標籤:沸石

沸石(zeolite)是一種礦石,最早發現於1756年。瑞典的礦物學家克朗斯提(Cronstedt)發現有一類天然硅鋁酸鹽礦石在灼燒時會產生沸騰現象,因此命名為「沸石」(瑞典文zeolit)。在希臘文中意為「沸騰」(zeo)的「石頭」(lithos)。此後,人們對沸石的研究不斷深入。

1簡介(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」這兩個詞經常被混用。人造沸石是:磺酸化聚苯乙烯;天然沸石:鋁硅酸鈉。沸石族礦物常見於噴出岩,特別是玄武岩的孔隙中,也見於沉積岩、變質岩及熱液礦床和某些近代溫泉沉積中。浙江省縉雲縣為中國境內沸石儲量最高的地區。

2化學式

沸石
沸石的一般化學式為:AmBpO2p·nH2O,結構式為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,m為陽離子數,n為水分子數,x為Al原子數,y為Si原子數,(y/x)通常在1~5之間,(x+y)是單位晶胞中四面體的個數。
分子 量:218.247238
EINECS號 215-283-8

3品種

自然界已發現的沸石有30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。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,但可因混入雜質而呈各種淺色。玻璃光澤。解理隨晶體結構而異。莫氏硬度中等。比重介於2.0~2.3,含鋇的則可達 2.5~2.8。沸石主要形成於低溫熱液階段,常見於噴出岩氣孔中,也見於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,工業上用以軟化硬水。沸石的晶體結構是由硅(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。鹼金屬或鹼土金屬離子和水分子均分佈在空穴和通道中,與格架的聯繫較弱。不同的離子交換對沸石結構影響很小,但使沸石的性質發生變化。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的分子。工業上常將其作為分子篩,以凈化或分離混合成分的物質,如氣體分離、石油凈化、處理工業污染等。

4工業用途沸石

一、斜發沸石
  在岩石緻密結構處的斜發沸石,多呈似放射狀板片集合體微形態,而在孔隙發育處,可形成具完好或部分完好幾何形態的板塊晶體,寬可達20µm,厚5µm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特徵微形態為纖性狀,纖絲般細直或稍有彎曲,直徑約為0.2µm,長度可達幾µm,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。此種絲光沸石應為改造型礦物。EDX譜主為Si、Al、Ca、Na。
  三、方沸石
  SEM特徵微形態為四角三八面體和各種形態的聚形,晶面多呈4、6邊形,晶粒可大至幾十µm,EDX譜特徵元素為Si、Al、Na,可以有少量Ca。
  四、菱沸石
  SEM特徵微形態短菱柱形大小可從1µm到幾µm,EDX譜為Si、Al、Ca、可以有K、Na的少量存在。

5結構特點

沸石
沸石

  沸石

有很多種,已經發現的就有36種。它們的共同特點就是具有架狀結構,就是說在它們的晶體內,分子像搭架子似地連在一起,中間形成很多空腔。因為在這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會排出來,比如用火焰去燒時,大多數沸石便會膨脹發泡,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,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。各種沸石如果內部純凈的話,它們應該是無色或白色,但是如果內部混入了其他雜質,便會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,但這並不會破壞沸石內部的晶體結構。因此,它還可以再重新吸收水或其他液體。於是,這也成了人們利用沸石的一個特點。我們可以用沸石來分離煉油時產生的一些物質,可以讓它使空氣變得乾燥,可以讓它吸附某些污染物,凈化和乾燥酒精等等。沸石礦物有很廣的分佈。特別多見於由火山碎屑形成的沉積岩石中,在土壤中也有發現。

6晶體構造

沸石的晶體構造可分為三種組分:(1)鋁硅酸鹽骨架,(2)骨架內含可交換陽離子M的孔道和空洞,(3)潛在相的水分子,即沸石水。
沸石的構造與石英、長石的骨架有些不同。石英、長石的骨架構造比較嚴緊,比重2.6~2.7,而沸石的骨架構造比較空疏,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。
在長石構造中,金屬陽離子都限制在O離子構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的。Na或K被Ca里換,必須與Si、Al的置換同時進行,即成對置換,必然引起Si/AI比的改變。
在似長石構造中,金屬陽離子位於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為是沸石族礦物。
在沸石構造中,金屬陽離子位於晶體構造較大並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土交換作用,而不能影響其晶體骨架,像2(Na,K)(Ca2+)這樣的交換,在沸石中是容易發生的,而在長石中是不能的。這種形式的交換作用,可能是離子交換的極端形式,只限於沸石及類似的礦物。
沸石的水分子與骨架離子和可交換金屬陽離子的聯繫,般都是鬆弛而微弱的。這些水分子比陽離子更自由地可以移動和出入孔道。在有熱力的趨使下,可自由地脫、附而不影響其骨架構造。

