沸石

美国明尼苏达州的Rosement污水厂，处理水量为 2260m3／d，先将原水进行一定的前处理，用斜发 沸石进行离子交换，处理后水中氨氮去除率达到95 ％以上。 去除氟。氟是一种有毒的物质。饮用水中氟的 含量过高。容易使儿童患氟斑病和氟骨症。有人通 过静态实验研究表明活化沸石降氟吸附反应较快， 其最佳pH值范围为515～615；再生液oH值在小于4 或大于11时再生效果良好。沸石除氟有许多优点： 可对含氟量不同的原水有效地除氟，处理后水质澄 清透明，含氟量达到国家饮用水标准；处理成本低， 装置简单，再生简易。去除砷。砷是环境中普遍存 在的有毒元素。化学和冶金工业中排出的污水很多 是含砷废水。处理含砷废水的方法很多，在固定床 中用固体吸附剂来吸附砷化物流程比较简单，效果 可靠。
（6）环保方面的应用：用于空气净化。沸石具有强大的 吸附功能，对极性分子如H2O、NH3、H2S、CO2等有很 高的亲和力，即使在低相对湿度、低浓度、较高温度条件 下仍能有效吸附，因此是性能稳定、吸附效果良好的吸附 剂，可用于废气处理和空气净化。铱和铂一铑／氧化铝在 汽车尾气的处理中是良好的催化剂用天然沸石作为载体， 可在汽车发动机内有效的转化NOx(转化率70％)，并可完 全去除烃类物质。 用于水染染治理。去除氨氮和磷。水体中氨氮和磷 含量增加会导致水体富营养化，藻类大量繁殖，溶解氧锐 减，水质严重恶化，从而破坏水生态平衡。因此，有效控 制和降低污水中氨氮和磷含量已成为现代污水处理技术的 一项新课题。国内外在用天然沸石去除氨氮方而作了较多 的研究，对它在污水处理中的应用条件、再生工艺等进行 了生产性试验，并建成了一定生产规模的污水处理厂。
由于银离子的抗菌光谱很宽，因此银-沸石 也具有很宽的抗菌光谱。将银-沸石混合到 饲料中可以起到清理肠胃的作用；将银-沸 石加入食品包装材料中，能使包装材料具 有抗菌、防腐和自洁等优良性能，使其成 为绿色环保产品；将银-沸石加入冰箱板材 的制造，可制得纳米抗菌塑料板材，用此 板材制造的电冰箱即为纳米抗菌冰箱或保 鲜电冰箱。此外，银-沸石还可作为炊具、 牙科材料、装饰品等的清洁剂。
天然沸石的有关应用。（1）天然沸石在洗涤剂上的应 用：目前合成洗涤剂所含的磷化合物（三聚磷酸钠），长期 使用后会使江湖、海洋内的植物生长繁盛，与NH4+等物引 起微生物繁殖而出现的褐色的海水。所以发达国家已限制或 减少磷酸盐的用量，用4A沸石代替。考虑到成本问题，试图 直接利用天然沸石作洗涤剂的原料，至今已在探索中。 （2）天然沸石在太阳能方面的应用：近几年来美国利用 斜发沸石从太阳辐射中吸收和释放热能，既用来空调，又用 于水加热，取得成功后，一些国家认为这是天然沸石的一个 具有远景意义的利用领域。加拿大发明了一种储存太阳能的 新办法，用来为房间供热，他们采用了一种装满沸石的容器， 这种取暖办法是利用沸石容易吸热量，在与湿润空气接触时 又可以放出热量的原理。
天然沸石及其应用
天然沸石是一种含水 的钙、钠以及钡、钾的铝硅 酸盐矿物。其独特的内部结 构是由硅氧四面体和替代的 铝氧四面体为基本结构单元， 而硅氧四面体和铝氧四面体 再逐级组成单元环、双元环、 多元环、笼构成主要为三维 空间的架状构造的结晶多面 体。沸石晶体内部存在着大 最的排列有序、大小均匀、 彼此贯通并与外界相连的孔 穴和孔道（孔径一般0.3～ 1nm）。
