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。
沸石骨架中的每一個氧原子都為相鄰的兩個四面體所共用, 這種結構形成了可為陽離子和水分子等占據的孔穴, 這些陽離子和水分子又具有較大的可遷移性, 能進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、醫藥、農林、環境保護等領域, 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, 多用于催化劑載體、洗滌助劑等, 常見品種有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, 相繼發現沸石巖產地4 0 0 多處, 廣泛分布在我國的東部和中部地區等的21 個省、自治區。目前已發現的沸石品種有斜發沸石、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。利用以斜發沸石為主, 絲光沸石次之。
我國比較著名的礦區(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沸石巖礦區;
(3) 河北省圍場鹿圈斜發沸石巖礦區,
(4) 山東省濰縣涌泉莊絲光沸石和斜發沸石巖礦區;
(5) 山東省萊陽縣白藤口絲光沸石巖礦區;
(6) 山東省萊西縣斜發沸石和絲光沸石巖礦山;
(7) 黑龍江省海林斜發沸石巖礦區;
(8) 黑龍江省嫩江縣大石粒子斜發沸石巖礦區.
(9) 河南省信陽上天梯斜發沸石礦區,
(10) 遼寧省北票斜發沸石巖礦山;
(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
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+ 等發生交換而不破壞結構, 交換后的產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合成工業等。
但天然沸石一般不直接用作催化劑, 要經過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離子種類有關, 如含Ca 的斜發沸石在50℃ 以下即發生分解, 而經鉀離子交換之后, 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的沸石進行活化和再生利用提供了可能。
3 沸石應用進展
3.1 沸石的傳統應用
3.1.1 建材工業中的應用
(1)用于水泥生產。
國外2/5 的沸石或沸石巖用于水泥生產, 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 ), 具有高發泡性及活性, 沸石做為水泥的活性摻料可使水泥產品性能得以改善, 并可提高水泥產量、降低成本。
( 2) 用于燒制人工輕質骨料-陶粒。
用沸石燒制的陶粒具有質輕、高強、吸水率低等特點, 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, 其性能優于粘土、粉煤灰、膨脹珍珠巖及蛙石等輕質骨
料。
( 3) 做無機發泡劑。
用于制發泡混凝土、粘結劑、水泥硬化劑、超輕硅酸鈣板材等。
3.1.2 環保方面的應用
環境污染是當今世界人們廣泛關注的問題, 沸石的吸附性和離子交換性使其在該領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、污水及廢氣處理等。
(1)改造水質
用天然斜發沸石作離子交換吸附劑, 經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沸石對污水中的NH3-N ( 氨態氮)進行選擇性吸附, 可用于工業廢水、下水道等的污水凈化處理。氨態氮飽和后的沸石在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, 可用于除去工業廢氣中的SO2 、H 2S等。
(4) 回收廢液中的有用物質
天然沸石經改性為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、化工等行業對含重金屬陽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品, 并提高其產量和質量。
(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 輕工產品中的應用
沸石以其獨特的物理化學性能, 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, 經田間試驗可使早稻、油菜等增產。
(2) 飼料添加劑
用沸石制成雞飼料, 經對比可使雞產蛋率提高10%。
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