沸石是一種由多孔穴或通道構成架狀結構的硅鋁酸鹽礦物, 其孔穴或通道的孔徑大小與一般分子大小相當, 能用來(lái)篩分不同大小的流體分子, 這種作用是沸石又被叫做沸石分子篩、分子篩沸石或分子篩等的由來(lái)。
沸石骨架中的每一個(gè)氧原子都為相鄰的兩個(gè)四面體所共用, 這種結構形成了可為陽(yáng)離子和水分子等占據的孔穴, 這些陽(yáng)離子和水分子又具有較大的可遷移性, 能進(jìn)行離子交換和可逆脫水, 此外沸石還具有較強的熱穩定性、耐酸性、耐輻射性等。
沸石已被廣泛用于化學(xué)、醫藥、農林、環(huán)境保護等領(lǐng)域, 是用途廣泛的非金屬礦物品種之一。
1 我國沸石資源狀況
沸石按來(lái)源分為天然和合成沸石。其中合成沸石具有純度更高、性能可控的特點(diǎn), 多用于催化劑載體、洗滌助劑等, 常見(jiàn)品種有3A、4A、SA、13 X、10 X 等。我國是天然沸石資源和品種較為豐富的國家, 相繼發(fā)現沸石巖產(chǎn)地4 0 0 多處, 廣泛分布在我國的東部和中部地區等的21 個(gè)省、自治區。目前已發(fā)現的沸石品種有斜發(fā)沸石、絲光沸石、菱沸石、方沸石、片沸石、鈣十字沸石、鈣甲十字沸石、輝沸石、濁沸石、鈉沸石等10多種。利用以斜發(fā)沸石為主, 絲光沸石次之。
我國比較著(zhù)名的礦區(礦山)有:
(1)浙江省給云縣老虎頭、天井山混合型沸石巖礦區(“ 混合型” 意指同一礦體或同一礦石中由斜發(fā)沸石和絲光沸石二者組成的混合型礦床) .
(2) 河北省赤城縣獨石口斜發(fā)沸石巖礦區;
(3) 河北省圍場(chǎng)鹿圈斜發(fā)沸石巖礦區,
(4) 山東省濰縣涌泉莊絲光沸石和斜發(fā)沸石巖礦區;
(5) 山東省萊陽(yáng)縣白藤口絲光沸石巖礦區;
(6) 山東省萊西縣斜發(fā)沸石和絲光沸石巖礦山;
(7) 黑龍江省海林斜發(fā)沸石巖礦區;
(8) 黑龍江省嫩江縣大石粒子斜發(fā)沸石巖礦區.
(9) 河南省信陽(yáng)上天梯斜發(fā)沸石礦區,
(10) 遼寧省北票斜發(fā)沸石巖礦山;
(11) 遼寧省彰武縣羅鍋溝絲光沸石巖礦區;
(12) 吉林省九臺縣銀礦山混合型沸石巖礦區;
(13) 內蒙古呼和浩特郊區陶卜齊絲光沸石巖礦山等。
2 沸石的主要性質(zhì)
2.1 離子交換性
由于沸石晶體孔道中的K+ 、Na+、Ca2+及水分子等與晶格結合不牢固, 在水溶液中易與Ca2+、Mg2+ 、B a2+ 等發(fā)生交換而不破壞結構, 交換后的產(chǎn)物能強化或賦予沸石新的性能。
2.2吸附性
沸石結構中因有大量的孔穴和通道, 所以具有較大的內表面積, 如A 型沸石的內表積高達1 000m2/g, 具有較強的吸附力。
沸石對H2O、NH3 、CO2 、H2S 及不飽和烴等極性分子有較強的吸附力, 尤其具有較好的選擇性吸附, 在工業(yè)上特別適用于各種氣體、液體及其混合物的吸附和分離, 也適于吸水、干燥等方面的應用。
2.3 催化性
沸石結構中相互連通的孔穴和通道為反應物的自由擴散提供了條件, 因而沸石具有良好的催化活性,利用天然或合成沸石作載體能承載具有催化活性的金屬, 如Bi、S b、A g、 Cu及稀土等, 廣泛用于石油裂解和化學(xué)合成工業(yè)等。
但天然沸石一般不直接用作催化劑, 要經(jīng)過(guò)提純處理并用離子交換法改型為H 型沸石后才能較好地體現催化性能。
2.4 熱穩定性
沸石具有較高的熱穩定性, 但不同種類(lèi)的沸石其熱穩定性有一定差異, 主要決定于其成分中的鋁硅比值, 比值越小, 則穩定性越好; 此外沸石的熱穩定性與孔道含陽(yáng)離子種類(lèi)有關(guān), 如含Ca 的斜發(fā)沸石在50℃ 以下即發(fā)生分解, 而經(jīng)鉀離子交換之后, 即使在800 ℃ 高溫下, 結構仍然是穩定的。
