[科普中國]-沸石

歷史

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。沸石族礦物常見于噴出巖，特別是玄武巖的孔隙中，也見于沉積巖、變質(zhì)巖及熱液礦床和某些近代溫泉沉積中。河北省圍場(chǎng)縣為目前我國境內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的沸石儲(chǔ)量最高的地區(qū)，沸石儲(chǔ)量20億噸以上。1

化學(xué)式沸石的一般化學(xué)式為：AmBpO2p·nH2O，結(jié)構(gòu)式為A(x/q) [ (AlO2)x (SiO2)y ] n(H2O) 其中：A為Ca、Na、K、Ba、Sr等陽離子，B為Al和Si，p為陽離子化合價(jià)，m為陽離子數(shù)，n為水分子數(shù)，x為Al原子數(shù)，y為Si原子數(shù)，(y/x)通常在1～5之間，(x+y)是單位晶胞中四面體的個(gè)數(shù)。

分子 量：218.2472383

EINECS號(hào) 215-283-8

性質(zhì)與穩(wěn)定性如果遵照規(guī)格使用和儲(chǔ)存則不會(huì)分解，未有已知危險(xiǎn)反應(yīng)，避免氧化物。溶于強(qiáng)堿。屬高硅沸石。具有獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)、高的催化活性和熱穩(wěn)定性及耐酸性。

沸石是沸石族礦物的總稱，是一種含水的堿或堿土金屬鋁硅酸鹽礦物。全世界已發(fā)現(xiàn)天然沸石40多種，其中最常見的有斜發(fā)沸石、絲光沸石、菱沸石、毛沸石、鈣十字沸石、片沸石、濁沸石、輝沸石和方沸石等。已被大量利用的是斜發(fā)沸石和絲光沸石。沸石族礦物所屬晶系不一，晶體多呈纖維狀、毛發(fā)狀、柱狀，少數(shù)呈板狀或短柱狀。

沸石具有離子交換性、吸附分離性、催化性、穩(wěn)定性、化學(xué)反應(yīng)性、可逆的脫水性、電導(dǎo)性等。沸石主要產(chǎn)于火山巖的裂隙或杏仁體中，與方解石、石髓、石英共生；亦產(chǎn)于火山碎屑沉積巖及溫泉沉積中。4

品種自然界已發(fā)現(xiàn)的沸石有80多種，較常見的有方沸石、菱沸石、鈣沸石、片沸石、鈉沸石、絲光沸石、輝沸石等，都以含鈣、鈉為主。它們含水量的多少隨外界溫度和濕度的變化而變化。晶體所屬晶系隨礦物種的不同而異，以單斜晶系和正交晶系（斜方晶系）的占多數(shù)。方沸石、菱沸石常呈等軸狀晶形，片沸石、輝沸石呈板狀，毛沸石、絲光沸石呈針狀或纖維狀，鈣十字沸石和輝沸石雙晶常見。純凈的各種沸石均為無色或白色，但可因混入雜質(zhì)而呈各種淺色。玻璃光澤。解理隨晶體結(jié)構(gòu)而異。莫氏硬度中等。比重介于2.0～2.3，含鋇的則可達(dá) 2.5～2.8。沸石主要形成于低溫?zé)嵋弘A段，常見于噴出巖氣孔中，也見于熱液礦床和近代溫泉沉積中。沸石可以借水的滲濾作用，以進(jìn)行陽離子的交換，其成分中的鈉、鈣離子可與水溶液中的鉀、鎂等離子交換，工業(yè)上用以軟化硬水。沸石的晶體結(jié)構(gòu)是由硅（鋁）氧四面體連成三維的格架，格架中有各種大小不同的空穴和通道，具有很大的開放性。堿金屬或堿土金屬離子和水分子均分布在空穴和通道中，與格架的聯(lián)系較弱。不同的離子交換對(duì)沸石結(jié)構(gòu)影響很小，但使沸石的性質(zhì)發(fā)生變化。晶格中存在的大小不同空腔，可以吸取或過濾大小不同的其他物質(zhì)的分子。工業(yè)上常將其作為分子篩，以凈化或分離混合成分的物質(zhì)，如氣體分離、石油凈化、處理工業(yè)污染等。

