第一節(jié) 產(chǎn)品定義、性能及應(yīng)用特點(diǎn)

沸石的嚴(yán)格定義應(yīng)該是一類結(jié)晶的硅鋁酸鹽微孔結(jié)晶體，包括天然的和人工合成的。由于沸石加熱至熔融時(shí)伴有沸騰現(xiàn)象，故稱沸石，目前已知的沸石有五十多種。

沸石的特性：

1、吸附性

沸石晶體的大量孔穴和孔道（孔穴度高達(dá)40%～50%），使沸石具有很大的比表面積，因此色散力強(qiáng)。結(jié)構(gòu)比較空曠的沸石與活性炭的比表面積（800～1050m2/g）相近，結(jié)構(gòu)空曠度較低的沸石也與微孔硅膠（500～600m2/g）相近，都明顯高于活性氧化鋁的比表面積（200～400m2/g）。又因?yàn)榫w內(nèi)部各種構(gòu)造形式的籠內(nèi)充填著陽離子，并且部分硅（鋁）氧四面體骨架氧也有負(fù)電荷，在這些離子周圍形成強(qiáng)大的電場，從而還有強(qiáng)大的靜電引力。晶體內(nèi)外表面過剩自由能所決定的色散力和這種靜電引力的存在，使得沸石有優(yōu)良的吸附性能。

2、離子交換

由于分子篩骨架中含有大量的AlO4四面體，其骨架是荷負(fù)電的。因而在其孔內(nèi)必然有大量的金屬陽離子以平衡其骨架電荷。這些陽離子位于骨架外，是可以進(jìn)行離子交換的離子源。

3、擇形催化

活化處理后的天然沸石，是具有催化性能的。沸石內(nèi)部的孔穴相互溝通的通道大小決定了吸附質(zhì)能否被吸附，只有那些分子直徑小于通道直徑的吸附質(zhì)才能通過通道進(jìn)入籠內(nèi)被吸附。因此在沸石內(nèi)部進(jìn)行的許多催化具有擇形性。
另外，沸石還是理想的催化劑載體。例如具有催化活性的金屬離子可以通過離子交換進(jìn)入沸石內(nèi)部，再將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂写呋钚缘膯钨|(zhì)狀態(tài)或是化合物。這樣它們均勻的分布在沸石的籠內(nèi)，具有極高的分散性，提高了催化劑的利用效率。

天然沸石是一族含水的鈉（鉀）、鈣或鎂、鋇等的架狀鋁硅酸鹽礦物。其主要化學(xué)組分為SiO2、Al2O3、H2O及堿或堿土金屬，其中SiO2、Al2O3之和約占沸石總量的50%，堿或堿土金屬是以離子狀態(tài)與SiO2、Al2O3結(jié)合在一起，但其數(shù)量很有限。不同種類沸石的硅、鋁比值是不相同的，如斜發(fā)沸石、絲光沸石為高硅型沸石（Si：A1>4）；菱沸石、鈣十字沸石屬于低硅型沸石（Si：A1<2）。沸石結(jié)構(gòu)中硅鋁比值的大、小直接影響著沸石的某些性能，這在沸石開發(fā)利用中很是值得注意的。

高硅沸石一般包括Y型、絲光沸石、ZSM-5系列、β沸石等。

1、ZSM-5沸石

SM-5分子篩 英文名 Molecular sieve type ，ZSM-5沸石是一種人工合成的高硅沸石，ZSM-5沸石的骨架含有一種獨(dú)特的連接四面體構(gòu)型，它是由八個(gè)五圓環(huán)組成的。上述單元連接成鏈，鏈再交聯(lián)成一種獨(dú)特的三維骨架結(jié)構(gòu)，并具有雙交聯(lián)孔道系統(tǒng)。應(yīng)用ZSM-5分子篩具有一些獨(dú)特和重要的化學(xué)反應(yīng)及催化性能，在石油化工 行業(yè) 有廣泛的用途。主要應(yīng)用在柴油臨氫降凝催化劑，固定床催化裂化催化劑，流動(dòng)床催化裂化反應(yīng)上（FCC）的催化劑添加ZSM-5分子篩對提高汽油辛烷值，增加氣體的烯烴含量有很大益處。

