1756年，瑞典礦物學(xué)家Cronsted發(fā)現(xiàn)了自然界中沸石的存在，但是直到五六十年代，以美國(guó)UCC公司為代表研究成功沸石晶體的水熱合成工藝之后，才開始廣泛利用這種礦物。目前，它已被廣泛的應(yīng)用于日用化工、環(huán)境保護(hù)、石油加工等領(lǐng)域。本文對(duì)沸石的吸附性能和離子交換性及其在水處理中的應(yīng)用研究作一詳細(xì)介紹。

沸石的結(jié)構(gòu)和性能

1、沸石的結(jié)構(gòu)特征

沸石的最基本構(gòu)成單元是硅氧四面體(SiO4)和鋁氧四面體(AlO4)[2，3]在平面內(nèi)表示為圖1，硅氧四面體通過(guò)共用所有氧而相互連結(jié)在一起(如圖2所示)。

沸石分子式一般可表示為M2?nO·Al2O3·XSiO2·YH2O，其中n為陽(yáng)離子M的化合價(jià)。沸石的結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)部分：鋁硅酸鹽格架；格架中相互連接的孔隙(孔道或空穴);在孔道或空穴中的陽(yáng)離子和水分子。沸石的這種特殊結(jié)構(gòu)決定了其具有吸附性、擴(kuò)散性、離子交換性和催化性等。因此，它是一種優(yōu)良的吸附劑、離子交換劑和催化劑。

2、沸石的吸附性能

沸石不同于一般常用的固體吸附劑(如硅膠，活性碳等)，沸石有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：沸石的選擇性吸附和離效率吸附。

(1)選擇性吸附

在一般情況下，沸石的中心大空穴和孔道都充滿水分子，這些水分子圍繞可交換陽(yáng)離子形成水化球，通常在350℃或400℃下加熱數(shù)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，沸石將失去水分。這時(shí)，有效直徑小到足以通過(guò)孔道的分子將易于被沸石吸附在脫水孔道和中心空穴中，而直徑過(guò)大無(wú)法進(jìn)入孔道的分子將被排斥，這就是人們所熟知的“分子篩”的篩分能力。另外，分子篩對(duì)分子的極性大小具有選擇作用，極性越大可越容易被極化的物質(zhì)，就越容易被吸附。

(2)高效吸附

沸石具有高效吸附性，特別是對(duì)水、氨、硫化氫、二氧化碳等分子具有很強(qiáng)的親合力。

3、沸石的離子交換性能

離子交換性能是沸石的另外一個(gè)重要性能。沸石的離子交換一般是在水溶液中進(jìn)行的，其反應(yīng)可用下式表示:

Na(Z)+M(S)=M(Z)+Na(S)

式中，Z表示沸石相，S表示溶液相，M(S)是溶液中取代沸石鈉離子(Na(Z))的交換離子。沸石的離子交換性能，主要與沸石結(jié)構(gòu)中的硅鋁比的高低、沸石孔穴的大小、陽(yáng)離子位置以及陽(yáng)離子的性質(zhì)有關(guān)。沸石中陽(yáng)離子是由于沸石中部分硅被鋁置換后產(chǎn)生不平衡電荷而進(jìn)入的，因此硅鋁比高，則鋁氧四面體所形成的負(fù)電荷少，格架電荷亦低，為平衡這些電荷而進(jìn)入沸石中的陽(yáng)離子也少，因此影響離子交換。沸石孔穴小，影響構(gòu)型大的離子進(jìn)行交換。對(duì)于不同的陽(yáng)離子位置和不同的陽(yáng)離子性質(zhì)，離子交換能力也不一樣。

常見的天然沸石，斜發(fā)沸石和絲光沸石等都具有很高的陽(yáng)離子交換容量。斜發(fā)沸石的理論交換容量為0.213mol/100g，絲光沸石的理論交換容量為0.223mol/100g。通過(guò)交換，改進(jìn)了沸石的吸附和催化性能，從而得到了更廣泛的應(yīng)用。