工業(yè)用途沸石一、斜發(fā)沸石
在巖石致密結(jié)構(gòu)處的斜發(fā)沸石，多呈似放射狀板片集合體微形態(tài)，而在孔隙發(fā)育處，可形成具完好或部分完好幾何形態(tài)的板塊晶體，寬可達(dá)20mm，厚5mm左右，端部約呈120度角，有的呈菱形板片和板條狀。EDX譜為Si、Al、Na、K、Ca。
二、絲光沸石
SEM特征微形態(tài)為纖性狀，纖絲般細(xì)直或稍有彎曲，直徑約為0.2mm，長(zhǎng)度可達(dá)幾mm，可為自生礦物，但也見到在蝕變礦物外緣，呈放射狀逐漸分開形成纖絲狀絲光沸石。此種絲光沸石應(yīng)為改造型礦物。EDX譜主為Si、Al、Ca、Na。
三、方沸石
SEM特征微形態(tài)為四角三八面體和各種形態(tài)的聚形，晶面多呈4、6邊形，晶?？纱笾翈资甿m，EDX譜特征元素為Si、Al、Na，可以有少量Ca。
四、菱沸石
SEM特征微形態(tài)短菱柱形大小可從1m;m到幾mm，EDX譜為Si、Al、Ca、可以有K、Na的少量存在。5

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)沸石

有很多種，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的就有36種。它們的共同特點(diǎn)就是具有架狀結(jié)構(gòu)，就是說在它們的晶體內(nèi)，分子像搭架子似地連在一起，中間形成很多空腔。因?yàn)樵谶@些空腔里還存在很多水分子，因此它們是含水礦物。這些水分在遇到高溫時(shí)會(huì)排出來，比如用火焰去燒時(shí)，大多數(shù)沸石便會(huì)膨脹發(fā)泡，像是沸騰一般。沸石的名字就是因此而來。不同的沸石具有不同的形態(tài)，如方沸石和菱沸石一般為軸狀晶體，片沸石和輝沸石則呈板狀，絲光沸石又成了針狀或纖維狀等等。各種沸石如果內(nèi)部純凈的話，它們應(yīng)該是無色或白色，但是如果內(nèi)部混入了其他雜質(zhì)，便會(huì)顯出各種淺淺的顏色來。沸石還具有玻璃樣的光澤。我們知道沸石中的水分可以跑出來，但這并不會(huì)破壞沸石內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)。因此，它還可以再重新吸收水或其他液體。于是，這也成了人們利用沸石的一個(gè)特點(diǎn)。我們可以用沸石來分離煉油時(shí)產(chǎn)生的一些物質(zhì)，可以讓它使空氣變得干燥，可以讓它吸附某些污染物，凈化和干燥酒精等等。沸石礦物有很廣的分布。特別多見于由火山碎屑形成的沉積巖石中，在土壤中也有發(fā)現(xiàn)。

晶體構(gòu)造沸石的晶體構(gòu)造可分為三種組分：(1)鋁硅酸鹽骨架，(2）骨架內(nèi)含可交換陽離子M的孔道和空洞，(3）潛在相的水分子，即沸石水。

沸石的構(gòu)造與石英、長(zhǎng)石的骨架有些不同。石英、長(zhǎng)石的骨架構(gòu)造比較嚴(yán)緊，比重2.6~2.7，而沸石的骨架構(gòu)造比較空疏，比重2.0~2.2。其脫水后的空腔可大至47%，如菱沸石，甚至50%，如合成沸石。

在長(zhǎng)石構(gòu)造中，金屬陽離子都限制在O離子構(gòu)成的晶體骨架的空隙間，除非晶體被破壞，這些金屬陽離子是很難自由活動(dòng)的。Na或K被Ca交換，必須與Si、Al的置換同時(shí)進(jìn)行，即成對(duì)置換，必然引起Si/AI比的改變。