7特性

沸石
沸石

  沸石

是沸石族礦物的總稱,是一種含水的鹼金屬或鹼土金屬的鋁硅酸礦物。按沸石礦物特徵分為架狀、片狀、纖維狀及未分類四種,按孔道體系特徵分為一維、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。四面體只能以頂點相連,即共用一個氧原子,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成鋁氧四面體。但鋁原子是三價的,所以在鋁氧四面體中,有一個氧原子的電價沒有得到中和,而產生電荷不平衡,使整個鋁氧四面體帶負電。為了保持中性,必須有帶正電的離子來抵消,一般是由鹼金屬和鹼土金屬離子來補償,如Na、Ca及Sr、Ba、K、Mg等金屬離子。由於沸石具有獨特的內部結構和結晶化學性質,因而使沸石擁有多種可供工農業利用的特性。
世界上已發現的天然沸石一般為淺灰色,有時為肉紅色。拿在手上明顯感到比一般石頭輕,這是因為沸石內部充滿了細微的孔穴和通道,比蜂房要複雜得多。假如把沸石比作旅館,那麼1立方微米的這種「超級旅館」內竟有100萬個「房間」!的這些房間能根據「旅客」(分子和離子)的性別、高矮、胖瘦、嗜好的不同自動開門或擋駕,絕對不會讓「胖子」到「瘦子」的房間去,也不會使高個子與矮個子同住一室。根據沸石的這一特性,人們用它來篩選分子,獲得很好的效果。這對在工業廢液中回收銅、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,也可用於氣體的乾燥、凈化和污水處理等方面。沸石還具有「營養」價值。在飼料中添加5%的沸石粉,能使禽畜生長加快,體壯肉鮮,產蛋率高。
由於沸石的多孔性硅酸鹽性質,小孔中存有一定量的空氣,常被用於防暴沸。在加熱時,小孔內的空氣逸出,起到了氣化核的作用,小氣泡很容易在其邊角上形成。

8防暴沸原理

先說成因:對過熱液體繼續加熱,會驟然而劇烈地發生沸騰現象,這種現象稱為「暴沸」。或叫作「崩沸」。過熱是亞穩狀態。由於過熱液體內部的漲落現象,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。當過熱的液體溫度遠高於沸點時,小氣泡內的飽和蒸氣壓就比外界的壓強高,於是氣泡迅速增長而膨脹,以至由於破裂引起工業容器的爆炸。液體之所以發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象和保證沸騰的平穩狀態,常加沸石,或一端封口的毛細管,因為它們都能防止加熱時的暴沸現象,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,加入止暴劑,不能用已使用過的止暴劑。簡單說就是因為加熱時燒杯中的液體會向上沖,從而造成了一個個冒出來的「噴泉」,劇烈時甚至會濺出傷人,而沸石能夠有效的阻止液體的向上沖,使加熱時液體能夠保持平穩。

9用途

吸附劑和乾燥劑
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,被廣泛應用於工業、農業、國防等部門,並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、乾燥劑、催化劑、水泥混合材料。在石油、化學工業中,用作石油煉製的催化裂化、氫化裂化和石油的化學異構化、重整、烷基化、歧化;氣、液凈化、分離和儲存劑;硬水軟化、海水淡化劑;特殊乾燥劑(乾燥空氣、氮、烴類等)。在輕工行業用於造紙、合成橡膠、塑料、樹脂、塗料充填劑和素質顏色等。在國防、空間技術、超真空技術、開發能源、電子工業等方面,用作吸附分離劑和乾燥劑。在建材工業中,用作水泥水硬性活性摻和料,燒制人工輕骨料,製作輕質高強度板材和磚。在農業上用作土壤改良劑,能起保肥、保水、防止病蟲害的作用。在禽畜業中,作飼料(豬、雞)的添加劑和除臭劑等,可促進牲口成長,提高小雞成活率。在環境保護方面,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。
在醫學上沸石用於血液、尿中氮量的測定。沸石還被開發成為保健用品,用於抗衰老,去除體內積累的重金屬。
在生產中沸石常用於砂糖的精製。
新型牆材(加氣混凝土砌塊)原料
隨著實心黏土磚逐步退出舞台,新型牆體材料應用比例目前已達到80%牆體材料生產企業以煤矸石、粉煤灰、陶粒、爐渣、輕質工業廢渣、重質建築垃圾、沸石等為主料,積極開發新型牆體材料。
在化學蒸餾或加熱實驗當中常用來防止暴沸,這是因為沸石的結構當中有大量的小孔,可作為氣泡的凝結核,使反應液平穩沸騰。可用敲碎至米粒大小的素燒瓷片代替。

