沸石

沸石（Zeolite）它是沸石矿物的总称，是一组骨架中含水的碱金属或碱土金属铝硅酸盐矿物的总称沸石有很多种。沸石最早的发现是瑞典矿物学家Cronstedt在硼砂熔珠实验中发现一些铝硅酸盐矿物在燃烧时产生沸腾现象，因此得名沸石。

沸石的化学成分非常复杂，不同的物种化学成分差异很大。它的化学通式是AmBpO2p·NH2O，其中A代表k、Na、Ca、Sr、Ba，x代表Si、Al，结构式是Ax/q［AlO2）x（SiO2）y］nH2O。

沸石具有离子交换性能、吸附分离性、催化性、化学稳定性和其他独特的性能使其广泛应用于石油化工行业作为干燥剂、分离剂、分子筛和催化剂等；建材工业中的水泥外加剂、轻骨料等；环境保护领域的废水和废气处理、软水硬化等以及在农业和畜牧业中作为土壤改良剂、农药化肥等诸多领域的载体和缓释剂。

苏联科学家偶然发现几只鹿在吞食泥土后来经过动物实验，他们发现土壤中含有沸石，可以消除体内的有害物质、净化内脏、促进一个 自身的成长和发展。因此，他们以沸石为主要原料，研制出一种能促进畜禽生长提高农作物产量的颗粒体。后来，苏、美、沸石在未来肥料的各个领域有着广泛的应用。

发展历程

1756年，瑞典矿物学家克朗斯特首先发现了沸石。

19世纪，人们开始关注天然沸石的微孔特性及其吸附作用、离子交换等方面的性能有了进一步的了解。

在20世纪40年代，科学家发现沸石可以用于筛选、分离分子，他们发现沸石的酸性催化作用可以通过离子交换来调节。通过模型天然沸石的地质形成条件，首次实现了分子筛的人工合成。

20世纪50年代，科学家在铝硅酸盐中加入碱土金属或碱金属氢氧化物，采用低温水热合成技术，成功合成了一系列沸石。

20世纪60年代，科学家合成了一批富硅沸石分子筛，具有良好的催化作用、水热稳定性、高耐腐蚀性等优点，它广泛应用于石油化工行业、精细化工和其他催化领域。

具有多级孔的沸石材料的合成引起了人们的关注广泛的兴趣。它可以弥补沸石单一微孔的不足，从而可用于吸附、催化等领域具有巨大的潜在应用价值。

开采历史

因为沸石晶体极其精细，看起来像粘土，所以人们对它的认识经历了一个漫长的过程。直到20世纪50年代，X射线衍射仪的出现才在沸石的鉴定上取得突破。20世纪50年代末，在日本、在北美等地发现了大规模的沉积型沸石矿床，科学家认识到沸石是多种沉积岩和低级变质岩的重要成岩产物。

在随后的几十年里，一方面发现了更多的大型沉积型沸石矿床，另一方面由于对沸石性质的深入研究和合成沸石工业应用的发展，沸石从博物馆展品变成了用途广泛的工业矿物。

沸石种类繁多，成因类型多样。包括溶解含有凝灰岩的火山物质以形成沸石、碱性湖泊热水喷出形成沸石和河流-湖泊中的粘土矿物在盐碱水中形成沸石。大多数沸石是由沉积的铝硅酸盐矿物与孔隙水反应形成的（或由铝硅酸盐矿物热液蚀变形成）由于原始岩石的同质结构、成矿的物理化学条件也相对稳定，成岩作用中沸石形成速度较慢，可形成重要的工业矿床。

沸石的形成受碱性环境控制，在不同的温度范围内可以形成不同类型的沸石。作为含水矿物，沸石的形成也受压力影响，高压环境下形成的沸石含水量低。

由于不同的地球化学环境和不同的沸石矿物晶体结构，沸石矿物之间的转化是复杂的。

沸石是沉积岩中含量最丰富分布最广的自生矿物，也是火山凝灰岩和火山碎屑沉积物的主要成分。沸石矿物广泛分布于地球上含油气盆地的储层中，沸石的发育也与碎屑岩的储层性质密切相关。日本、美国、澳大利亚、俄罗斯、在中国和其他地方发现了许多沸石矿床。

矿物组成

沸石的化学成分非常复杂，不同的物种化学成分差异很大。它的化学通式是AmBpO2p·结构式为Ax的NH2O/q［AlO2）x（SiO2）y］NH2O，其中A是Ca、Na、K、Ba、Sr等阳离子；B为Al和Si；q为阳离子电价；m为阳离子数；n为水分子数；x为Al原子数；y为Si原子数；不同沸石矿物中硅铝比（y/x）不一样；x+y）是一个晶胞中四面体的数量。例如，斜发沸石具有化学式：Na，K，Ca）2～3［Al3（Al，Si）2Si13O36］12H2O，丝光沸石的化学式为：Na2Ca［AlSi5O12］4·12H2O。