在似長(zhǎng)石構(gòu)造中，金屬陽離子位于比較開闊的相互通連的空隙間，比重2.14~2.45，陽離子可以通過構(gòu)造的通路互相交換，而不破壞其晶體骨架。水方鈉石和水霞石曾被認(rèn)為是沸石族礦物。

在沸石構(gòu)造中，金屬陽離子位于晶體構(gòu)造較大并相互通連的孔道或空洞間。因此，陽離子可自由地通過孔道發(fā)生交換作用，而不能影響其晶體骨架，像2(Na,K）(Ca2+）這樣的交換，在沸石中是容易發(fā)生的，而在長(zhǎng)石中是不能的。這種形式的交換作用，可能是離子交換的極端形式，只限于沸石及類似的礦物。

沸石的水分子與骨架離子和可交換金屬陽離子的聯(lián)系，一般都是松弛而微弱的。這些水分子比陽離子更自由地可以移動(dòng)和出入孔道。在有熱力的趨使下，可自由地脫、附而不影響其骨架構(gòu)造。6

特性沸石

是沸石族礦物的總稱，是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物。按沸石礦物特征分為架狀、片狀、纖維狀及未分類四種，按孔道體系特征分為一維、二維、三維體系。任何沸石都由硅氧四面體和鋁氧四面體組成。四面體只能以頂點(diǎn)相連，即共用一個(gè)氧原子，而不能“邊”或“面”相連。鋁氧四面體本身不能相連，其間至少有一個(gè)硅氧四面體。而硅氧四面體可以直接相連。硅氧四面體中的硅，可被鋁原子置換而構(gòu)成鋁氧四面體。但鋁原子是三價(jià)的，所以在鋁氧四面體中，有一個(gè)氧原子的電價(jià)沒有得到中和，而產(chǎn)生電荷不平衡，使整個(gè)鋁氧四面體帶負(fù)電。為了保持中性，必須有帶正電的離子來抵消，一般是由堿金屬和堿土金屬離子來補(bǔ)償，如Na、Ca及Sr、Ba、K、Mg等金屬離子。由于沸石具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和結(jié)晶化學(xué)性質(zhì)，因而使沸石擁有多種可供工農(nóng)業(yè)利用的特性。

世界上已發(fā)現(xiàn)的天然沸石一般為淺灰色，有時(shí)為肉紅色。拿在手上明顯感到比一般石頭輕，這是因?yàn)榉惺瘍?nèi)部充滿了細(xì)微的孔穴和通道，比蜂房要復(fù)雜得多。假如把沸石比作旅館，那么1立方微米的這種“超級(jí)旅館”內(nèi)竟有100萬個(gè)“房間”！的這些房間能根據(jù)“旅客”（分子和離子）的性別、高矮、胖瘦、嗜好的不同自動(dòng)開門或擋駕，絕對(duì)不會(huì)讓“胖子”到“瘦子”的房間去，也不會(huì)使高個(gè)子與矮個(gè)子同住一室。根據(jù)沸石的這一特性，人們用它來篩選分子，獲得很好的效果。這對(duì)在工業(yè)廢液中回收銅、鉛、鎘、鎳、鉬等金屬微粒具有特別重要的意義。

沸石具有吸附性、離子交換性、催化和耐酸耐熱等性能，因此被廣泛用作吸附劑、離子交換劑和催化劑，也可用于氣體的干燥、凈化和污水處理等方面。沸石還具有“營養(yǎng)”價(jià)值。在飼料中添加5%的沸石粉，能使禽畜生長(zhǎng)加快，體壯肉鮮，產(chǎn)蛋率高。

由于沸石的多孔性硅酸鹽性質(zhì)，小孔中存有一定量的空氣，常被用于防暴沸。在加熱時(shí)，小孔內(nèi)的空氣逸出，起到了氣化核的作用，小氣泡很容易在其邊角上形成。

