沸石分子篩是一族含堿或堿土金屬、具有連通孔道并呈架狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽或硅鋁酸鹽礦物，是天然分子篩（即沸石礦）與人工合成分子篩的總稱。其天然礦物由瑞典礦物學(xué)家A.F.Cronstedt于1756年研究銅礦時(shí)發(fā)現(xiàn)，從此便揭開了人類研究沸石的序幕。由于沸石礦具有大小固定且規(guī)整的孔道，且孔穴、孔徑分布窄，只允許小分子物質(zhì)進(jìn)入孔穴，從而使沸石具有分子篩的作用；再加上沸石分子篩具有陽離子交換、催化、耐酸耐熱等特性，因此可廣泛應(yīng)用于石油化工、水泥建材、有機(jī)合成、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)牧業(yè)等領(lǐng)域。于1948年在水熱條件下首次人工合成了沸石分子篩，而中國在沸石研究方面起步較晚，于1972年在浙江首次發(fā)現(xiàn)了具有工業(yè)價(jià)值的沸石礦床，目前共發(fā)現(xiàn)的沸石礦藏400余處，主要分布在華東、華北、中南地區(qū)等地，對(duì)沸石分子篩的應(yīng)用上還處于研究階段。利用其天然礦物及人工合成的分子篩，進(jìn)行氣體分離、煙氣凈化、去除水中氨氮及重金屬離子、除氟、清除水面油污等，可達(dá)到較好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

一、沸石分子篩結(jié)構(gòu)

沸石分子篩的基本結(jié)構(gòu)單元是由共享頂點(diǎn)面而形成的TO4四面體骨架結(jié)構(gòu)（T代表Si或Al等元素），結(jié)構(gòu)如圖1所示。其化學(xué)通式：M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O。式中M代表K、Na、Ca、Sr、Ba等堿或堿土金屬元素，n為金屬離子化合價(jià)。以Si（或Al）原子為四面體中心，采用sp3雜化與頂點(diǎn)處4個(gè)氧原子成鍵，相鄰四面體之間共用一個(gè)氧原子，并通過氧橋相互聯(lián)結(jié)；多個(gè)四面體首尾相連，即形成多元環(huán)的次級(jí)結(jié)構(gòu)單元（如六元環(huán)、八元環(huán)、十元環(huán)和十二元環(huán)等），連接的四面體越多，沸石分子篩孔徑越大。多個(gè)多元環(huán)再通過復(fù)雜的三維聯(lián)結(jié)，就形成了沸石分子篩中空的骨架結(jié)構(gòu)。由骨架結(jié)構(gòu)、骨架中相互連接的孔道體系及孔道中的陽離子和水分子差異不同形成了沸石分子篩系列礦物。

二、沸石分子篩的性質(zhì)

1、陽離子交換性

當(dāng)沸石分子篩結(jié)構(gòu)中部分Si被Al所取代后，為平衡其晶體骨架中Al-O四面體多余的電子，使其達(dá)到電中性，需要部分金屬陽離子來平衡其內(nèi)部電荷。這些金屬陽離子與沸石分子篩晶格結(jié)合力很弱，可在骨架結(jié)構(gòu)中自由移動(dòng)，在一定條件下，易與其他陽離子進(jìn)行可逆交換，發(fā)生離子交換作用，而不破壞沸石分子篩原有晶格。

沸石分子篩的陽離子交換一般是在水溶液中進(jìn)行的，其反應(yīng)如下式：M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O+M′（l）?M′2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O+M（l）式中，l代表溶液相，M是存在于沸石相中的K+、Na+、Ca2+等金屬陽離子，M′是溶液中可取代M的交換陽離子。離子交換的強(qiáng)度大小是由交換容量體現(xiàn)的，沸石分子篩的離子交換容量決定于晶體結(jié)構(gòu)可交換的金屬陽離子M，其含量越多，交換容量越大，即一般硅鋁比越低，離子交換作用越強(qiáng)（但晶格中至少要有一個(gè)Si，不能被完全取代）。另外，交換容量還與晶格中孔徑大小、交換條件、交換陽離子位置及半徑等有關(guān)，不同沸石分子篩對(duì)不同金屬陽離子表現(xiàn)出不同的離子交換容量。利用沸石分子篩的陽離子交換性，可改變其孔徑尺寸，調(diào)節(jié)晶體內(nèi)電場強(qiáng)度及表面酸性等，繼而改變沸石分子篩的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在廢水處理、海水淡化和制備多相催化劑等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2、選擇吸附性

沸石分子篩的晶體內(nèi)部存在大量與外界相通的孔穴與孔道，使其具有較大的比表面積、孔體積及強(qiáng)大的色散力，且在沸石構(gòu)架中，陰離子晶格上的負(fù)電荷與平衡陽離子的正電荷中心在空間上不平衡，使晶體內(nèi)部陽離子周圍具有較強(qiáng)的電場，從而具有較大的靜電引力。在色散力與靜電力共同作用下，沸石分子篩具有很強(qiáng)的吸附作用，對(duì)極性強(qiáng)及不飽和的吸附質(zhì)分子（如H2O、CO、CO2、H2S和NH3等）具有較強(qiáng)的親和力，即使在較高溫度、較低相對(duì)濕度和低濃度條件下仍能有效吸附。且由于沸石分子篩內(nèi)部孔徑大小均勻整齊（約為0.3~1.1nm），孔徑分布窄，只有直徑較沸石孔道小的分子才能進(jìn)入孔穴中被吸附，大分子則被排除在外，因此還具有選擇性吸附部分小分子物質(zhì)的特性。沸石分子篩的選擇吸附性，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中的煙氣凈化、氣體吸附分離、干燥和水面除油等。

3、其他性質(zhì)

沸石分子篩還具有良好的催化性、熱穩(wěn)定性、耐酸性、反應(yīng)活性及耐輻射性能等。