我們知道沸石是水合鋁硅酸鹽礦物家族的任何成員,它含有堿金屬和堿土金屬。天然沸石以其對離子交換和可逆脫水的不穩(wěn)定性而著稱。它們具有框架結(jié)構(gòu),其中包含由大金屬陽離子(帶正電荷的離子)和水分子占據(jù)的相互連接的空腔。
沸石的基本結(jié)構(gòu)特征是三維四面體骨架,其中每個氧原子由兩個四面體共享。如果所有四面體都含有硅,則框架將是中性的;用鋁代替硅會產(chǎn)生電荷不平衡,并且需要其他金屬離子存在于框架的相對較大的空腔中。在天然存在的沸石中,這些金屬離子通常是一價或二價離子,例如鈉、鉀、鎂、鈣和鋇。沸石類似于長石除了沸石中的空穴較大且通常存在水外,其他礦物質(zhì)。在結(jié)構(gòu)上,沸石按構(gòu)成骨架的結(jié)構(gòu)單元類型分類,例如環(huán)或多面體類型。由框架單元形成的空腔的直徑范圍從大約2-8埃,這允許離子在空腔之間相對容易地移動。
框架內(nèi)離子和水的這種輕松移動允許可逆脫水和陽離子交換,性質(zhì)隨化學(xué)和結(jié)構(gòu)差異而有很大差異。脫水特性隨結(jié)構(gòu)中水的結(jié)合方式而變化。對于那些與水緊密結(jié)合的沸石,在相對較高的溫度下會發(fā)生脫水;相比之下,在某些具有大空腔的沸石中,一些水可以在低溫下釋放出來。離子交換的速率取決于空腔之間的大小和連接。由于特定的結(jié)構(gòu)特性,一些離子被排除在外。
通過商業(yè)生產(chǎn)具有特定結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征的沸石來開發(fā)沸石特性。一些商業(yè)用途包括碳氫化合物的分離,例如石油精煉;氣體和液體的干燥;通過選擇性分子吸附控制污染。天然沸石作為空腔填充物存在于鎂鐵質(zhì)火山巖中,可能是流體或蒸汽沉積的結(jié)果。在沉積巖中,沸石作為火山玻璃的蝕變產(chǎn)物出現(xiàn),在碎屑巖中充當膠結(jié)材料;它們也存在于海洋來源的化學(xué)沉積巖中。沸石的廣泛沉積存在于所有海洋中。變質(zhì)巖含有一系列沸石礦物,可用于確定相對變質(zhì)等級;這些礦物的形成是以長石和火山玻璃為代價的。
21世紀初,世界上最大的生產(chǎn)國是中國、韓國、日本、土耳其和約旦。