沸石的研究与应用现状

沸石的研究与应用现状

摘要：沸石是一族含水的具有连通孔道的呈架状构造的碱或碱土金属的硅酸盐或铝硅酸盐矿物；沸石具有很好的热稳定性和吸附性能，广泛应用于农业、石油化工、建筑材料、陶瓷、冶金、医药、催化剂、洗涤助剂、日用化工等领域。本文主要介绍了沸石的成因、性质、制备和应用。

关键词：沸石斜发沸石丝光沸石分子筛吸附剂

沸石是一族含水的具有连通孔道的呈架状构造的碱或碱土金属的硅酸盐或铝硅酸盐矿物；沸石是具有较高经济价值的矿产资源，是从20世纪50年代发展起来的新型非金属工业原料[1]。随着现代化经济建设的发展和科学技术水平的提高，人们加深了对沸石矿产的成矿地质特征和工业应用的认识。由于沸石具有独特的物理化学性能，在工农业生产、环境保护绿色食品等方面的使用日益广泛。在其它领域里潜在的新用途也正在引起人们的高度重视。沸石的开发应用研究工作已取得新成果并被广泛的利用。

1.沸石矿床的分类

根据矿床的成因，沸石矿床分为内生沸石矿床和外生沸石矿床两大类型。内生地质条件下，一般不能形成大规模的单矿物的大型矿床，内生成因的沸石为低洼沸石。其工业意义尚待进一步研究。外生沸石矿床，产于沉积岩中的沉积岩型沸石矿床，常常形成大型工业矿床，具有很大的工业价值。外生沸石矿床类型很多，分类的方法也不一致，独联体国家将沉积岩中的沸石矿床，根据形成条件、成分、以及与一定岩石组合共生等特点，划分为四个类型：1）沉积成岩型

此类型沸石属高硅沸石，主要为斜发沸石和丝光沸石，它们分散在白垩纪和早第三纪的正常海相条件下形成的沉积岩中如细粒砂、硅质粘土、蛋白土、碳酸盐类岩石和磷块岩等，这些岩石中通常富含生物化学成因的氧化硅。

2）凝灰沉积型

此类矿床通常是由碱性偏高的海、湖盆地内的凝灰岩中的火山玻璃转变而成的。沸石为斜发沸石、钙交沸石、丝光沸石、毛沸石及菱沸石等。常形成近单矿物沸石岩的大型矿床。

3）后成型

此类矿床通常发育在中生代的厚层砂岩中，埋深相当大，沸石为浊沸石，间或为杆沸石、钙沸石和其他沸石。浊沸石是由砂岩胶结物和碎屑颗粒（常为钙质斜长石）形成的。

4）风化壳型

此类矿床发育于碱性岩浆岩风化壳的下部层位中，在某些铝土矿矿床中常有小型的沸石矿，沸石为钙交沸石、菱沸石和片沸石等[2]。

自然界中已发现的沸石矿物约有40多种，但目前真正能形成规模较大的工业矿床有：斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、毛沸石、钙十字沸石等五种。而我国真正被利用的主要是斜发沸石和丝光沸石。

2.沸石的性质

2.1.沸石的物理性质

斜发沸石（Na [Al Si5O12]²4H2O）：一般为白色、淡黄色。呈板条状、片状、针状，不规则粒状及细脉状。颗粒直径一般在0.02~0.05mm。硬度为3.5~4，密度>2.15。显微镜下无色透明，负突起，Ng=1.476，NP=1.472。二轴晶（－）。2V=600~700。阳离子以Na+、K+为主，Ca+次之。Si/Al=4.25~5.25。

丝光沸石(CaNa2K2) [Al Si5O12]2²7H2O：矿物多为白色、黄色、粉红色。晶体呈针状、毛发状、纤维状集合体或扇形或放射状集合体。纤维长0.01~0.03mm。硬度3~4，密度>2.15。二轴晶（±）。2V=700~1040。具二维孔道体系。一组⊥b轴,孔径为219~517。阳离子以Na+为主，Ca+、K+次之。Si/Al=4.17~5.00。