防暴沸原理先說成因：對(duì)過熱液體繼續(xù)加熱，會(huì)驟然而劇烈地發(fā)生沸騰現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“暴沸”，或叫作“崩沸”。過熱是亞穩(wěn)狀態(tài)。由于過熱液體內(nèi)部的漲落現(xiàn)象，某些地方具有足夠高的能量的分子，可以彼此推開而形成極小的氣泡。當(dāng)過熱的液體溫度遠(yuǎn)高于沸點(diǎn)時(shí)，小氣泡內(nèi)的飽和蒸氣壓就比外界的壓強(qiáng)高，于是氣泡迅速增長(zhǎng)而膨脹，以至由于破裂引起工業(yè)容器的爆炸。液體之所以發(fā)生過熱的原因是液體里缺乏形成氣泡的核心。為了清除在蒸餾過程中的過熱現(xiàn)象和保證沸騰的平穩(wěn)狀態(tài)，常加沸石，或一端封口的毛細(xì)管，因?yàn)樗鼈兌寄芊乐辜訜釙r(shí)的暴沸現(xiàn)象，把它們稱做止暴劑又叫助沸劑，值得注意的是，不能在液體沸騰時(shí)，加入止暴劑，不能用已使用過的止暴劑。簡(jiǎn)單說就是因?yàn)榧訜釙r(shí)燒杯中的液體會(huì)向上沖，從而造成了一個(gè)個(gè)冒出來的“噴泉”，劇烈時(shí)甚至?xí)R出傷人，而沸石能夠有效的阻止液體的向上沖，使加熱時(shí)液體能夠保持平穩(wěn)。

用途吸附劑和干燥劑

催化劑

洗滌劑

其他用途（污水處理、土壤改良劑、飼料添加劑）

天然沸石是一種新興材料，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等部門，并且它的用途還在不斷地開拓。沸石被用作離子交換劑、吸附分離劑、干燥劑、催化劑、水泥混合材料。7在石油、化學(xué)工業(yè)中，用作石油煉制的催化裂化、氫化裂化和石油的化學(xué)異構(gòu)化、重整、烷基化、歧化；氣、液凈化、分離和儲(chǔ)存劑；硬水軟化、海水淡化劑；特殊干燥劑（干燥空氣、氮、烴類等）。在輕工行業(yè)用于造紙、合成橡膠、塑料、樹脂、涂料充填劑和素質(zhì)顏色等。在國防、空間技術(shù)、超真空技術(shù)、開發(fā)能源、電子工業(yè)等方面，用作吸附分離劑和干燥劑。在建材工業(yè)中，用作水泥水硬性活性摻和料，燒制人工輕骨料，制作輕質(zhì)高強(qiáng)度板材和磚。在農(nóng)業(yè)上用作土壤改良劑，能起保肥、保水、防止病蟲害的作用。在禽畜業(yè)中，作飼料（豬、雞）的添加劑和除臭劑等，可促進(jìn)牲口成長(zhǎng)，提高小雞成活率。在環(huán)境保護(hù)方面，用來處理廢氣、廢水，從廢水廢液中脫除或回收金屬離子，脫除廢水中放射性污染物。

在醫(yī)學(xué)上沸石用于血液、尿中氮量的測(cè)定。沸石還被開發(fā)成為保健用品，用于抗衰老，去除體內(nèi)積累的重金屬。

在生產(chǎn)中沸石常用于砂糖的精制。

新型墻材（加氣混凝土砌塊）原料

隨著實(shí)心黏土磚逐步退出舞臺(tái)，新型墻體材料應(yīng)用比例當(dāng)前已達(dá)到80%墻體材料生產(chǎn)企業(yè)以煤矸石、粉煤灰、陶粒、爐渣、輕質(zhì)工業(yè)廢渣、重質(zhì)建筑垃圾、沸石等為主料，積極開發(fā)新型墻體材料。

在化學(xué)蒸餾或加熱實(shí)驗(yàn)當(dāng)中常用來防止暴沸，這是因?yàn)榉惺慕Y(jié)構(gòu)當(dāng)中有大量的小孔，可作為氣泡的凝結(jié)核，使反應(yīng)液平穩(wěn)沸騰?？捎们盟橹撩琢４笮〉乃?zé)善妗?/p>

