资源型矿物简介、沸石

1、十三、沸石十三、沸石东北大学矿物材料与粉体技术研究中心东北大学矿物材料与粉体技术研究中心高鹏高鹏第三章、非金属矿物分述第三章、非金属矿物分述13.2、沸石的基本特性、沸石的基本特性n沸石是一种含水的碱或碱土金属的铝硅酸盐矿物，其一般化学式为：AmXpO2pnH2O。式中A代表Ca2、Na、K、Ba2、Sr2；X代表Al3、Si4。n也可用下列化学式表示：(Na,K)x(Mg,Ca,Sr,Ba)yAlx+2ySin-(x+2y)O2nnH2On布烈克提出的通式为：nMx/nAlxSiyO2（x+y)WH2O n沸石表面粗糙，阳离子的存在使其具有静电吸引力，比表面积大，因此沸石具有优良的吸附性能，

2、是最早用于重金属污染治理的环境矿物材料，尤其是斜发沸石，对Pb2+和其它的重金属具有很强的亲和力。n沸石的性质有易调节性，孔径、Si/Al比等可调节，使其表面吸附性能、耐酸碱及催化性能因此而发生显著的变化；沸石易于实现离子交换，使其种类有多样性。同时，沸石在生产加工过程中不会产生污染，使用后再生容易，完全具有环境协调型材料的特点。13.3、沸石的工艺特性、沸石的工艺特性n（1） 广泛的类质同象 沸石具有多种不同的类质同象作用，一种类型与长石族矿物相似，即：K、Si4 = Ba2、Al3； Na、Si4Ca2、Al3； 一种类型只改变阳离子数目，即:Ca2+ = 2Na+, Ba2+ = 2K+

3、。n（2）开放式的多孔结构。n沸石结构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，并与外界相沟通。孔穴和通道的体积可占沸石晶体体积的50以上，其中存在许多脱附自由的沸石水。n沸石水的多少，可随外界温度的变化而变化。当加热或减压时，这些沸石水可部分或全部失去，大多数沸石，失水后还能从空气中或水中重新复水，但其晶体结构不被破坏。 （3）离子吸附和交换的选择性 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，各种不同的沸石，其直径也不同，小于这个直径的物质能够被吸附，而大于这一直径的物质则被排除在外，在沸石晶格中的孔腔中，K、Na、Ca2等阳离子和水分子与格架

4、结合不紧，极易与其周围水溶液里的阳离子发生交换作用，交换后的沸石晶格也不被破坏。 （4）吸附分离性 沸石具有较大的静电吸引力。在它的铝硅酸盐格架上的电荷，即阴离子晶格上的负电与平衡阳离子正电的电荷中心，在空间上是不重叠的，所以在其孔穴中有很高的静电吸引力，因而使沸石对具有偶极矩或四极矩分子的物质（如水或氮气）以及具有可极化分子的物质（如二氧化碳和不饱和烃），显示出很大的亲和力。对畸形物质的吸附容量、一般随着沸石晶胞中阳离子数目的增加而升高。基于沸石所具有的这种性质，可利用混合物极性的不同而将其分离，如从含二氧化碳的气体中除去二氧化硫（极性）。（5）反应性和催化性 沸石具有大的比表面积（5001

5、000米2/克）,能产生较大的扩散力，故可用作吸附剂。对于主要由扩散力起作用的吸附过程，在大多数情况下，特别是在低分压范围内，沸石的吸附容量很大，高于其他许多吸附剂。相反，在高分压范围内，沸石的吸附容量往往较小。还可以利用沸石的凝聚性质的不同来选择分离物质，如从氢中分离氩或甲烷。（6）稳定性和耐酸性）稳定性和耐酸性n 沸石具有较高的热稳定性和耐酸性，不同种类的沸石沸石具有较高的热稳定性和耐酸性，不同种类的沸石，对热的稳定性也不同。例如富钙的天然沸石，在，对热的稳定性也不同。例如富钙的天然沸石，在500以下时，结构就遭到破坏，但若以相同的样品，以下时，结构就遭到破坏，但若以相同的样品，经钾离子交

6、换后，则在温度高达经钾离子交换后，则在温度高达800时，其结构仍然时，其结构仍然能够不被破坏。能够不被破坏。n菱沸石的热稳定性为菱沸石的热稳定性为600865，浊沸石为，浊沸石为345800；丝光沸石可达；丝光沸石可达8001000，然而钙十字沸石的热稳，然而钙十字沸石的热稳定性只有定性只有260400。n沸石具有很强的耐酸性。我国山东潍县所产的丝光沸石沸石具有很强的耐酸性。我国山东潍县所产的丝光沸石，经，经10mol/L盐酸处理盐酸处理2小时，其结构不被破坏，具有很小时，其结构不被破坏，具有很强的耐酸性。强的耐酸性。 13.4、沸石在吸附分离方面的应用、沸石在吸附分离方面的应用n（1 ）干燥

