斜发沸石 沸石的特性及应用

沸石是沸石家族矿物的总称，是一种骨架状水合铝硅酸盐矿物，常见于斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、菱沸石等。它具有独特的离子交换、离子交换、催化、热稳定性和耐酸性，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。1.沸石的物理化学性质

(1)选择性吸附

沸石的孔结构使其具有大的内表面积。脱水后，由于孔隙结构和空的连通性，具有较大的内表面积。巨大的内表面积形成了沸石的高效吸附性能。

选择性吸附和分子筛效应是沸石吸附性能的重要特征。沸石中的孔洞一般大于晶体总体积的50%，大小均匀，大小固定，形状规则。一般孔径为0.66-1.5nm，孔径为0.3-1.0nm，很明显，直径小于沸石孔径的分子可以进入孔内，而大于孔径的分子则从孔内被排斥，因此沸石具有筛选分子的功能，称为分子筛效应。

此外，吸附分子的性质对沸石的吸附行为也有重要影响。沸石对H2氧、NH3、H2硫、CO2等极性分子有很强的亲和力。，并且具有很强的吸附作用，湿度、温度、浓度等条件对其影响不大。

沸石的硅铝比直接影响沸石晶体内部的静电场，从而影响吸附力。硅铝比越大，吸附力越弱。

(2)离子交换性

沸石的离子交换性来源于沸石孔隙中存在的可交换阳离子，如钾离子、钠离子和钙离子，这是由于平衡沸石结构中Si4+被Al3+取代引起的电价不平衡造成的。

沸石的离子交换表现出明显的选择性。比如方沸石中的Na+很容易被Ag+、Ti、Pb等交换。，而NH4+交换的量较低。

(3)催化性能

沸石因其高催化活性、耐高温、耐酸、耐中毒而成为一种优良的催化剂和载体。沸石催化性能的机理主要由其酸性位置、孔径大小和阳离子交换性能决定。

沸石催化的许多反应属于碳正离子型，反应通过碳正离子中间体进行。沸石对某些自由基反应和氧化还原反应也有相当大的催化活性。

天然沸石一般不能做催化剂，用离子交换法改性成H沸石后才能做催化剂。天然沸石可作为载体负载具有催化活性的金属(如铋、锑、银、铜、稀土等)。)，通过金属的作用表现出良好的催化性能。

(4)稳定性

沸石的热稳定性主要取决于硅铝比平衡阳离子。在组成变化范围内，含量越高，热稳定性越好。

天然沸石耐酸性好。在低于100℃的温度下与强酸反应2h，其晶格基本不被破坏，丝光沸石在王水中能保持稳定。因此，天然沸石通常通过酸处理被活化、回收和用于其他目的。

沸石的耐碱性远远小于耐酸性，这是由于沸石晶格中酸性位点的存在造成的。当置于低浓度强碱性介质中时，沸石结构被破坏。

2.沸石的应用领域

(1)农业和畜牧业

利用沸石的离子交换和吸附性能，可以明显改善土壤的离子交换和吸附性能，从而达到保肥、保水、改良土壤的效果。

据报道，在日本的许多地区，沸石粉被用于中和农田中的酸性火山土壤。施用沸石粉后，水稻和小麦的产量可提高5%-10%。浙江省施用450-900μm沸石粉，水稻增产10%-20%

沸石也用作饲料添加剂和农场除臭的吸附剂。

(2)建筑材料

沸石主要用作水泥中的活性混合料和建筑材料中混凝土的外加剂，可以降低水泥用量，改善各种功能。

沸石作为水泥混合物主要是由于其火山灰活性，由于其可溶性活性铝成分。因此，它可以部分替代胶凝材料，而不影响水泥的性能。

利用沸石的火山灰活性作为混凝土特别是高性能混凝土中的掺合料，沸石可以与水泥水化后形成的副产物Ca(OH)2(无硬化强度)反应生成具有硬化强度的物质，从而提高混凝土的强度。