2.2.沸石的化学性质

1）离子交换性能

离子交换性是沸石岩重要性质之一。在沸石晶格中的空腔（孔穴）中K、Na、Ca等阳离子和水分子与格架结合得不紧，极易与其周围水溶液里的阳离子发生交换作用，交换后的沸石晶格结构也不被破坏。据查证，国内斜发沸石岩对NH4+离子的总交换容量在50~220 mmol/100g之间变化，对K+离子的总交换容量一般为9~26mg/g，极少数在9mg/g以下。而丝光沸石岩对NH4+离子的总交换容量一般为50~188.73 mmol/100g，K+离子的总交换容量一般为1~9mg/g，极少数在9mg/g以上。故斜发沸石岩和丝光沸石岩的NH4+离子交换容量均较高，但丝光沸石岩的K+离子交换容量大大低于斜发沸石岩，这是由其内部结构等特点决定的。

2）吸附性能

沸石具有很大的比表面积（500-1000米2/克）因而能产生较大的扩散力，故可用作出色的吸附剂。沸石晶格内部有很多大小均一的孔穴和通道，孔穴之间通过开口的通道彼此相连，并与外界沟通。孔穴和通道的体积占沸石晶体体积的50%以上，其中存在许多脱附自由的沸石水。沸石水的多少，可随外界的温度和湿度变化而变化。沸石内部的孔穴和通道，在一

定的物理化学条件下，具有精确而固定的直径（约3~11Å），各种不同的沸石，其直径也不同，小于这个直径的物质能被其吸附，而大于这个直径的物质则被排除在外。这种现象被称为“分子筛”作用。但并非所有的沸石都能起分子筛作用。有些沸石孔径太小，就没有筛分分子的作用。沸石不仅具有吸附水的性能，而且还具有吸附氧化钙、SO2、F2、氮、铵、甲醇以及吸附放射性物质的性能，以浙江缙云丝光沸石为例，吸附氧化钙为150.01mg/g，吸铵量177.47mmol/100g，SO2120mg/g，氮吸附量（STP）为12.93~17.11 mg/g，甲醇55.4 mg/g。

3）催化性能

由于沸石具有很大的吸附表面，可以容纳相当多数量的吸附物质，因而能促使化学反应在其表面上进行，所以沸石又作为有效的催化剂和催化载体。另外沸石有铝硅酸盐格架电荷，以及平衡离子的电荷，具有局部的高电场和格架上产生酸性位置，因而可以用于加速碳离子型的反应。此外它还能以交换具有催化活性的金属（如Pt、Pa等），使其能得到最大程度的分散，保持高的活性同时又可减少贵金属的用量。

4）热稳定性

沸石岩的热稳定性与沸石岩中所含阳离子的种类、沸石的硅铝比、沸石的内部结构等因素有关。就热稳定性而言，一般丝光沸石优于斜发沸石和方沸石，钾型或钠型沸石优于钙型或钾钙型斜发沸石，（我国斜发沸石属于后者），高硅沸石优于低硅沸石（我国的沸石属于高硅沸石）。国内沸石岩的热稳定性各地不一。浙江省缙云县老虎头斜发沸石，连续加热650℃12小时后，原有结构大部保持，但加热到800℃时结构全被破坏。而河北省围场斜发沸石岩加热到350-450℃，沸石晶体结构受到破坏，而河北赤城独石口斜发沸石岩加热到600-700℃（保温2小时），沸石晶体结构才完全破坏。

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°C 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[3]。

3.沸石的选矿方法

国内外为了寻求沸石的有效选矿方法，进行了大量的研究。归纳这些研究成果，主要有下列几种方法：①采用适于处理微细物料的重选设备（如摇床），及离心力场强化的重选设备。②用浮选处理粒度细的矿石，并可通过调节浮选药剂改善矿物的可选性，在浮选时，要严格控制浮选矿浆的pH值。浮选是对沸石最有前途的选矿方法。③采用选择性絮凝分选法，