物化特征

沸石的密度为1.92～2.80g/Cm3，莫氏硬度5 ~ 5.5通常是无色的，但有时是肉红色或其他浅色。

沸石独特的结构使其具有独特的物理化学特性，主要是离子交换、吸附分离性（例如选择性吸附性能）催化性（可用作催化剂和催化剂载体）化学稳定性（天然沸石具有良好的热稳定性、耐酸性）可逆的脱水性、导电性等。

离子交换性

在沸石晶格中，Si4被Al3取代，导致过量的负电荷。为了补偿这些电荷，通常加入碱金属或碱土金属离子。这些阳离子与晶格的结合力很弱，所以它们是可交换的。沸石的离子交换性能表现出明显的选择性。例如，在方沸石中，钠很容易被银吸收、Ti4+、Pb2血浆交换，但是在NH4中的交换容量低。

吸附分离性

沸石的孔结构使其具有较大的内部比表面积，脱水后由于孔结构的连通和空洞，使其具有更大的内部比表面积。这也使得沸石具有高吸附性能。

选择性吸附和分子筛效应是沸石吸附性能的重要特征。在沸石中，孔隙和空穴一般占晶体总体积的50%以上，且大小一致、具有固定的尺寸和规则的形状。孔径通常为0.66~1.5nm，通道的直径为0.3~1.0nm。因此，小于沸石孔径的分子可以进入孔隙，而大于孔径的分子则被排斥。所以沸石有一种分子筛选功能，叫做分子筛效应。

催化性

沸石具有高催化活性和耐高温性能、耐酸性和抗中毒，因此被认为是一种优良的催化剂和载体。沸石显示催化性能的机理主要与其在晶体结构中的酸性位置有关、孔径和阳离子交换性能。

化学稳定性

沸石具有良好的耐热性、耐酸性。

结构特征

沸石是骨架结构硅酸盐中的一组矿物，结构复杂，主要由三维硅组成（铝）氧格架组成。

硅（铝）氧四面体是沸石骨架中最基本的结构单元，四面体中的每个硅（或铝）原子周围有四个氧原子形成四面体配位。硅氧四面体中的硅可以被铝原子取代，形成铝氧四面体。为了补偿电荷不平衡，一般用碱金属或碱土金属离子来补偿，如Na、Ca、Sr 、K、Ba、Mg等金属离子。沸石的结构水和一般结构水（OH）不一样，因为它是以水分子的形式存在，在特定的温度下加热、脱水后结构未被破坏，原有水分子的位置仍有空隙，形成海绵状的格子状结构，具有将水分子和气体吸回空隙的特性。

沸石骨架的最基本单元是二氧化硅四面体(SiO4)和铝氧四面体(AlO4)被称为“一级结构”这些四面体通过顶角处的氧原子相互连接，形成一个显示在平面上的封闭的多元环，称为“二级结构”以及这些多元环在三维空间中通过桥氧连接的正多面体形成的孔或笼，如立方笼、β笼和γ笼称为“晶穴结构”

沸石种类繁多，包括40种天然沸石和125种合成沸石。常见的天然沸石种类是斜发沸石（clinoptilolite）丝光沸石（mordenite）菱沸石（chabazite）毛沸石（mao feishi）方沸石（analcime）片沸石（heulandite）浊沸石（饰浊沸石）钙十字沸石（phillipsite-Ca）等。

斜发沸石

斜发沸石的晶体化学式为(Na,K,Ca)2-3[Al3(Al,Si)2Si13O36]12H2O。它的化学成分是SiO2 69.93%， Al2O3 11.86%，MgO 0.12%,   Cao 33563.26%， Na2O 1.51%， K2O 2.14%， H2O11.18%

斜发沸石属于单斜晶系，晶体形态可呈板状，长度可达1cm。斜发沸石为白色或无色，具有玻璃光泽，形态为透明至半透明。主要由火山玻璃析晶形成，产于流纹岩和安山岩的洞穴中。

菱沸石

菱沸石的晶体化学式为(Ca0.5,Na,K)4[Barium strontium aluminate]12H2O。它的化学成分是SiO2 47.46%，Al2O3 20.13%，CaO 11.07%，H2O 21.34%

菱沸石属于三斜晶系，其晶体形态可以是假菱形、接近立方体或板状的形状。它常呈白色、黄色、粉色、红色或无色，有玻璃光泽，透明至半透明状。菱沸石主要产于玄武岩中、安山岩在石灰岩和片岩中很少见；它是由湖泊沉积物的层状凝灰岩沉积物中的火山玻璃交代作用形成的。

