1756年，瑞典礦物學(xué)家Cronsted發(fā)現(xiàn)了自然界中沸石的存在，但是直到五六十年代，以美國(guó)UCC公司為代表研究成功沸石晶體的水熱合成工藝之后，才開始廣泛利用這種礦物。目前，它已被廣泛的應(yīng)用于日用化工、環(huán)境保護(hù)、石油加工等領(lǐng)域。本文對(duì)沸石的吸附性能和離子交換性及其在水處理中的應(yīng)用研究作一詳細(xì)介紹。

沸石的結(jié)構(gòu)和性能

1、沸石的結(jié)構(gòu)特征

沸石的最基本構(gòu)成單元是硅氧四面體(SiO4)和鋁氧四面體(AlO4)[2，3]在平面內(nèi)表示為圖1，硅氧四面體通過共用所有氧而相互連結(jié)在一起(如圖2所示)。

沸石分子式一般可表示為M2?nO·Al2O3·XSiO2·YH2O，其中n為陽離子M的化合價(jià)。沸石的結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)部分：鋁硅酸鹽格架；格架中相互連接的孔隙(孔道或空穴);在孔道或空穴中的陽離子和水分子。沸石的這種特殊結(jié)構(gòu)決定了其具有吸附性、擴(kuò)散性、離子交換性和催化性等。因此，它是一種優(yōu)良的吸附劑、離子交換劑和催化劑。

2、沸石的吸附性能

沸石不同于一般常用的固體吸附劑(如硅膠，活性碳等)，沸石有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：沸石的選擇性吸附和離效率吸附。

(1)選擇性吸附

在一般情況下，沸石的中心大空穴和孔道都充滿水分子，這些水分子圍繞可交換陽離子形成水化球，通常在350℃或400℃下加熱數(shù)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間，沸石將失去水分。這時(shí)，有效直徑小到足以通過孔道的分子將易于被沸石吸附在脫水孔道和中心空穴中，而直徑過大無法進(jìn)入孔道的分子將被排斥，這就是人們所熟知的“分子篩”的篩分能力。另外，分子篩對(duì)分子的極性大小具有選擇作用，極性越大可越容易被極化的物質(zhì)，就越容易被吸附。

(2)高效吸附

沸石具有高效吸附性，特別是對(duì)水、氨、硫化氫、二氧化碳等分子具有很強(qiáng)的親合力。

3、沸石的離子交換性能

離子交換性能是沸石的另外一個(gè)重要性能。沸石的離子交換一般是在水溶液中進(jìn)行的，其反應(yīng)可用下式表示:

Na(Z)+M(S)=M(Z)+Na(S)

式中，Z表示沸石相，S表示溶液相，M(S)是溶液中取代沸石鈉離子(Na(Z))的交換離子。沸石的離子交換性能，主要與沸石結(jié)構(gòu)中的硅鋁比的高低、沸石孔穴的大小、陽離子位置以及陽離子的性質(zhì)有關(guān)。沸石中陽離子是由于沸石中部分硅被鋁置換后產(chǎn)生不平衡電荷而進(jìn)入的，因此硅鋁比高，則鋁氧四面體所形成的負(fù)電荷少，格架電荷亦低，為平衡這些電荷而進(jìn)入沸石中的陽離子也少，因此影響離子交換。沸石孔穴小，影響構(gòu)型大的離子進(jìn)行交換。對(duì)于不同的陽離子位置和不同的陽離子性質(zhì)，離子交換能力也不一樣。

常見的天然沸石，斜發(fā)沸石和絲光沸石等都具有很高的陽離子交換容量。斜發(fā)沸石的理論交換容量為0.213mol/100g，絲光沸石的理論交換容量為0.223mol/100g。通過交換，改進(jìn)了沸石的吸附和催化性能，從而得到了更廣泛的應(yīng)用。