天然沸石的基本性质及物化性能

1、天然沸石的基本性质

沸石是一种矿石,是一种分布很广的硅酸盐类矿物,最早发现于 1756 年。沸石矿主要存在于喷出岩,特别是玄武岩的孔隙中。沸石的分子式为AmBpO2p·nH2O,其中:A为Ca、Na、K、Ba、Sr等阳离子,B为Al和Si,p为阳离子化合价,m为阳离子数,n为水分子数,它们的含水量多少随外界的温度与湿度的变化而变化。

我国沸石矿资源非常丰富,广泛分布于我国东部地区,在全国 21 个省(自治区)发现沸石矿产地150 多处,已开采 50 余处,开采和发展前景十分广泛。现已发现40种天然沸石矿物,以方沸石、斜发沸石、丝光沸石等较为常见。现今利用较多的为斜发沸石、丝光沸石等。

天然沸石的内部一般是由硅氧四面体和铝氧四面体构成的,而由这些四面体再逐级地组成单元环、双元环、多元环为三维空间架状构造的结晶多面体,如图1所示。正是其独特的性质,使天然沸石拥有较强的吸附性能。

天然沸石的基本性质及物化性能-国投盛世

图1 沸石的结构单元和晶体结构

2、天然沸石的物化性能

天然沸石具有大量且规则的孔道孔穴结构,使其有很大的比表面积,通常这些孔道和孔穴被水填充,加热可去除水分子。正是因为这些性质,使其具备离子交换性和吸附性等独特的物理化学性能;除此以外,沸石还具有良好的热稳定性、导电性、可脱水性、多孔性等性能。

(1)吸附性能。天然沸石的大比表面积加上特殊的分子结构而形成的较大静电引力,使其具有很大的静电力场。当沸石结构中的水被去除掉后,其内部的孔穴和孔道就会“空缺”,由于沸石中的孔穴孔道的大小和形状不会变化,和普通的分子大小相当,因此沸石会对气体或者分子具有相当强的吸附力。沸石在色散力和静电力的共同作用下对H2O、NH3、CO2等极性分子有较高的亲和力,具有较高的吸附性能。工业上利用这些制成吸附剂或者干燥剂,用于吸附或分离某种气体和液体。

(2)离子交换性能。天然沸石中含有大量的Ca、Na、K等阳离子,这些离子可与其它离子进行可逆交换。交换后,可以使静电场发生变化,从而可以改变它的吸附性能,其程度随阳离子性质和交换度的不同而不同。阳离子的性质包括阳离子电荷的多少、与阳离子半径有关的各种特性等。

(3)催化性能。天然沸石拥有极大的表面积,在其结晶骨架和平衡离子上面的电荷布局密度较大。其中,在结晶骨架上出现了酸性物质,使其具有酸性性质,因此天然沸石是一种十分有效的固体催化剂。天然沸石所催化的很多反应都属于正碳离子型,其显著特点是对许多反应都有着催化活性。利用天然沸石作为载体,然后再加上具有催化性能的金属,就可以更好地体现其催化活性。

(4)其它性质。天然沸石除了具有上述几种性质以外,还具有极好的耐酸性和热稳定性。使用和再生时,沸石往往会受到高温和强酸甚至是高压的作用,所以沸石的耐高温和耐强酸性能非常好。