沸石分子篩是一族含堿或堿土金屬、具有連通孔道并呈架狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽或硅鋁酸鹽礦物，是天然分子篩（即沸石礦）與人工合成分子篩的總稱(chēng)。其天然礦物由瑞典礦物學(xué)家A.F.Cronstedt于1756年研究銅礦時(shí)發(fā)現(xiàn)，從此便揭開(kāi)了人類(lèi)研究沸石的序幕。由于沸石礦具有大小固定且規(guī)整的孔道，且孔穴、孔徑分布窄，只允許小分子物質(zhì)進(jìn)入孔穴，從而使Zeolite具有分子篩的作用；再加上沸石分子篩具有陽(yáng)離子交換、催化、耐酸耐熱等特性，因此可廣泛應(yīng)用于石油化工、水泥建材、有機(jī)合成、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)牧業(yè)等領(lǐng)域。于1948年在水熱條件下首次人工合成了沸石分子篩，而中國(guó)在沸石研究方面起步較晚，于1972年在浙江首次發(fā)現(xiàn)了具有工業(yè)價(jià)值的沸石礦床，目前共發(fā)現(xiàn)的沸石礦藏400余處，主要分布在華東、華北、中南地區(qū)等地，對(duì)沸石分子篩的應(yīng)用上還處于研究階段。利用其天然礦物及人工合成的分子篩，進(jìn)行氣體分離、煙氣凈化、去除水中氨氮及重金屬離子、除氟、清除水面油污等，可達(dá)到較好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

一、沸石分子篩結(jié)構(gòu)

沸石分子篩的基本結(jié)構(gòu)單元是由共享頂點(diǎn)面而形成的TO4四面體骨架結(jié)構(gòu)（T代表Si或Al等元素），結(jié)構(gòu)如圖1所示。其化學(xué)通式：M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O。式中M代表K、Na、Ca、Sr、Ba等堿或堿土金屬元素，n為金屬離子化合價(jià)。以Si（或Al）原子為四面體中心，采用sp3雜化與頂點(diǎn)處4個(gè)氧原子成鍵，相鄰四面體之間共用一個(gè)氧原子，并通過(guò)氧橋相互聯(lián)結(jié)；多個(gè)四面體首尾相連，即形成多元環(huán)的次級(jí)結(jié)構(gòu)單元（如六元環(huán)、八元環(huán)、十元環(huán)和十二元環(huán)等），連接的四面體越多，沸石分子篩孔徑越大。多個(gè)多元環(huán)再通過(guò)復(fù)雜的三維聯(lián)結(jié)，就形成了沸石分子篩中空的骨架結(jié)構(gòu)。由骨架結(jié)構(gòu)、骨架中相互連接的孔道體系及孔道中的陽(yáng)離子和水分子差異不同形成了沸石分子篩系列礦物。

二、沸石分子篩的性質(zhì)

1、陽(yáng)離子交換性

當(dāng)沸石分子篩結(jié)構(gòu)中部分Si被Al所取代后，為平衡其晶體骨架中Al-O四面體多余的電子，使其達(dá)到電中性，需要部分金屬陽(yáng)離子來(lái)平衡其內(nèi)部電荷。這些金屬陽(yáng)離子與沸石分子篩晶格結(jié)合力很弱，可在骨架結(jié)構(gòu)中自由移動(dòng)，在一定條件下，易與其他陽(yáng)離子進(jìn)行可逆交換，發(fā)生離子交換作用，而不破壞沸石分子篩原有晶格。

沸石分子篩的陽(yáng)離子交換一般是在水溶液中進(jìn)行的，其反應(yīng)如下式：M2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O+M′（l）?M′2/nO·Al2O3·xSiO2·yH2O+M（l）式中，l代表溶液相，M是存在于沸石相中的K+、Na+、Ca2+等金屬陽(yáng)離子，M′是溶液中可取代M的交換陽(yáng)離子。離子交換的強(qiáng)度大小是由交換容量體現(xiàn)的，沸石分子篩的離子交換容量決定于晶體結(jié)構(gòu)可交換的金屬陽(yáng)離子M，其含量越多，交換容量越大，即一般硅鋁比越低，離子交換作用越強(qiáng)（但晶格中至少要有一個(gè)Si，不能被完全取代）。另外，交換容量還與晶格中孔徑大小、交換條件、交換陽(yáng)離子位置及半徑等有關(guān)，不同沸石分子篩對(duì)不同金屬陽(yáng)離子表現(xiàn)出不同的離子交換容量。利用沸石分子篩的陽(yáng)離子交換性，可改變其孔徑尺寸，調(diào)節(jié)晶體內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度及表面酸性等，繼而改變沸石分子篩的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在廢水處理、海水淡化和制備多相催化劑等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2、選擇吸附性

沸石分子篩的晶體內(nèi)部存在大量與外界相通的孔穴與孔道，使其具有較大的比表面積、孔體積及強(qiáng)大的色散力，且在沸石構(gòu)架中，陰離子晶格上的負(fù)電荷與平衡陽(yáng)離子的正電荷中心在空間上不平衡，使晶體內(nèi)部陽(yáng)離子周?chē)哂休^強(qiáng)的電場(chǎng)，從而具有較大的靜電引力。在色散力與靜電力共同作用下，沸石分子篩具有很強(qiáng)的吸附作用，對(duì)極性強(qiáng)及不飽和的吸附質(zhì)分子（如H2O、CO、CO2、H2S和NH3等）具有較強(qiáng)的親和力，即使在較高溫度、較低相對(duì)濕度和低濃度條件下仍能有效吸附。且由于沸石分子篩內(nèi)部孔徑大小均勻整齊（約為0.3~1.1nm），孔徑分布窄，只有直徑較沸石孔道小的分子才能進(jìn)入孔穴中被吸附，大分子則被排除在外，因此還具有選擇性吸附部分小分子物質(zhì)的特性。沸石分子篩的選擇吸附性，可廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中的煙氣凈化、氣體吸附分離、干燥和水面除油等。

3、其他性質(zhì)

沸石分子篩還具有良好的催化性、熱穩(wěn)定性、耐酸性、反應(yīng)活性及耐輻射性能等。