我們知道沸石是水合鋁硅酸鹽礦物家族的任何成員,它含有堿金屬和堿土金屬。天然沸石以其對(duì)離子交換和可逆脫水的不穩(wěn)定性而著稱。它們具有框架結(jié)構(gòu),其中包含由大金屬陽(yáng)離子(帶正電荷的離子)和水分子占據(jù)的相互連接的空腔。
沸石的基本結(jié)構(gòu)特征是三維四面體骨架,其中每個(gè)氧原子由兩個(gè)四面體共享。如果所有四面體都含有硅,則框架將是中性的;用鋁代替硅會(huì)產(chǎn)生電荷不平衡,并且需要其他金屬離子存在于框架的相對(duì)較大的空腔中。在天然存在的沸石中,這些金屬離子通常是一價(jià)或二價(jià)離子,例如鈉、鉀、鎂、鈣和鋇。沸石類似于長(zhǎng)石除了沸石中的空穴較大且通常存在水外,其他礦物質(zhì)。在結(jié)構(gòu)上,沸石按構(gòu)成骨架的結(jié)構(gòu)單元類型分類,例如環(huán)或多面體類型。由框架單元形成的空腔的直徑范圍從大約2-8埃,這允許離子在空腔之間相對(duì)容易地移動(dòng)。
框架內(nèi)離子和水的這種輕松移動(dòng)允許可逆脫水和陽(yáng)離子交換,性質(zhì)隨化學(xué)和結(jié)構(gòu)差異而有很大差異。脫水特性隨結(jié)構(gòu)中水的結(jié)合方式而變化。對(duì)于那些與水緊密結(jié)合的沸石,在相對(duì)較高的溫度下會(huì)發(fā)生脫水;相比之下,在某些具有大空腔的沸石中,一些水可以在低溫下釋放出來(lái)。離子交換的速率取決于空腔之間的大小和連接。由于特定的結(jié)構(gòu)特性,一些離子被排除在外。
通過(guò)商業(yè)生產(chǎn)具有特定結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征的沸石來(lái)開發(fā)沸石特性。一些商業(yè)用途包括碳?xì)浠衔锏姆蛛x,例如石油精煉;氣體和液體的干燥;通過(guò)選擇性分子吸附控制污染。天然沸石作為空腔填充物存在于鎂鐵質(zhì)火山巖中,可能是流體或蒸汽沉積的結(jié)果。在沉積巖中,沸石作為火山玻璃的蝕變產(chǎn)物出現(xiàn),在碎屑巖中充當(dāng)膠結(jié)材料;它們也存在于海洋來(lái)源的化學(xué)沉積巖中。沸石的廣泛沉積存在于所有海洋中。變質(zhì)巖含有一系列沸石礦物,可用于確定相對(duì)變質(zhì)等級(jí);這些礦物的形成是以長(zhǎng)石和火山玻璃為代價(jià)的。
21世紀(jì)初,世界上最大的生產(chǎn)國(guó)是中國(guó)、韓國(guó)、日本、土耳其和約旦。