1756年在冰岛玄武岩杏仁状孔隙内,瑞典矿物学家Cronstedt首先发现一种白色透明的矿物,因其加热时出现发泡沸腾现象被命名为“沸石”。沸石是一族具有连通孔道的呈架状构造的含水铝硅酸盐矿物。按生成方式,分为天然沸石和人工合成沸石两大类。其基本组成为:MxDy[Al(x-2y)Sin(x+2y)O2n]·mH2O式中,M为碱金属或其它一价阳离子;D为碱土金属或其它二价阳离子;M、D均为可交换性阳离子。人们对沸石的认识经历了漫长的阶段,直至20世纪50年代后期美、日等国勘查出具有工业意义的沉积型矿床后,沸石才成为重要的工业矿物。迄今世界上已发现的天然沸石达43种,常见的有丝光沸石、斜发沸石、钠沸石等。在未发现工业规模的沸石矿床前,为了充分利用沸石“分子筛”的作用,可以查看文章了解:沸石分子筛。化学家们从上世纪30年代就开始致力于人工合成沸石的研究,随着分子筛工业的发展,现被国际沸石联合组织(IZA)确认的人工合成沸石已达100多种,而且仍不断有新的品种面世。沸石结构特殊,由铝硅酸盐格架,格架中的孔道、孔穴和阳离子,以及以锢囚相存在的水分子三部分组成。格架中硅氧四面体内的Si4+常被Al3+置换,出现过剩负电荷,由碱土金属离子补偿,这些补偿阳离子与晶格结合力很弱,具有很高的自由度,活跃在孔道中,使沸石具有优良的离子交换性能。格架中连通的孔道、孔穴使沸石拥有很大的内表面积,特别当“沸石水”受热逸出后,通道和孔穴更加空旷,相应内表面积更加巨大,而且脱水沸石晶穴内部具有很强的库仑场和极性,表现出强烈的吸附性,加之沸石孔道大小均匀,尺寸固定,形状规则,因此吸附具有选择性,即具有分子筛、离子筛功能。除此沸石还具有耐酸、耐高温、耐辐射等性能。

这些物化性能赋予了沸石独特的环境属性,也奠定了它在环境治理方面的重要地位。著名矿物学家穆普顿指出:由于全球性环境调节及环保需要,20世纪70年代人类进入“沸石世纪”。

沸石在治理废水,改造水质方面的应用主要有如下

湖北鄂州太和丝光沸石经盐酸或碱(NaOH)溶液活化后制成的沸石吸附剂,处理Pb2+质量浓度为207mg/L,pH=2的废水,以10g/L的用量,常温吸附120min,对Pb2+吸附率达99.10%。饱和后的吸附剂可用NaCl溶液洗脱再生。

甘肃白银斜发沸石活化后,制成粒度范围为0.5~2.5mm滤料,控制滤速为6~8m/h,在简单跌水曝气条件下,使12.0mg/L的含铁废水中的铁离子降至饮用水标准0.3mg/L以下。

将山东胶州沸石破碎过40目筛,以1∶500重量比处理浓度为300mg/L的含铬废水,铬去除率达99%以上。

用山西临县紫金山富钾碱性岩合成的13x型沸石处理浓度为30mg/L的含Cu2+废水,可使水质达国家污水综合排放标准,吸附性能优于活性炭和改性粘土。国外专利(J52034549)介绍,将斜发沸石、丝光沸石改型为Na型、NH3型沸石后,利用其对溶液中某些离子有“离子筛”的作用,处理有色金属矿山、冶炼厂、化工厂排入的含重金属离子的废水,然后通过解吸回收金属。将35~90目天然沸石与MgCl2、AlCl3按2∶3∶1质量比混合后,在300℃温度下恒温1h,制备成沸石复合吸附剂,当投加量为8g/L时,使PO3-4浓度为80.48mg/L的城市生活污水中的磷去除率达92%以上。对天然沸石经镁、铝盐改性后,用于处理含磷废水,磷去除率达98%~99.18%,残留磷浓度降至0.1mg/L。

由于沸石对NH3极性分子有很强的亲和力,20世纪70年代初日本就开始实施“沸石过滤法”专利技术处理生活污水。他们还将沸石岩粉与羟甲基纤维素、水玻璃等粘合剂一起加热发泡制备成多孔状水质净化剂广泛应用。美国华盛顿、加利福利亚州、俄勒冈州、弗吉尼亚等地区的许多污水处理厂都用沸石作净化剂,如明尼苏达州的污水处理厂,使用三根分别充填6.8吨斜发沸石的离子交换柱净化污水,可使NH3-N含量从45μg/g降到1μg/g。张家口市毛纺厂所排含颜料的印染废水经改型沸石处理后,透光率仅3%~28%的浊水变成透光率达95%以上的清水。

将信阳斜发沸石与高配位铝、铁盐复合制备成粉状净化剂,以1∶900固、液比处理湖北马坪、荆州、郧县、汉南,山东牟平,河南信阳造纸厂所排高浓度废水,可使CODcr由2800~3500mg/L降至450~960mg/L,将该斜发沸石用2mol·L-1盐酸在微沸条件上浸渍、浓缩后制备出的液态净化剂对上述造纸废水亦有治理作用,而且它们对皮革废水、油田废水也有明显的净化效果。除了治理废水,沸石还可以改造水质。西沙群岛饮用水就是用当地含沸石的火山角砾岩处理后,排除海水中的有机质,降低矿化度,减少氨离子和硝酸根,成为标准饮用水的。

我国某些干旱、半干旱地区地下氟含量偏高,导致“斑釉病”、“氟骨病”地方病发生。作者曾用活化斜发沸石交换、吸附新疆喀什附近浓度为13mg/L的高氟水中的F-并适量的配合使用降氟剂Al2(SO4)3、AlCl3,获得很好的效果,使F-含量降至0.7~1mg/L。浙江地矿厅专家将缙云沸石经加工破碎、装柱、活化、水洗、明矾溶液处理后,在除氟器内处理义乌徐村氟含量高达22mg/L的井水,除氟效果明显,水质达国家饮用水标准。

鱼、虾、贝等人工养殖场,水体有机负荷重,溶解氧量少,生物代谢发生的有害气体浓度高,影响水生物安全。浙江淡水水产研究所研制出的以天然沸石为主要组分的复方增氧剂、复方水质改良剂,以每亩约50kg量施撒,能提高水平溶解氧,降低NH32N、H2S、CO2等有害气体,改善水生物栖息环境,提高养殖密度。