沸石作为混凝土外加剂具有独特的意义和作用。沸石由于其离子交换性质，可以吸收水泥等组分在混凝土体系中带来的Na+、K+，从而消除或减少Na+、K+与活性二氧化硅组分骨料之间的碱-骨料反应，提高混凝土的耐久性和使用安全性。

天然沸石在110℃时具有良好的发泡性，因此也是生产轻集料混凝土和其他轻质建筑材料的原料。

(3)石油和化学工业

沸石可用作催化剂及其载体。基于沸石的催化剂被广泛使用。主要领域有:

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。

此外，沸石在石油化工领域可用作干燥剂、吸附剂和气体分离器，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

废水中含有重金属阳离子和Hg2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Cr3+、As3+等有机污染物。斜发沸石和丝光沸石可用作这些杂质的提纯材料。沸石还可以净化废水中的NH3 -N、H2 PO4-2-、HPO 4-2-、PO4-3-离子交换沸石还可以用来回收工业废水中的一些金属。

沸石也可以用来改善水质。天然沸石可以吸附硬水和软化水中的阳离子。比如西沙群岛的饮用水经过当地含沸石的火山角砾岩处理，去除了更多的有机物，降低了盐度，减少了氨离子和硝酸盐，成为标准饮用水；斜发沸石作为离子交换吸附剂，经过硫酸铝钾再生等一系列处理后，可以降低高氟水中的氟含量，使其达到饮用水标准。另外，用银交换的沸石可以淡化海水。

(5)空气体净化材料

沸石作为一种具有微孔通道和空间隙结构、离子交换和吸附选择性的多孔矿物材料，可作为一维、二维和三维排列纳米尺度单元物质空和生成组装材料的介质。沸石纳米孔-金属离子和团簇组装材料具有复合纳米单元材料特性和沸石孔特性，为其在净化室内空气体方面的应用奠定了良好的基础。

以沸石为载体，通过孔吸附活化、纳米孔中抗菌成分的组装和稳定固化等技术，制备出具有无机抗菌和快速吸附除臭功能的无机抗菌除臭剂。，可用作居室、卫生间、汽车内饰、冰箱等局部环境空气体的净化产品。

(6)环境污染控制

沸石是一种具有孔隙结构和含水骨架的多孔硅铝矿物。由于其独特的晶体结构和化学性质，具有分子筛分离、离子交换、吸附和催化功能，因此在污水处理、土壤修复、空气污染控制、汽车尾气处理等诸多环境领域得到了广泛应用。

(7)造纸领域

沸石矿物具有较高的孔隙率、吸附性、离子交换性和特殊的光泽(玻璃光泽、丝绸光泽、珍珠光泽)，可用作纸张填料、特种涂料颜料和水处理剂。

(8)沸石止血剂

沸石是自然界中发现的多孔结晶硅铝酸盐矿物，能吸收大量的水，并与周围的溶液交换离子。它具有长期的物理化学稳定性，无生物毒性，使沸石成为制备止血剂的理想材料。FDA批准的沸石止血剂主要有QC、ACS、ACS等。

(9)核废料处理

沸石也可以用于核废料处理。如斜发沸石和丝光沸石具有抗辐射能力，对Cs和Sr有较高的选择性交换能力，因此可用于去除核废料中半衰期较长的Cs和Sr，通过熔融沸石将放射性物质长期固定在沸石晶格中，从而控制放射性污染。

(10)其他应用

沸石在造纸、塑料和橡胶工业中用作填料；也可用于制造新的气相防锈剂和红外辐射材料。也可用于热能储存、太阳能制冷等；绿色沸石可作为食用油吸附剂去除杂质；美国开发的细沸石已用于杀虫剂载体、液体肥料悬浮剂和防结块剂；铅沸石可用于生产铅酸电池电极。

随着经济的发展和生活水平的提高，预计沸石在环保、医疗、土壤修复、国防电子、水处理等领域将有更大的增值利用前景。