2、絲光沸石

絲光沸石又稱發(fā)光沸石。沸石礦的主要礦物組分之一。Si/Al值4.17～5。斜方晶系，晶體呈針狀、纖維狀，集合體為束狀和放射狀。白、淺黃或玫瑰色。絲絹光澤或玻璃光澤。硬度3～4，密度2.15g/cm3。在其晶體構(gòu)造中，不僅有四元環(huán)、六元環(huán)和八元環(huán)等，而且還有五元環(huán)，且五元環(huán)所占的比例很大。五元環(huán)是成對地相互并聯(lián)的，即兩個(gè)五元環(huán)共用兩個(gè)四面體。成對的五元環(huán)又可通過氧橋與另一成對的五元環(huán)相聯(lián)，這時(shí)在相聯(lián)的地方形成了四元環(huán)。若進(jìn)一步的環(huán)又相互聯(lián)接，這樣就可圍成八元環(huán)和十二元環(huán)等。十二元環(huán)呈橢圓形，其最大及最小直徑為0.7nm和0.58nm，平均為0.66nm。實(shí)際上絲光沸石的晶體是由很多這樣的層重疊在一起，通過適當(dāng)?shù)姆绞铰?lián)結(jié)而成的。因此，在絲光沸石的晶體中就形成很多的直筒形的孔隙，其中直徑最大的就是由十二元環(huán)組成的直筒形孔隙，這就是絲光沸石的主孔道，其截面呈橢圓形，長軸直徑為0.695nm，短軸直徑為0.581nm，他們好像是一束束管束似的，這與A，X及Y型沸石的籠形孔隙有很大的不同。實(shí)際上，直筒形孔隙是有一定程度的扭轉(zhuǎn)的，各層并不是正對著相重疊在一起的，而是相互間有一定的位移。因此，其平均直徑可能從0.66nm減到0.4nm。絲光沸石的主孔道之間也有小孔道相互溝通的，但由于這些小孔道孔徑（約0.39nm）很小，一般分子不易進(jìn)去，只能在主孔道出入。絲光沸石的晶體對分子的出入來說，可認(rèn)為是二度空間，而A型、X型及Y型則為三度空間。

絲光沸石由于硅鋁比高，五元環(huán)多，故耐酸性及熱穩(wěn)定性特別高。常溫下不溶于酸。常見于中酸性火山巖的裂隙和氣孔中，常與斜發(fā)沸石共生。

絲光沸石廣泛用于化工、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、輕工、石油、建筑等部門。

3、β沸石

β沸石是一種具有三維十二元環(huán)孔結(jié)構(gòu)的高硅沸石，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩個(gè)四元環(huán)和四個(gè)五元環(huán)的雙六元環(huán)單位晶穴結(jié)構(gòu)，主孔道直徑0.56-0.75nm，熱穩(wěn)性較高。β沸石只有孔道沒有籠，因此β沸石可以進(jìn)行陽離子全部交換。β沸石對環(huán)已烷、正已烷，水的吸附量都較大，均在14%以上，這是β沸石一個(gè)特殊的性質(zhì)。

第二節(jié) 發(fā)展歷程

1765年瑞典礦物學(xué)家Cronstedt在冰島玄武巖杏仁狀空隙內(nèi)，首先發(fā)現(xiàn)一種白色透明的礦物，因其加熱時(shí)出現(xiàn)發(fā)泡沸騰現(xiàn)象，便以希臘文命名為“zeolite”，意為“沸騰的石頭”。

1932年，McBain提出了“分子篩”的概念。表示可以在分子水平上篩分物質(zhì)的多孔材料。雖然沸石只是分子篩的一種，但是沸石在其中最具代表性，因此“沸石”和“分子篩”這兩個(gè)詞經(jīng)常被混用。人造沸石是：磺酸化聚苯乙烯； 天然沸石：鋁硅酸鈉。

關(guān)于沸石的定義存在著一個(gè)演變的過程，直至1997 年，國際礦物學(xué)協(xié)會（IMA）新礦物及礦物命名委員會（CNMMN）沸石專業(yè)委員會（IZA）采納了由D.S.Coombs等18名成員署名發(fā)表的有關(guān)沸石類礦物命名的建議，將沸石礦物定義為一類結(jié)晶物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)以四面體連接形成的格架為特征，四面體由4個(gè)氧原子圍繞一個(gè)陽離子組成。
 

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