在養(yǎng)豬生產(chǎn)上促生長(zhǎng)性能

一些相關(guān)研究已經(jīng)證明，沸石作為飼料添加劑可以促進(jìn)豬生長(zhǎng)的性能，并且不會(huì)對(duì)豬的健康產(chǎn)生負(fù)面影響。在飼料中加人1%-2%的低比例天然斜發(fā)沸石可以對(duì)豬的生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著影響。含有沸石的飼料可以改善豬的平均日增重和/或者飼料轉(zhuǎn)化率，也可以提高母豬的生產(chǎn)性能。飼料中加入沸石可以減緩食物通過消化道的速度，從而提高營養(yǎng)的利用率。沸石的作用效果主要與以下各參數(shù)相關(guān)：沸石的種類、純度、地理來源、理化性質(zhì)、在飼料中占有的比例以及使沸石的功能持續(xù)作用于動(dòng)物所需要的飼料和環(huán)境條件等。

試驗(yàn)證明，含50%甲酸鈣、8%甲酸和42%天然斜發(fā)沸石的飼料添加劑能夠提高豬的生長(zhǎng)速度和改善豬的飼料轉(zhuǎn)化率。在飼料中添加1.5%的上述添加劑，可以使測(cè)試組動(dòng)物的第一個(gè)月增重達(dá)到13.4 kg，而對(duì)照組對(duì)應(yīng)的體重增加是8.3 kg;測(cè)試組的日增重是0.47 kg，對(duì)照組為0.29 kg;測(cè)試組的料肉比是3.13，而對(duì)照組為4 .7。

疾病防治

大量試驗(yàn)已經(jīng)證明，沸石能夠緩解及預(yù)防一些化合物、重金屬以及氨的毒害作用，這對(duì)畜產(chǎn)品的食品安全具有重要意義。沸石用于毒枝菌素的結(jié)合吸附是一個(gè)當(dāng)前熱門的研究課題。另外，也有一些研究表明，飼料中加人沸石對(duì)豬腹瀉綜合征發(fā)病率的降低和病情的緩解都起到了積極的作用，但是沸石作用的確切機(jī)理并不明朗。沸石預(yù)防豬特定疾病的可能機(jī)理，見表2。

減少氨氣排放

由于 豬的 排泄物內(nèi)含有NH3和N凡十等原因，集約化養(yǎng)豬生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量氨氣，過量的氨氣排放會(huì)引起環(huán)境的污染，豬的生長(zhǎng)環(huán)境中NH3水平也經(jīng)常會(huì)超標(biāo)，豬通常會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地暴露于高濃度NH3的條件下，這樣會(huì)引起豬的嗅覺敏感度發(fā)生暫時(shí)或者持久的改變，從而進(jìn)一步影響豬的個(gè)體識(shí)別、社會(huì)關(guān)系、采食行為以及其他諸如信號(hào)激素等相關(guān)氣味的識(shí)別，這些在一定程度上都會(huì)對(duì)豬的生

產(chǎn)和福利產(chǎn)生不利影響[5]。

在飼料中添加沸石能夠吸附胃腸道內(nèi)的NH4+,使大部分原本要以尿的方式排出體外的氮轉(zhuǎn)化為以糞便的方式排出體外，從而在降低了大氣內(nèi)氨氣的濃度。

