Zeolite是沸石族礦物的總稱,是一種架狀的含水鋁硅酸鹽礦物,常見(jiàn)的有斜發(fā)沸石、絲光沸石、菱沸石、毛沸石和片沸石等,具有獨(dú)特的離子交換性、離子交換性、催化性、熱穩(wěn)定性和耐酸性等,廣泛應(yīng)用于建材、環(huán)保、離子交換、催化裂化、日用輕工、石油化工、農(nóng)牧業(yè)、造紙和塑料等領(lǐng)域。

1、沸石的物理化學(xué)性能

(1)選擇性吸附性

沸石的孔道結(jié)構(gòu)使其具有很大的內(nèi)表面積,脫水后因孔道結(jié)構(gòu)的連通和空曠而具有更大的內(nèi)表面積,巨大的內(nèi)表面積形成了沸石高效的吸附性能。選擇性吸附與分子篩效應(yīng)是沸石吸附性能的一個(gè)重要特征。沸石中的孔道和孔穴一般大于晶體總體積的50%,且大小均勻,有固定尺寸,有規(guī)則的形狀,一般孔穴直徑為0.66-1.5nm,孔道為0.3-1.0nm。顯然,直徑小于沸石孔穴的分子可進(jìn)入孔穴,而大于孔穴的分子則被拒之孔外,因而沸石具有被稱之為分子篩效應(yīng)的篩選分子作用。另外,被吸附分子的性質(zhì)也對(duì)沸石的吸附行為產(chǎn)生重要影響,沸石對(duì)H2O、NH3、H2S、CO2等極性分子具有很強(qiáng)的親和力,吸附作用很強(qiáng),并且濕度、溫度和濃度等條件對(duì)其影響很小。沸石的硅鋁比因直接影響沸石晶體內(nèi)部的靜電場(chǎng),而影響吸附力的強(qiáng)弱。硅鋁比值越大,吸附力就越弱。

(2)離子交換性

沸石的離子交換性源于因平衡沸石結(jié)構(gòu)中Al3+替代Si4+后引起的電價(jià)不平衡而存在于沸石孔道中的可交換性陽(yáng)離子,如K+、Na+和Ca2+等。沸石的離子交換表現(xiàn)出明顯的選擇性,例如方沸石中的Na+易被Ag+、Ti、Pb等交換,而被NH4+交換的量較低。

(3)催化性能

沸石具有很高的催化活性,且耐高溫、耐酸,有抗中毒的性能,是優(yōu)良的催化劑及其載體。沸石呈現(xiàn)催化性質(zhì)的機(jī)理主要是由其晶體結(jié)構(gòu)中的酸性位置、孔穴大小及其陽(yáng)離子交換性能所決定的。沸石催化的許多反應(yīng)屬于正碳離子型,經(jīng)過(guò)正碳離子中間體發(fā)生反應(yīng)。沸石對(duì)一些游離基反應(yīng)、氧化-還原反應(yīng)也有相當(dāng)?shù)拇呋钚浴L烊环惺话悴荒茏鞔呋瘎挥胁捎秒x子交換法改性為H型沸石后,才能用做催化劑。天然沸石可以作為載體,承載具有催化活性的金屬(如Bi、Sb、Ag、Cu及稀土等),通過(guò)金屬作用表現(xiàn)出良好的催化性能。

(4)穩(wěn)定性

沸石的耐熱穩(wěn)定性主要取決于其中Si+Al與平衡陽(yáng)離子的比例,在其組成變化范圍內(nèi),一般Si含量越高,熱穩(wěn)定性越好。天然沸石具有良好的耐酸性能,在低于100℃下與強(qiáng)酸作用2h,其晶格基本不受破壞,絲光沸石在王水中也能保持穩(wěn)定。因此天然沸石常用酸處理方法進(jìn)行活化、再生利用和其他目的的利用。沸石的耐堿性遠(yuǎn)不如耐酸性好,這是由于沸石晶體格架中存在酸性位置所造成的。當(dāng)將其置于低濃度強(qiáng)堿性介質(zhì)中,沸石結(jié)構(gòu)即遭破壞。

2、沸石的應(yīng)用領(lǐng)域

(1)農(nóng)牧業(yè)

利用沸石的離子交換性和吸附性,將其摻入土壤中,可明顯提高土壤的離子交換性能和吸附性能,從而達(dá)到保肥、保水和改良土壤的效果。據(jù)介紹,日本許多地區(qū)皆在農(nóng)田中施加沸石粉來(lái)中和酸性火山質(zhì)土壤,施用沸石粉后,水稻、小麥可增產(chǎn)5%-10%。我國(guó)浙江省施用450-900μm沸石粉,水稻增產(chǎn)10%-20%。沸石還用做飼料的添加劑和飼養(yǎng)場(chǎng)除臭用吸附劑等。

(2)建材

沸石在建材方面主要在水泥中作活性混合料和在混凝土中作摻和料,起到降低水泥用量,發(fā)揮和改善各種功能的作用。沸石作為水泥混合料主要是因沸石中含可溶性的活性鋁成分,而具有火山灰活性的原因。因此可在不影響水泥性能的前提下,部分代替膠凝材料。利用沸石的火山灰活性特點(diǎn),在混凝土,特別是高性能混凝土中作摻和料使用,沸石可與水泥水化后形成的副產(chǎn)物Ca(OH)2(無(wú)硬化強(qiáng)度)發(fā)生反應(yīng)生成具有硬化強(qiáng)度的物質(zhì),從而提高混凝土的強(qiáng)度。沸石在混凝土中作摻和料,還有獨(dú)特的意義和作用,由于沸石的離子交換性,它可吸納混凝土體系中水泥和其他組分帶入的Na+和K+,從而消除或降低了Na+和K+與具有活性SiO2組分的集料發(fā)生的堿集料反應(yīng),提高混凝土的耐久性和使用安全性。天然沸石在110℃時(shí)具有很好的發(fā)泡性,因此它還是生產(chǎn)輕骨料混凝土及其他輕質(zhì)建材的原料。

