8.18%

方沸石屬于等軸晶系和三斜晶系，其晶體形態(tài)可以是四方八面體，也可以是立方體和四方八面體。方沸石常呈無色、白色、淡紅、微灰、略帶綠色，有玻璃光澤，透明至半透明狀。

片沸石

片狀沸石的晶體化學(xué)式為Ca4[Aluminum siloxane 72]24H2O。

片理化屬于單斜晶系，晶體形態(tài)為三維等軸或板狀，顏色為無色、白色或黃色，含F(xiàn)e2O3時(shí)呈磚紅色，有玻璃光澤，解理面有珍珠光澤。薄片巖主要產(chǎn)于安山巖玻璃質(zhì)巖石中，由火山玻璃蝕變形成。

濁沸石

濁積巖的晶體化學(xué)式為CaAl2Si4O12?4H2O。其化學(xué)成分為CaO 11.90%，Al2O3 21.07%，SiO2 51.10%，H2O 15.30%

濁積巖屬于單斜晶系，其晶體形態(tài)可呈現(xiàn)細(xì)小的板狀晶體。濁積巖呈白色至灰色、粉紅色、黃色、褐色或金褐色，有玻璃光澤，解理面有珍珠光澤，透明至半透明狀。濁積巖產(chǎn)于鎳礦區(qū)蛇紋石體內(nèi)的剪切面上，呈薄殼狀，與鎳礦共生。

鈣十字沸石

鈣十字沸石的晶體化學(xué)式為(K,Na,Ca)1-2(Si,Al)8O16?6H2O。它的化學(xué)成分是SiO2 46.03%，Al2O3 21.43%Iron trioxide FeO 0.99%, Cao 33565.73%，Na2O 3.13%，K2O 5.59%，H2O 17.33%

鈣十字沸石屬于單斜晶系，其晶體通常成對(duì)出現(xiàn)，呈假對(duì)稱。方解石無色、白色、紅色或黃色，有玻璃光澤，透明至半透明狀。常產(chǎn)于玄武巖的晶體洞穴中，屬于熱液成因。

由于沸石具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性，在石油中被廣泛應(yīng)用、化工、輕工、環(huán)保、建材、農(nóng)業(yè)畜牧業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它主要有以下功能應(yīng)用。

石油化工

在石油煉制過程中，沸石催化劑可用于裂化催化、加氫催化和加氫裂化，從而提高石油加工的效率和質(zhì)量。在石油化工領(lǐng)域，沸石催化劑可用于異構(gòu)化、重整、烷基化、歧化烷基轉(zhuǎn)移和其他反應(yīng)，從而產(chǎn)生各種化學(xué)品和燃料。沸石也可以用來從海水中提取鉀、硬水軟化和海水淡化，作為特殊干燥劑等。

建材領(lǐng)域

天然沸石在建筑行業(yè)的應(yīng)用主要是作為水泥行業(yè)的活性摻合料，也廣泛用作輕骨料、輕質(zhì)高強(qiáng)板材、輕質(zhì)磚瓦、輕質(zhì)陶瓷制品、團(tuán)結(jié)材料和建筑石材等。

環(huán)保領(lǐng)域

沸石具有優(yōu)良的吸附和離子交換性能，對(duì)消除工業(yè)廢氣和廢水的污染有很好的效果沸石是環(huán)保領(lǐng)域中一種經(jīng)濟(jì)有效的凈化劑。

農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域

在土壤中施用沸石巖粉可以提高土壤的鹽基交換能力，從而提高土壤肥力。此外，沸石還具有保肥作用、保水、防治病蟲害的功能，也可作為飼料添加劑。

沸石礦一般埋藏淺，賦存穩(wěn)定，大部分已出露地表，適合露天開采。一些沸石礦物和珍珠巖、膨潤(rùn)土共生成分符合煤層，可綜合開采，成本較低，簡(jiǎn)單加工后即可利用。

沸石大多在露天開采隨著開采深度的增加和邊坡規(guī)模的擴(kuò)大，礦區(qū)地形地貌將發(fā)生較大變化，礦區(qū)內(nèi)將形成一個(gè)不規(guī)則的大型采坑，邊坡陡峭，坑內(nèi)積水，也容易發(fā)生塌陷、滑坡等地址災(zāi)害。