高硅沸石产品概述

第一节 产品定义、性能及应用特点

沸石的严格定义应该是一类结晶的硅铝酸盐微孔结晶体，包括天然的和人工合成的。由于沸石加热至熔融时伴有沸腾现象，故称沸石，目前已知的沸石有五十多种。

沸石的特性：

1、吸附性

沸石晶体的大量孔穴和孔道（孔穴度高达40%～50%），使沸石具有很大的比表面积，因此色散力强。结构比较空旷的沸石与活性炭的比表面积（800～1050m2/g）相近，结构空旷度较低的沸石也与微孔硅胶（500～600m2/g）相近，都明显高于活性氧化铝的比表面积（200～400m2/g）。又因为晶体内部各种构造形式的笼内充填着阳离子，并且部分硅（铝）氧四面体骨架氧也有负电荷，在这些离子周围形成强大的电场，从而还有强大的静电引力。晶体内外表面过剩自由能所决定的色散力和这种静电引力的存在，使得沸石有优良的吸附性能。

2、离子交换

由于分子筛骨架中含有大量的AlO4四面体，其骨架是荷负电的。因而在其孔内必然有大量的金属阳离子以平衡其骨架电荷。这些阳离子位于骨架外，是可以进行离子交换的离子源。

3、择形催化

活化处理后的天然沸石，是具有催化性能的。沸石内部的孔穴相互沟通的通道大小决定了吸附质能否被吸附，只有那些分子直径小于通道直径的吸附质才能通过通道进入笼内被吸附。因此在沸石内部进行的许多催化具有择形性。
另外，沸石还是理想的催化剂载体。例如具有催化活性的金属离子可以通过离子交换进入沸石内部，再将其转变为具有催化活性的单质状态或是化合物。这样它们均匀的分布在沸石的笼内，具有极高的分散性，提高了催化剂的利用效率。

天然沸石是一族含水的钠（钾）、钙或镁、钡等的架状铝硅酸盐矿物。其主要化学组分为SiO2、Al2O3、H2O及碱或碱土金属，其中SiO2、Al2O3之和约占沸石总量的50%，碱或碱土金属是以离子状态与SiO2、Al2O3结合在一起，但其数量很有限。不同种类沸石的硅、铝比值是不相同的，如斜发沸石、丝光沸石为高硅型沸石（Si：A1>4）；菱沸石、钙十字沸石属于低硅型沸石（Si：A1<2）。沸石结构中硅铝比值的大、小直接影响着沸石的某些性能，这在沸石开发利用中很是值得注意的。

高硅沸石一般包括Y型、丝光沸石、ZSM-5系列、β沸石等。

1、ZSM-5沸石

SM-5分子筛 英文名 Molecular sieve type ，ZSM-5沸石是一种人工合成的高硅沸石，ZSM-5沸石的骨架含有一种独特的连接四面体构型，它是由八个五圆环组成的。上述单元连接成链，链再交联成一种独特的三维骨架结构，并具有双交联孔道系统。应用ZSM-5分子筛具有一些独特和重要的化学反应及催化性能，在石油化工行业有广泛的用途。主要应用在柴油临氢降凝催化剂，固定床催化裂化催化剂，流动床催化裂化反应上（FCC）的催化剂添加ZSM-5分子筛对提高汽油辛烷值，增加气体的烯烃含量有很大益处。

2、丝光沸石

丝光沸石又称发光沸石。沸石矿的主要矿物组分之一。Si/Al值4.17～5。斜方晶系，晶体呈针状、纤维状，集合体为束状和放射状。白、浅黄或玫瑰色。丝绢光泽或玻璃光泽。硬度3～4，密度2.15g/cm3。在其晶体构造中，不仅有四元环、六元环和八元环等，而且还有五元环，且五元环所占的比例很大。五元环是成对地相互并联的，即两个五元环共用两个四面体。成对的五元环又可通过氧桥与另一成对的五元环相联，这时在相联的地方形成了四元环。若进一步的环又相互联接，这样就可围成八元环和十二元环等。十二元环呈椭圆形，其最大及最小直径为0.7nm和0.58nm，平均为0.66nm。实际上丝光沸石的晶体是由很多这样的层重叠在一起，通过适当的方式联结而成的。因此，在丝光沸石的晶体中就形成很多的直筒形的孔隙，其中直径最大的就是由十二元环组成的直筒形孔隙，这就是丝光沸石的主孔道，其截面呈椭圆形，长轴直径为0.695nm，短轴直径为0.581nm，他们好像是一束束管束似的，这与A，X及Y型沸石的笼形孔隙有很大的不同。实际上，直筒形孔隙是有一定程度的扭转的，各层并不是正对着相重叠在一起的，而是相互间有一定的位移。因此，其平均直径可能从0.66nm减到0.4nm。丝光沸石的主孔道之间也有小孔道相互沟通的，但由于这些小孔道孔径（约0.39nm）很小，一般分子不易进去，只能在主孔道出入。丝光沸石的晶体对分子的出入来说，可认为是二度空间，而A型、X型及Y型则为三度空间。

丝光沸石由于硅铝比高，五元环多，故耐酸性及热稳定性特别高。常温下不溶于酸。常见于中酸性火山岩的裂隙和气孔中，常与斜发沸石共生。

丝光沸石广泛用于化工、环保、农业、轻工、石油、建筑等部门。

3、β沸石

β沸石是一种具有三维十二元环孔结构的高硅沸石，其结构特点是两个四元环和四个五元环的双六元环单位晶穴结构，主孔道直径0.56-0.75nm，热稳性较高。β沸石只有孔道没有笼，因此β沸石可以进行阳离子全部交换。β沸石对环已烷、正已烷，水的吸附量都较大，均在14%以上，这是β沸石一个特殊的性质。

第二节 发展历程

1765年瑞典矿物学家Cronstedt在冰岛玄武岩杏仁状空隙内，首先发现一种白色透明的矿物，因其加热时出现发泡沸腾现象，便以希腊文命名为“zeolite”，意为“沸腾的石头”。

1932年，McBain提出了“分子筛”的概念。表示可以在分子水平上筛分物质的多孔材料。虽然沸石只是分子筛的一种，但是沸石在其中最具代表性，因此“沸石”和“分子筛”这两个词经常被混用。人造沸石是：磺酸化聚苯乙烯； 天然沸石：铝硅酸钠。

关于沸石的定义存在着一个演变的过程，直至1997 年，国际矿物学协会（IMA）新矿物及矿物命名委员会（CNMMN）沸石专业委员会（IZA）采纳了由D.S.Coombs等18名成员署名发表的有关沸石类矿物命名的建议，将沸石矿物定义为一类结晶物质，其结构以四面体连接形成的格架为特征，四面体由4个氧原子围绕一个阳离子组成。
 

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