Zeolite是沸石組礦物的總稱,是工業、農業、國防和尖端科學技術領域的重要原料。沸石屬于含水鋁硅酸鹽成分,其化學式可表達為“AmXpO2p·nH2O”,式中A代表Na、K、Ca、Ba、Sr等堿金屬或堿土金屬元素,X代表Al和Si。沸石是由硅鋁氧四面體組成的架狀硅酸鹽,如圖1所示。其鋁氧四面體中,氧原子有一價未得到中和,整個鋁氧四面體帶有負電,而由附近的Na+、K+、Ca2+、Mg2+等正離子進行電荷的平衡補償。
沸石的類型
根據沸石的化學組分方式,可以分為以下8個主要類型。
1、輝沸石(Stilbite)。其化學式為NaCa2[Al5Si13O36]·14H2O,是化學成分中部分Ca、Al置換Na、Si所形成,屬單斜晶系,垂直于a方向孔洞尺寸為4.1×6.2,垂直于c方向孔洞尺寸為2.7×5.7。
2、鈉沸石(Natrolite)。其化學式為Na2[Al2Si3O10]·2H2O。它有2種不同的孔徑一種平行于c軸,孔洞直徑為2.08;另一種垂直于c軸,孔洞尺寸為2.6×3.9。
3、菱沸石(Chabazita)。其化學式為(Ca,Na2)[Al2Si4O12]·6H2O。菱沸石的晶體很脆,帶有玻璃光澤,呈白色或肉紅色,三方晶系,具有三維孔道體系,3個不同方向的孔洞尺寸分別為6.7×10、3.7×4.2和Φ2.6。
4、方沸石(Analcime)。其化學式為Na[AlSi2O6]·H2O。方沸石是較為常見的類長石礦物。在玄武巖、輝綠巖、花崗巖、片麻巖及洞穴中都會有它們的存在。方沸石具有一維孔道體系,孔洞直徑為2.6。
5、濁沸石(Laumontite)。其化學式為Ca[AlSi2O6]·4H2O。濁沸石表面顏色呈白到黃色,構成晶體為棱柱體。當長時間暴露于大氣中或受熱時會轉變為β-黃粒濁沸石。如果鉀、鈉離子置換其中的鈣離子,則會轉變為α-黃粒濁沸石。
6、片沸石(Heulandite)。其化學式為Ca[Al2Si7O18]·6H2O。片沸石的英文單詞Heulandite是用來紀念礦物收藏家J.H.Heuland。片沸石和斜發沸石(clinoptilolite)都是屬于板塊狀的沸石類礦物。片沸石的Si/Al比值小于4,常形成于中性火成巖中。具相當好的離子交換特性,尤其是鈉和鉀離子的交換。有3組孔道①平行于a軸,孔道尺寸為4.0×5.5;②平行于c軸,孔道尺寸為4.4×7.2;③與a軸呈50°夾角,孔道尺寸為4.1×4.7。
7、絲光沸石(Mordenite)。其化學式為(Ca,Na2,K2)[AlSi5O12]·7H2O。絲光沸石特征結構為五元環。絲光沸石由于硅鋁比高,五元環多,故耐酸性及熱穩定性特別高。常溫下不溶于酸。常見于中酸性火山巖的裂隙和氣孔中,常與斜發沸石共生。絲光沸石具有原子環的層狀結構(如圖5所示),由許多八元環和十二元環的結構層疊起來而形成。由十二元環構成的主孔道尺寸約為0.65nm×0.70nm。在十二元環的主孔道之間存在八元環孔道,孔洞尺寸為0.26nm×0.57nm。
8、Clinoptilolite(Clinoptilolite)。其化學式為Na8[Al8Si40O96]·39H2O。斜發沸石是沸石礦物中最豐富的一種,屬于單斜晶系(如圖6所示)。斜發沸石的Si/Al比值高于4,這是由于斜發沸石通常形成于硅含量偏高的環境中。斜發沸石可用作離子交換劑,用于空氣中的氧、氮分離富集以及核廢料處理等。
天然沸石根據自然形成條件不同,可劃分為沉積成巖型、凝灰沉積型、后成型、風化殼型等4個主要的類型。進一步細分,已發現的天然沸石有30多種。但嚴格來講,骨架結構不是由硅氧四面體和鋁氧四面體構成的其實并不能稱之為沸石。