纳米沸石及其应用
纳米沸石是指晶粒大小 Hale Waihona Puke Baidu1 nm～100 nm之间的沸 石。由于晶粒极小，纳米沸石 的比表面积尤其是外表面积明 显增加，表面原子数与体积原 子数之比急剧增大，孔道缩短， 外露孔口增多，从而使纳米沸 石具有更高的反应活性和表面 能，表现出明显的体积效应和 表面效应。
纳米沸石的主要特性。1)由于外表面积增大， 使更多的活性中心得到暴露，有效地消除了扩散 效应，使催化剂效率得到充分发挥，从而可使大 分子的反应性能得到改善。 2)由于表面能增高，使沸石的吸附量增大、吸 附速度加快，从而使沸石的有效吸附能力得到改 善。 3)纳米沸石的孔道短，其晶内扩散阻力小，加 之巨大的外表面积使纳米沸石有更多的孔口暴露 在外部，这既有利于反应物或产物分子的快速进 出，又可防止或减少因产物在孔道中的聚积而形 成结碳，提高反应的周转率和沸石的使用寿命。
（4）纳米沸石的其它应用 纳米沸石负载催化药剂（如负载半导体光催 化氧化药剂），可以制成高效水处理剂。这种高 效水处理剂在处理污水时，可以同时发挥纳米沸 石的强大吸附作用和催化剂的催化降解作用，使 污水得到更加有效的处理。与传统水处理剂相比， 纳米沸石高效水处理剂不仅污水净化效果好，而 且可降低药剂用量，同时还具有应用范围广(可对 多种极性、非极性污染物、尤其是有机大分子污 染物进行有效处理)和使用方便等特点。 纳米沸石负载药物，可以制成新型高效口服 药剂。由于纳米沸石具有良好的选择吸附性、离 子交换性和小粒径效应，有利于药物在病变部位 滞留时间、药物与肠壁接触时间及接触面积的增 加，提高口服吸收的吸收度。此外，纳米沸石在 汽车尾气治理、大气污染防治等领域也将发挥其 应有的作用。
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（2）纳米沸石组装材料 利用纳米沸石粒间的静电、氢键或化学键之间 的相互作用，可以组装出具有特殊结构和功能的 纳米沸石材料，其中纳米沸石膜是研究较多的一 类纳米沸石组装材料，在催化、吸附分离、光导 材料等领域可能会发挥作用。 在纳米沸石膜的制备方面，目前研究最多的是 二次生长法（晶种-膜生长法）。它是利用静电作 用先在硅片、碳纤维、无机纤维、植物纤维、多 孔超滤载体或贵金属片等载体表面沉积一层均匀 的沸石晶种层，然后水热晶化生长出薄而致密的 沸石膜。
沸石晶体格架中含水量的多少随外界温度和湿度等变化而变化， 但并不影响其晶体的内部结构。所以当改变条件时，沸石水往 往可以自由地排出或重新吸入，不损坏沸石品体结构。由于沸 石作为最典型的具有纳米介孔结构的多孔非金属矿，可作为制 造纳米结构组装材料的载体与媒介，而日益受到科技界的密切 关注。天然沸石有纯度不高等自然弱点，但天然沸石也有优于 合成沸石的热稳定性、耐酸性和耐辐射性以及成本低、储量大 等特点。因此天然沸石的应用在国外取得了很大的发展，应用 领域不断扩大。例如日本利用板谷地区产的沸石吸附氮来制取 富氧空气，虽然不如合成沸石4A和5A的性能好，但用天然沸 石大约两倍的量，却能得到同样程度的效果，而天然沸石的价 格要比合成沸石低10多倍。