10在養豬生產上

促生長性能
一些相關研究已經證明,沸石作為飼料添加劑可以促進豬生長的性能,並且不會對豬的健康產生負面影響。在飼料中加人1%-2%的低比例天然斜發沸石可以對豬的生長產生顯著影響。含有沸石的飼料可以改善豬的平均日增重和/或者飼料轉化率,也可以提高母豬的生產性能。飼料中加人沸石可以減緩食物通過消化道的速度,從而提高營養的利用率。沸石的作用效果主要與以下各參數相關:沸石的種類、純度、地理來源、理化性質、在飼料中佔有的比例以及使沸石的功能持續作用於動物所需要的飼料和環境條件等。
試驗證明,含50%甲酸鈣、8%甲酸和42%天然斜發沸石的飼料添加劑能夠提高豬的生長速度和改善豬的飼料轉化率。在飼料中添加1.5%的上述添加劑,可以使測試組動物的第一個月增重達到13.4 kg,而對照組對應的體重增加是8.3 kg;測試組的日增重是0.47 kg,對照組為0.29 kg;測試組的料肉比是3.13,而對照組為4 .7。
疾病防治
大量試驗已經證明,沸石能夠緩解及預防一些化合物、重金屬以及氨的毒害作用,這對畜產品的食品安全具有重要意義。沸石用於毒枝菌素的結合吸附是一個近年來很熱門的研究課題。另外,也有一些研究表明,飼料中加人沸石對豬腹瀉綜合徵發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理並不明朗。沸石預防豬特定疾病的可能機理,見表2。
減少氨氣排放
由於 豬的 排泄物內含有NH3和N凡十等原因,集約化養豬生產中會產生大量氨氣,過量的氨氣排放會引起環境的污染,豬的生長環境中NH3水平也經常會超標,豬通常會長時間地暴露於高濃度NH3的條件下,這樣會引起豬的嗅覺敏感度發生暫時或者持久的改變,從而進一步影響豬的個體識別、社會關係、採食行為以及其他諸如信號激素等相關氣味的識別,這些在一定程度上都會對豬的生
產和福利產生不利影響[5]。
在飼料中添加沸石能夠吸附胃腸道內的NH4+,使大部分原本要以尿的方式排出體外的氮轉化為以糞便的方式排出體外,從而在降低了大氣內氨氣的濃度。
結語
沸石作為飼料添加劑具有很高的安全性,對於提高豬的生長性能以及疾病的預防都具有很積極的作用,沸石又具有分佈量大、易於開採等特點,因此,作為一種高效低廉的飼料添加劑可以更廣泛的應用於養豬生產。同時,沸石又可以改善養豬生產中的食品安全、環境保護以及動物福利等社會問題,從而使養豬生產更加符合時代的要求。存在的問題:不同種類、純度的沸石在飼料中所佔有的比例與豬的生長和疾病預防的關係,以及沸石在預防疾病過程中阻礙各種毒素的具體生理機制等問題有待於今後進一步研究。

11在水產養殖中

1.作魚、蝦、蟹的飼料添加劑。沸石含有魚、蝦、蟹生長發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和可溶性鹽基形式存在,較易被吸收利用,同時還具有生物酶的多種催化作用。因此,在魚、蝦、蟹飼料中應用沸石具有促進新陳代謝,促進生長,增強抗病力,提高成活率,調節動物的體液和滲透壓,保持酸鹼平衡,凈化水質的功效,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.作水質處理劑。沸石由於內部有很多孔徑、均勻的管狀孔道和內表面積很大的孔穴,因而具有獨特的吸附、篩分、交換陰陽離子以及催化性能。它能吸收水中氨態氮、有機物和重金屬離子,能有效地降低池底硫化氫毒性,調節pH值,增加水中溶解氧,為浮游植物生長提供充足碳素,提高水體光合作用強度,同時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,然後以微泡形式緩慢釋放,可防止水質惡化,防止魚浮頭。沸石粉作水質改良劑時,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。沸石內部有許多孔隙,具有極強的吸附能力,人們在修整漁塘的時候,摒棄過去全部採用黃砂鋪池底的傳統習慣,採用底層鋪黃砂,上層撒放具有陰陽離子交換能力和吸附水中有害物質作用的沸石,這樣可使漁塘水色一年四季都保持綠豆青色或黃綠色,能促進魚類快速健康生長,提高養殖經濟效益。

12安全數據

安全術語
S36Wear suitable protective clothing.穿戴適當的防護服。
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,請立即用大量清水沖洗並徵求醫生意見。

風險術語

R20Harmful by inhalation. 吸入有害。
R36/37Irritating to eyes and respiratory system. 刺激眼睛和呼吸系統。
R36/37/38Irritating to eyes, respiratory system and skin. 刺激眼睛、呼吸系統和皮
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