毛沸石

钙柔毛沸石晶体的化学式如下(Calcium, potassium and sodium)Alias Al4Si14O36•15H2O。它的化学成分是SiO2 60.67%，Al2O3 12.90%，Fe2O3 1.35%，FeO 0.09%，MgO 1.09%，CaO 0.65%，Na2O 4.39%，K2O 4.09%，H2O  7.69%，H2O-( 6)94%

毛沸石属于六方晶系，其晶体通常为柱状结构。白色，具有玻璃光泽至丝绸光泽，透明至半透明状。产于玄武岩中，由流纹岩凝灰岩交代或湖床镜质体凝灰岩沉积交代而成。

丝光沸石

丝光沸石的晶体化学式为(Calcium, sodium and potassium)AlSi5O12]2•7H2O。它的化学成分是SiO2 66.06%，Al2O3 12.32%，MgO 0.36%, Cao 33563.02%，Na2O 3.86%，K2O 0.50%，H2O  9.19%，H2O-( 4)68%

丝光沸石属于正交晶系，其晶体形态可呈针状或纤维状结构。丝光沸石通常是白色的、浅黄色，有时被杂质染成玫瑰色，具有玻璃光泽，或珍珠光泽和丝绸光泽，透明至半透明状。常见于火山杏仁和洞穴中，也可作为火山玻璃或沉积岩中自生矿物的水化产物产生。

方沸石

方沸石的晶体化学式为Na2[AlSi2O6]2•2H2O。它的化学成分是SiO2 54.58%，Al2O3 23.16%，Na2O 14.08%，H2O  8.18%

方沸石属于等轴晶系和三斜晶系，其晶体形态可以是四方八面体，也可以是立方体和四方八面体。方沸石常呈无色、白色、淡红、微灰、略带绿色，有玻璃光泽，透明至半透明状。

片沸石

片状沸石的晶体化学式为Ca4[Aluminum siloxane 72]24H2O。

片理化属于单斜晶系，晶体形态为三维等轴或板状，颜色为无色、白色或黄色，含Fe2O3时呈砖红色，有玻璃光泽，解理面有珍珠光泽。薄片岩主要产于安山岩玻璃质岩石中，由火山玻璃蚀变形成。

浊沸石

浊积岩的晶体化学式为CaAl2Si4O12•4H2O。其化学成分为CaO 11.90%，Al2O3 21.07%，SiO2 51.10%，H2O 15.30%

浊积岩属于单斜晶系，其晶体形态可呈现细小的板状晶体。浊积岩呈白色至灰色、粉红色、黄色、褐色或金褐色，有玻璃光泽，解理面有珍珠光泽，透明至半透明状。浊积岩产于镍矿区蛇纹石体内的剪切面上，呈薄壳状，与镍矿共生。

钙十字沸石

钙十字沸石的晶体化学式为(K,Na,Ca)1-2(Si,Al)8O16•6H2O。它的化学成分是SiO2 46.03%，Al2O3 21.43%Iron trioxide FeO 0.99%, Cao 33565.73%，Na2O 3.13%，K2O 5.59%，H2O 17.33%

钙十字沸石属于单斜晶系，其晶体通常成对出现，呈假对称。方解石无色、白色、红色或黄色，有玻璃光泽，透明至半透明状。常产于玄武岩的晶体洞穴中，属于热液成因。

由于沸石具有独特的结构和物理化学特性，在石油中被广泛应用、化工、轻工、环保、建材、农业畜牧业等领域得到了广泛的应用。它主要有以下功能应用。

石油化工

在石油炼制过程中，沸石催化剂可用于裂化催化、加氢催化和加氢裂化，从而提高石油加工的效率和质量。在石油化工领域，沸石催化剂可用于异构化、重整、烷基化、歧化烷基转移和其他反应，从而产生各种化学品和燃料。沸石也可以用来从海水中提取钾、硬水软化和海水淡化，作为特殊干燥剂等。

建材领域

天然沸石在建筑行业的应用主要是作为水泥行业的活性掺合料，也广泛用作轻骨料、轻质高强板材、轻质砖瓦、轻质陶瓷制品、团结材料和建筑石材等。

环保领域

沸石具有优良的吸附和离子交换性能，对消除工业废气和废水的污染有很好的效果沸石是环保领域中一种经济有效的净化剂。

农牧业领域

在土壤中施用沸石岩粉可以提高土壤的盐基交换能力，从而提高土壤肥力。此外，沸石还具有保肥作用、保水、防治病虫害的功能，也可作为饲料添加剂。

沸石矿一般埋藏浅，赋存稳定，大部分已出露地表，适合露天开采。一些沸石矿物和珍珠岩、膨润土共生成分符合煤层，可综合开采，成本较低，简单加工后即可利用。

沸石大多在露天开采随着开采深度的增加和边坡规模的扩大，矿区地形地貌将发生较大变化，矿区内将形成一个不规则的大型采坑，边坡陡峭，坑内积水，也容易发生塌陷、滑坡等地址灾害。