結(jié)語

沸石作為飼料添加劑具有很高的安全性，對(duì)于提高豬的生長(zhǎng)性能以及疾病的預(yù)防都具有很積極的作用，沸石又具有分布量大、易于開采等特點(diǎn)，因此，作為一種高效低廉的飼料添加劑可以更廣泛的應(yīng)用于養(yǎng)豬生產(chǎn)。同時(shí)，沸石又可以改善養(yǎng)豬生產(chǎn)中的食品安全、環(huán)境保護(hù)以及動(dòng)物福利等社會(huì)問題，從而使養(yǎng)豬生產(chǎn)更加符合時(shí)代的要求。存在的問題：不同種類、純度的沸石在飼料中所占有的比例與豬的生長(zhǎng)和疾病預(yù)防的關(guān)系，以及沸石在預(yù)防疾病過程中阻礙各種毒素的具體生理機(jī)制等問題有待于今后進(jìn)一步研究。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中1．作魚、蝦、蟹的飼料添加劑。沸石含有魚、蝦、蟹生長(zhǎng)發(fā)育所必需的多種常量元素和微量元素，這些元素多以可交換離子狀態(tài)和可溶性鹽基形式存在，較易被吸收利用，同時(shí)還具有生物酶的多種催化作用。因此，在魚、蝦、蟹飼料中應(yīng)用沸石具有促進(jìn)新陳代謝，促進(jìn)生長(zhǎng)，增強(qiáng)抗病力，提高成活率，調(diào)節(jié)動(dòng)物的體液和滲透壓，保持酸堿平衡，凈化水質(zhì)的功效，還有一定的防霉作用。魚、蝦、蟹飼料中的沸石粉用量一般在3%~5%之間。

2．作水質(zhì)處理劑。沸石由于內(nèi)部有很多孔徑、均勻的管狀孔道和內(nèi)表面積很大的孔穴，因而具有獨(dú)特的吸附、篩分、交換陰陽離子以及催化性能。它能吸收水中氨態(tài)氮、有機(jī)物和重金屬離子，能有效地降低池底硫化氫毒性，調(diào)節(jié)pH值，增加水中溶解氧，為浮游植物生長(zhǎng)提供充足碳素，提高水體光合作用強(qiáng)度，同時(shí)也是一種良好的微量元素肥料。漁塘中每施入1公斤沸石，可帶入200毫升氧氣，然后以微泡形式緩慢釋放，可防止水質(zhì)惡化，防止魚浮頭。沸石粉作水質(zhì)改良劑時(shí)，用量按每畝一米水深加13公斤左右全池遍灑。

3．作修建漁塘材料。沸石內(nèi)部有許多孔隙，具有極強(qiáng)的吸附能力，人們?cè)谛拚麧O塘的時(shí)候，摒棄過去全部采用黃砂鋪池底的傳統(tǒng)習(xí)慣，采用底層鋪黃砂，上層撒放具有陰陽離子交換能力和吸附水中有害物質(zhì)作用的沸石，這樣可使?jié)O塘水色一年四季都保持綠豆青色或黃綠色，能促進(jìn)魚類快速健康生長(zhǎng)，提高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。

生產(chǎn)方法1.全世界已發(fā)現(xiàn)天然沸石40多種，其中最常見的有斜發(fā)沸石、絲光沸石、菱沸石、毛沸石、鈣十字沸石、片沸石、濁沸石、輝沸石和方沸石等。已被大量利用的是斜發(fā)沸石和絲光沸石。沸石主要產(chǎn)于火山巖的裂隙或杏仁體中，與方解石、石髓、石英共生，亦產(chǎn)于火山碎屑沉積及溫泉沉積中，主要采用浮選、重選、磁選等；

2.硅酸鈉水溶液、硫酸鋁水溶液和溴化四丙基銨(TPABr)混合，在(165±56)℃，在90～150 r/min的攪拌速度下，進(jìn)行結(jié)晶反應(yīng)48h，分離、洗滌、干燥制得成品(若模板劑由溴化四丙基銨改為使用溴化四丁基銨，即可制得ZSM-1l型沸石)。8

安全數(shù)據(jù)危險(xiǎn)品標(biāo)志XnHarmful 有害物品

安全術(shù)語S36Wear suitable protective clothing.穿戴適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)服。

S2Keep out of the reach of children.避免兒童觸及。

S26In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.不慎與眼睛接觸后，請(qǐng)立即用大量清水沖洗并征求醫(yī)生意見。

風(fēng)險(xiǎn)術(shù)語R20Harmful by inhalation. 吸入有害。

R36/37Irritating to eyes and respiratory system. 刺激眼睛和呼吸系統(tǒng)。

R36/37/38Irritating to eyes, respiratory system and skin. 刺激眼睛、呼吸系統(tǒng)和皮