7、剂n斜发沸石、丝光沸石、菱沸石、毛沸石具有很高的耐热性和耐酸性，可作为特殊的干燥剂，其优点是在气体水分含量低时，沸石能比其他吸附剂吸收更大容量的水分；随着温度的升高，沸石对水的吸附能力不会象其他吸附剂那样明显减低；在气流通过沸石层移动时，沸石对吸附物质产生的阻力低，沸石对不同物质具有选择吸收性，例如利用斜发沸石作为天然气的干燥净化剂，能有效地同时吸收水分和二氧化碳。辉沸石可用来干燥船舶冷却装置的氟氯烷12、还可用于干燥乙醇、使之含水量从5.3%降到0.7。（2 ）吸附分离剂 天然沸石具有筛分性，故可作为分子筛，对气体、液体进行分离、净化和提纯。n丝光沸石可以清除空气中的SO2，大气中SO2的浓

8、度在0.5ppm以上时，对人体的健康已有潜在性的影响；n13ppm时，多数人开始受到刺激，对人体粘膜及呼吸道有损害，产生结膜炎、流泪、流鼻涕、咽干、支气管炎等症状；n在10ppm时，刺激加剧，个别人出现严重的支气管痉挛。SO2形成酸雨的危害更大，它可引起肺水肿和肺硬化。n（3）毛沸石、菱沸石、丝光沸石能清除气流中的氧化氮。NO、NO2都是有强烈辛辣窒息性的气体，对皮肤、粘膜和眼、鼻、喉粘膜都有强烈的刺激作用，容易引起气管和支气管炎，吸入量多时易使喉头水肿以致窒息死亡。氧化氮对农作物也有极为严重的危害，造成山林枯黄，按规定大气中的氧化氮的浓度不得超过5mg/m3。沸石也可清除工厂废气中的NOX，

9、防止空气污染。日本采用Cu型天然沸石作催化剂，以氨为还原剂，使NO还原为氮，排到大气中去，达到消除氧化氮污染的目的。试验证明，在400时，天然Cu型丝光沸石对NO的去除率为99.4。n（4）丝光沸石和斜发沸石可分离空气中的氧气和氮气，以制取富氧气体和富氮气体,以及除掉其他有用气体中痕量的氮气。日本已做成500米3/小时的富氧气体装置，氧气纯度可达70%90。保加利亚采用铂交换的斜发沸石作富氧吸附剂。日本推广利用天然丝光沸石作吸附剂，用吸附分离的方法富集一定纯度的氮气和氧气，为了改善天然沸石对氧、氮的吸附容量和吸附速度，并对天然沸石进行改型处理。n现有三种处理方法：第一种是用稀无机酸处理天然丝光

10、沸石，使形成H型丝光沸石，这种沸石对气体的吸附速度快；n第二种是用过量钠盐溶液浸渍天然沸石，使形成Na型丝光沸石，这种沸石对气体的吸附容量增大；n第三种方法是把上述两种方法结合起来，即先按第一中方法处理，再按第二种方法处理。n（5） 丝光沸石可吸附氢气中的杂质纯制氢气。n日本采用天然沸石经钠盐处理和无机酸浸渍处理，把这两种处理过的丝光沸石与纯制氢气的工序结合起来，一方面可以使吸附、解吸速度加快，另一方面也能有效的除掉氢气中的杂质（如氮、氩、一氧化碳、二氧化碳、乙炔等），最后纯制氢气的纯度可达到99.99以上。（6）煤在气化而生成甲烷时，其中的氨可用钙十字沸石除去，但不会吸附其他碳氢化合物。 （

11、7）天然沸石可用于天然气和其他一些小分子物质的贮存和运输。（8）菱沸石、毛沸石可消除有用气体中不纯的CO2和H2S，除去碳氢化合物中的HCl和H2SO4，毛沸石可从苯溶液中除去CS2，菱沸石族中的沸石可净化一氯甲烷，以除去不饱和的异烯烃、异戊二烯；菱沸石也可用来分离醇、醛、酮混合物；菱沸石、钠沸石是汞蒸汽的极好吸附剂；菱沸石具有较高的吸附氧化氘的性能，因此可以用来富集重水。13.5、沸石在离子交换方面的应用、沸石在离子交换方面的应用（ 1） 废水处理n斜发沸石、丝光沸石对于有Ca2+、Mg2+存在的废水，能高选择性地提取氨态氮NH3-N。美国明尼苏达州的某污水处理厂，使用三根离子交换柱（每根柱

12、内充填6.8吨斜发沸石）使其中的氨态氮从45ppm降至1ppm。日本采用天然沸石和用0.1-0.2%的氢氧化钙水溶液在80条件下处理的天然沸石作为离子交换除去剂，进行废水净化，能把污水中的铵离子和磷酸根离子浓度清除到3ppm左右。净化后的离子交换除去剂，只需在0.10.2的氢氧化钙溶液中接触2030分钟，便能再生，重新使用。（2） 除去或回收重金属离子除去或回收重金属离子 天然沸石对某些重金属离子具有较高的交换能力，因此，天然沸石对某些重金属离子具有较高的交换能力，因此，可以除掉工业废水中的有害金属离子，同时还可回收这些可以除掉工业废水中的有害金属离子，同时还可回收这些金属使之变害为利。钠型斜

