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沸石的作用原理是什么?

 

 沸石具有架状结构,它们的晶体内,分子像搭架子似地连在一起,中间形成很多空腔。

因为在这些空腔里还存在很多水分子,因此它们是含水矿物。沸石中的水分可以跑出来,但这并不会破坏沸石内部的晶体结构。因此,它还可以再重新吸收水或其他液体。于是,这也成了人们利用沸石的一个特点。
我们可以用沸石来分离炼油时产生的一些物质,可以让它使空气变得干燥,可以让它吸附某些污染物,净化和干燥酒精等等。
沸石的晶体构造可分为三种组分:
(1)铝硅酸盐骨架
(2)骨架内含可交换阳离子M的孔道和空洞
(3)潜在相的水分子,即沸石水。
 
 
沸石的构造与石英、长石的骨架有些不同。石英、长石的骨架构造比较严紧,比重2.6~2.7,而沸石的骨架构造比较空疏,比重2.0~2.2。其脱水后的空腔可大至47%,如菱沸石,甚至50%,如合成沸石。
在长石构造中,金属阳离子都限制在O离子构成的晶体骨架的空隙间,除非晶体被破坏,这些金属阳离子是很难自由活动的。Na或K被Ca交换,必须与Si、Al的置换同时进行,即成对置换,必然引起Si/AI比的改变。
在似长石构造中,金属阳离子位于比较开阔的相互通连的空隙间,比重2.14~2.45,阳离子可以通过构造的通路互相交换,而不破坏其晶体骨架。水方钠石和水霞石曾被认为是沸石族矿物。
在沸石构造中,金属阳离子位于晶体构造较大并相互通连的孔道或空洞间。因此,阳离子可自由地通过孔道发生交换作用,而不能影响其晶体骨架,像2(Na,K)(Ca2+)这样的交换,在沸石中是容易发生的,而在长石中是不能的。这种形式的交换作用,可能是离子交换的极端形式,只限于沸石及类似的矿物。
沸石的水分子与骨架离子和可交换金属阳离子的联系,一般都是松弛而微弱的。这些水分子比阳离子更自由地可以移动和出入孔道。在有热力的趋使下,可自由地脱、附而不影响其骨架构造。
 
沸石是一族含水的具有连通孔道的呈架状构造的碱或碱土金属的硅酸盐或铝硅酸盐矿物;沸石具有很好的热稳定性和吸附性能,广泛应用于农业、石油化工、建筑材料、陶瓷、冶金、医药、催化剂、洗涤助剂、日用化工等领域。
 
沸石的作用
1)离子交换性能
离子交换性是沸石岩重要性质之一。在沸石晶格中的空腔(孔穴)中K、Na、Ca等阳离子和水分子与格架结合得不紧,极易与其周围水溶液里的阳离子发生交换作用,交换后的沸石晶格结构也不被破坏。据查证,国内斜发沸石岩对NH4+离子的总交换容量在50~220 mmol/100g之间变化,对K+离子的总交换容量一般为9~26mg/g,极少数在9mg/g以下。而丝光沸石岩对NH4+离子的总交换容量一般为50~188.73 mmol/100g,K+离子的总交换容量一般为1~9mg/g,极少数在9mg/g以上。故斜发沸石岩和丝光沸石岩的NH4+离子交换容量均较高,但丝光沸石岩的K+离子交换容量大大低于斜发沸石岩,这是由其内部结构等特点决定的。
2)吸附性能
沸石具有很大的比表面积(500-1000米2/克)因而能产生较大的扩散力,故可用作出色的吸附剂。沸石晶格内部有很多大小均一的孔穴和通道,孔穴之间通过开口的通道彼此相连,并与外界沟通。孔穴和通道的体积占沸石晶体体积的50%以上,其中存在许多脱附自由的沸石水。沸石水的多少,可随外界的温度和湿度变化而变化。沸石内部的孔穴和通道,在一定的物理化学条件下,具有精确而固定的直径(约3~11Å),各种不同的沸石,其直径也不同,小于这个直径的物质能被其吸附,而大于这个直径的物质则被排除在外。这种现象被称为“分子筛”作用。但并非所有的沸石都能起分子筛作用。有些沸石孔径太小,就没有筛分分子的作用。沸石不仅具有吸附水的性能,而且还具有吸附氧化钙、SO2、F2、氮、铵、甲醇以及吸附放射性物质的性能,以浙江缙云丝光沸石为例,吸附氧化钙为150.01mg/g,吸铵量177.47mmol/100g,SO2120mg/g,氮吸附量(STP)为12.93~17.11 mg/g,甲醇55.4 mg/g。
3)催化性能
由于沸石具有很大的吸附表面,可以容纳相当多数量的吸附物质,因而能促使化学反应在其表面上进行,所以沸石又作为有效的催化剂和催化载体。另外沸石有铝硅酸盐格架电荷,以及平衡离子的电荷,具有局部的高电场和格架上产生酸性位置,因而可以用于加速碳离子型的反应。此外它还能以交换具有催化活性的金属(如Pt、Pa等),使其能得到最大程度的分散,保持高的活性同时又可减少贵金属的用量。
4)热稳定性
沸石岩的热稳定性与沸石岩中所含阳离子的种类、沸石的硅铝比、沸石的内部结构等因素有关。就热稳定性而言,一般丝光沸石优于斜发沸石和方沸石,钾型或钠型沸石优于钙型或钾钙型斜发沸石,(我国斜发沸石属于后者),高硅沸石优于低硅沸石(我国的沸石属于高硅沸石)。国内沸石岩的热稳定性各地不一。浙江省缙云县老虎头斜发沸石,连续加热650℃12小时后,原有结构大部保持,但加热到800℃时结构全被破坏。而河北省围场斜发沸石岩加热到350-450℃,沸石晶体结构受到破坏,而河北赤城独石口斜发沸石岩加热到600-700℃(保温2小时),沸石晶体结构才完全破坏。
5)耐酸性
沸石具有良好的耐酸性,如山东省斜发沸石和丝光沸石岩用不同浓度的盐酸在100°C下处理2小时,试验证明两者均有较强的耐酸性,其中斜发沸石在4N盐酸中处理,丝光沸石在10mol/L盐酸中处理,晶体结构均未被破坏。
此外,沸石还具有化学反应性、远红外辐射性、可逆脱水性等工艺性能。

 

 

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