(3)石油和化工

沸石可用做催化劑及其載體,以沸石為基本原料的催化劑應(yīng)用非常廣泛,主要領(lǐng)域?yàn)椋河米鍪蜔捴七^(guò)程中的裂化催化、液壓催化和氫化裂化;利用沸石的吸附性能,還可回收合成氨廠廢氣中的氨;吸附硫酸廠廢氣中的H2S等。利用沸石的離子交換性,以Na+和K+離子置換法可從海水中提取鉀。其中斜發(fā)沸石對(duì)鉀有特殊的選擇交換性能,用飽和NaCl溶液在100℃下將斜發(fā)沸石改型成Na型沸石,其離子交換容量可進(jìn)一步提高,從而改善提鉀效果。

(4)水處理

廢水中含Hg2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Cr3+、As3+等重金屬陽(yáng)離子和有機(jī)污染物,斜發(fā)沸石、絲光沸石因?qū)@些雜質(zhì)具有強(qiáng)烈吸附作用而用做其凈化材料,沸石還可凈化廢水中的NH3-N,H2PO42-、HPO42-、PO43-等以及污水中的氨態(tài)氮NH3-N等有害雜質(zhì)。沸石的離子交換作用還被用來(lái)從工業(yè)廢水中回收某些金屬。沸石還可在改善水質(zhì)方面加以應(yīng)用。天然沸石可吸附硬水中的陽(yáng)離子,使水軟化。如西沙群島的飲用水即是以當(dāng)?shù)睾惺幕鹕浇堑[巖處理后,排除了較多的有機(jī)質(zhì),降低了礦化度,減少了氨離子和硝酸根,而成為標(biāo)準(zhǔn)飲用水的;斜發(fā)沸石作離子交換吸附劑,經(jīng)硫酸鋁鉀再生系列處理,可降低高氟水中的氟含量,并使之達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn);另外,用銀交換的沸石可以淡化海水。

(5)空氣凈化材料

沸石作為具有微孔孔道和空隙結(jié)構(gòu),并具有離子交換性和吸附選擇性的多孔礦物材料,可成為納米尺度單元物質(zhì)在一維、二維和三維空間排列并生成組裝材料的媒介。復(fù)合納米單元物質(zhì)性質(zhì)和沸石孔道特性的沸石納米孔-金屬離子及簇團(tuán)組裝材料為其在凈化室內(nèi)空氣方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。以沸石為載體,通過(guò)孔道吸附作用活化、抗菌組分在納米孔道中組裝并穩(wěn)定固化等技術(shù)制備的具有無(wú)機(jī)抗菌和快速吸附除味功能的無(wú)機(jī)抗菌型除味劑可成為居室、衛(wèi)生間、汽車內(nèi)室和電冰箱等局部環(huán)境空氣的凈化產(chǎn)品。

(6)環(huán)境污染治理

沸石是具有孔道結(jié)構(gòu)和含水架狀硅鋁多孔礦物,因有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì),使之具有分子篩分、離子交換、吸附和催化等功能,因而在污水處理、土壤修復(fù)、大氣污染治理、汽車尾氣處理等眾多環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,上一期推文已講到(沸石環(huán)保礦物材料),在此不再贅述。

(7)造紙領(lǐng)域

沸石族礦物特有的結(jié)構(gòu)特性賦予的高孔隙度、吸附性、離子交換性、特殊光澤性(玻璃光澤、絲絹光澤、珍珠光澤)等,可用于造紙?zhí)盍稀⑻胤N涂料顏料和水處理劑。

(8)沸石類止血?jiǎng)?/p>

沸石是從自然界中發(fā)現(xiàn)的多孔晶狀鋁硅酸鹽礦物,能夠吸收大量的水,與周圍的溶液進(jìn)行離子交換,具有長(zhǎng)期的物理和化學(xué)穩(wěn)定性而沒(méi)有生物毒性,這使得沸石成為制備止血?jiǎng)┑睦硐氩牧稀+@得FDA批準(zhǔn)上市的沸石類止血?jiǎng)┲饕忻绹?guó)Z型藥物公司的QC、ACS、ACS等。

(9)核廢料處理

沸石還可用于核廢料處理。如斜發(fā)沸石和絲光沸石具有耐輻射功能,且對(duì)Cs、Sr有高的選擇性交換能力,因而可用以除去核廢物中半衰期較長(zhǎng)的Cs、Sr,并通過(guò)熔化沸石將放射性物質(zhì)長(zhǎng)久固定在沸石晶格內(nèi),從而控制放射性污染。

(10)其他應(yīng)用

沸石作填料用于造紙、塑料、橡膠工業(yè);還可用于制造新型氣相防銹劑、紅外輻射材料;還可用做熱能貯藏,太陽(yáng)能制冷等;綠光沸石可作食用油吸附劑清除雜質(zhì);美國(guó)研制細(xì)粒沸石已用于殺蟲(chóng)劑載體、液態(tài)肥料懸浮劑和抗肥料結(jié)塊劑等;鉛沸石可用于生產(chǎn)鉛-酸電池電極等。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高,預(yù)計(jì)未來(lái)沸石將能在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療保健、土壤修復(fù)、國(guó)防電子、水處理等領(lǐng)域具有更大的高值化利用前景。