13、发沸石和丝光沸石对一些重金金属使之变害为利。钠型斜发沸石和丝光沸石对一些重金属离子选择性交换的顺序为：属离子选择性交换的顺序为：Ba Pb Cd Zn Cu。（3） 放射性废物的处理放射性废物的处理 斜发沸石和丝光沸石不但耐热、耐酸、而且耐辐射，对斜发沸石和丝光沸石不但耐热、耐酸、而且耐辐射，对Cs137、Sr90具有高选择性的交换能力，所以美国、日本、具有高选择性的交换能力，所以美国、日本、等国利用天然沸石除去放射性废物中的半衰期较长的等国利用天然沸石除去放射性废物中的半衰期较长的Cs137、Sr90，而且通过熔化沸石可将，而且通过熔化沸石可将Cs137、Sr90长久固定在沸长久固定在沸石晶

14、格内，而不使放射性物质扩散污染。石晶格内，而不使放射性物质扩散污染。 n（4）斜发沸石的离子交换性能比较突出。）斜发沸石的离子交换性能比较突出。沸石的结晶阴离子型架状结构产生了特定的阳离子选择顺序，这是由该结构产生的静电吸附选择效应和分子筛选择效应共同形成的。n一方面，每一种沸石都有自己特定的结晶阴离子格架并产生各自特定的电场，各种阳离子与每种沸石格架及其相关的电场间相互作用的方式不一样，使得沸石与各种阳离子的亲和力也不一样，产生了特定的阳离子静电吸附选择效应；n另一方面，各种阳离子在水中形成的水合离子半径不同，使得进入沸石微孔的难易程度不同，从而产生了分子筛选择效应。n利用斜发沸石选择交换阳

15、离子的能力可以当作离子筛（3.6-4.0埃米），其对阳离子交换的顺序为： Cs+Rb+NH4+K + Na+Li+B2+Sr2+Ca2+Mg2+ 斜发沸石对钾有特殊的选择交换性，可以从含钾、钠、钙、镁的混合盐水中选择性交换钾离子，因此，可以利用它从海水、某些盐湖水中选择性地交换钾离子。交换钾离子后的沸石再用饱和的NaCl溶液将KCl洗脱出来，可制取KCl，每次每克斜发沸石吸钾量为1330mg，并可反复使用。这就为获得钾盐资源开辟了一条广阔的新途径。 海水的淡化和硬水的软化海水的淡化和硬水的软化 用银交换的天然沸石改变了沸石孔道的大小，进而限制某些离子通过，因此具有非常理想的脱盐选择性，故可以淡

16、化海水，使海水成为饮用水。天然沸石也可脱除硬水中的阳离子，使硬水软化。13.6、天然沸石在作催化剂方面的应用n天然沸石可作为石油的催化裂化剂，使石油分离出多种产品，提高产量。据日本报道，H型丝光沸石或载上金属（周期表VIII族金属、稀土元素、铋、锑、银、铜等）的H型丝光沸石用作催化剂，可进行烷基转化反应、异构化、歧化反应。如甲苯歧化可生成二甲苯。13.7、沸石在农牧业中的应用n天然沸石岩对农田有保肥、保水和改良土壤的作用。含斜天然沸石岩对农田有保肥、保水和改良土壤的作用。含斜发沸石和丝光沸石的沸石岩粉容量每发沸石和丝光沸石的沸石岩粉容量每10克为克为213毫克当量毫克当量，丝光沸石每，丝光沸石

17、每10克为克为223毫克当量，所以把沸石岩粉撒在毫克当量，所以把沸石岩粉撒在土壤中，就可以提高土壤中阳离子交换容量，同时还能延土壤中，就可以提高土壤中阳离子交换容量，同时还能延长土壤肥料的持久性。又因沸石具有多孔构造，加强了土长土壤肥料的持久性。又因沸石具有多孔构造，加强了土壤的吸收性能；使之能够吸收水分和气体，所以又能起到壤的吸收性能；使之能够吸收水分和气体，所以又能起到保水、改良土壤的作用；还能吸收氨、氮、钾、起到保氨保水、改良土壤的作用；还能吸收氨、氮、钾、起到保氨、保氮、保钾的作用。、保氮、保钾的作用。13.8、沸石在建筑材料中的应用、沸石在建筑材料中的应用n富含斜发沸石、菱沸石的凝灰岩可制造火山灰水泥。天然沸石还可作为玻璃钢质水泥添加剂，因为它可以防治碱离子对玻璃纤维的浸蚀。天然沸石在1100具有发泡性质，故可用于生产轻质砖瓦。日本采用9075的沸石岩加520粘土等混合成型并焙烧，然后放到水中，这种轻质砖瓦的密度为0.70.89g/cm3，吸水率为0.71.3，孔隙度为23.232.4