2.5 耐酸性
沸石具有較強的耐酸性, 這種性能為采用酸處理方法對用過(guò)的沸石進(jìn)行活化和再生利用提供了可能。
3 沸石應用進(jìn)展
3.1 沸石的傳統應用
3.1.1 建材工業(yè)中的應用
(1)用于水泥生產(chǎn)。
國外2/5 的沸石或沸石巖用于水泥生產(chǎn), 我國99% 的沸石巖也用于此方面。沸石相對密度小( 2.1-2.59 / cm3 ), 具有高發(fā)泡性及活性, 沸石做為水泥的活性摻料可使水泥產(chǎn)品性能得以改善, 并可提高水泥產(chǎn)量、降低成本。
( 2) 用于燒制人工輕質(zhì)骨料-陶粒。
用沸石燒制的陶粒具有質(zhì)輕、高強、吸水率低等特點(diǎn), 用其制作建筑構件、磚瓦等既可減輕建筑物自重, 又可提高建筑物強度且便于施工。在顆粒容重相同的情況下, 其性能優(yōu)于粘土、粉煤灰、膨脹珍珠巖及蛙石等輕質(zhì)骨
料。
( 3) 做無(wú)機發(fā)泡劑。
用于制發(fā)泡混凝土、粘結劑、水泥硬化劑、超輕硅酸鈣板材等。
3.1.2 環(huán)保方面的應用
環(huán)境污染是當今世界人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題, 沸石的吸附性和離子交換性使其在該領(lǐng)域內具有重要的應用, 沸石可用于處理放射性廢物、改良水質(zhì)、污水及廢氣處理等。
(1)改造水質(zhì)
用天然斜發(fā)沸石作離子交換吸附劑, 經(jīng)硫酸鉀鋁再生系列處理可降低高氟水中的氟含量, 使其達到飲用標準。
( 2) 廢水、污水處理
利用絲光沸石或斜發(fā)沸石對污水中的NH3-N ( 氨態(tài)氮)進(jìn)行選擇性吸附, 可用于工業(yè)廢水、下水道等的污水凈化處理。氨態(tài)氮飽和后的沸石在0.1%-0.2% Ca(OH )2溶液中20-30min交換、80℃ 加熱處理后可使其再生, 能反復使用。
(3) 廢氣處理
斜發(fā)沸石、絲光沸石具有良好的耐酸、耐高溫性能, 可用于除去工業(yè)廢氣中的SO2 、H 2S等。
(4) 回收廢液中的有用物質(zhì)
天然沸石經(jīng)改性為Na 型或氨型后, 對Pb2+、Zn2+、Cd2+ 等的交換能力提高, 可用于礦山、冶煉、化工等行業(yè)對含重金屬陽(yáng)離子的廢水處理并回收重金屬。
3.1.3 石油化工中的應用
(1)作催化劑或催化劑的載體
沸石在石油化工中用作催化劑或催化劑載體, 使石油裂解后可分餾出多種產(chǎn)品, 并提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。
(2) 作干燥劑、吸附劑和分離劑
沸石可選擇性吸收HCl、H2S、C12 、CO、CO2等氣體, 用其制成的干燥劑、吸附劑和分離劑, 可用于氣體、液體的干燥、分離及凈化等。
3.1.4 輕工產(chǎn)品中的應用
沸石以其獨特的物理化學(xué)性能, 可用作造紙、橡膠及塑料填料, 合成洗滌劑、肥皂的助洗劑、牙青的磨擦劑、新型氣相防腐劑、沸石型遠紅外輻射元件等。
3.1.5 農牧業(yè)方面的應用
(1)土壤改良劑
沸石用做土壤改良劑起保肥、保水之功效, 將沸石粉摻人土壤中可提高土壤的離子交換和吸附性能, 可吸收肥料有效成份、延長(cháng)土壤肥料的持久性。如用天然沸石粉作復合肥添加劑, 具有保肥、保水、吸氨、固氮及保鉀的作用, 經(jīng)田間試驗可使早稻、油菜等增產(chǎn)。
(2) 飼料添加劑
用沸石制成雞飼料, 經(jīng)對比可使雞產(chǎn)蛋率提高10%。
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