（3）天然沸石在农业上的利用：八十年代以来天然沸石 在农业方面的利用受到许多国家的注意，国外几个主要沸石 产国均将沸石的农业利用作为主要用途。日本是首先将沸石 用于农业的国家，在这方面的应用水平已处于领先地位。美 国年产几万吨的天然沸石主要用于畜牧业，所以沸石在农业 上的利用是大有作为的。我国也应加强沸石在农牧业上的应 用研究。 （4）天然沸石代替硅胶和氧化铝：用便宜的天然沸石代 替合成材料人造二氧化硅凝胶（硅胶）以及氧化铝，这也是 目前沸石开发利用的发展趋势之一，预期可取得很大的经济 效益。 （5）天然沸石对再生自然资源的应用：利用天然沸石处 理废料和污水，解决环境污染问题，并能从中回收和取得大 量的燃料、肥料等有价值的产品。
沸石的简要介绍
第四小组 主讲人：王海洋
沸石的概述 天然沸石及其应用 纳米沸石及其应用
沸石的概述
1. 沸石是沸石族矿物的 总称，是一种含水的碱金属 或碱土金属的铝硅酸矿物。 自然界已发现的沸石有30 多种，较常见的有方沸石、 菱沸石、钙沸石、片沸石、 钠沸石、丝光沸石、辉沸石 等，都以含钙、钠为主。它 们含水量的多少随外界温度 和湿度的变化而变化。
它们的共同特点就是具有架状结构，就是说在它 们的晶体内，分子像搭架子似地连在一起，中间 形成很多空腔。因为在这些空腔里还存在很多水 分子，因此它们是含水矿物。这些水分在遇到高 温时会排出来，比如用火焰去烧时，大多数沸石 便会膨胀发泡，像是沸腾一般。沸石的名字就是 因此而来。 2.沸石主要形成于低温热液阶段，常见于喷 出岩气孔中，也见于热液矿床和近代温泉沉积中。 沸石可以借水的渗透作用，以进行阳离子的交换， 其成分中的钠、钙离子可与水溶液中的钾、镁等 离子交换，工业上用以软化硬水。工业上常将其 作为分子筛，以净化或分离混合成分的物质 ，如 气体分离、石油净化、处理工业污染等。
（3）金属-纳米沸石抗菌材料 目前作为抗菌剂、杀菌剂的主要物质仍为醇 类有机物。由于有机药剂耐热性等化学稳定性差， 分解物及挥发性物质对人体的安全有威胁，因此 以无机物代替有机物作为杀菌剂的研究非常引人 注目。纳米沸石以其尺寸小（比血液中的红血球 小1 000多倍，比细菌小几十倍）、气体扩散速度 快（比常规材料快几千倍）、与生物细胞膜的化 学作用强（极易进入细胞内）以及良好的择形性 等优良性能，成为无机杀菌剂的首选载体。 具有抗菌效果的无机成分有银、锌、铜、锡、 汞等，尤其是银离子，阻止各种微生物发育的最 小浓度(MIC值)最低、安全性最好，而且银离子的 结合力很强，很容易与沸石结合构成银-沸石抗菌 材料［９］。
对于那些因受扩散限制而难以发生、或反应 物或产物分子大小与沸石孔口尺寸相近的反应， 纳米沸石将表现出更大的优越性。目前已成功制 备出的纳米沸石包括纳米ZSM-5沸石、纳米TS-1 沸石、纳米silicalite-1沸石、纳米β沸石、纳米Y沸 石、纳米X沸石、纳米A沸石、纳米HS沸石、纳 X A HS 米BETA沸石以及纳米AlPO4-5沸石等。
纳米沸石的应用
（1）纳米沸石催化剂 不少学者就纳米沸石催化性能进行过较为详 细的研究。结果表明，纳米沸石对有机加氢裂化、 流化催化裂化（FCC）、苯的烷基化、烯烃齐聚、 甲醇制汽油（MTG）、苯酚羟基化、甲胺的合成 等反应，都有良好的催化作用。纳米沸石作为催 化剂，不仅催化活性高，而且对产物具有特殊的 选择性，同时纳米沸石因抗积碳能力强而具有较 长的使用寿命。