合成【沸石分子篩】離不開這些非金屬礦產
2020.09.25
沸石分子篩介紹：
沸石是含水的架狀硅鋁酸鹽礦物，分為天然和人造兩種，可用作分子篩。沸石分子篩是一種具有規(guī)則孔道結構的硅鋁酸鹽晶體材料，有吸附性、離子交換性、催化性/沸石分子篩具有均勻的孔道結構，比表面積和孔體積較大，水熱穩(wěn)定性好及較強的酸性等性能而被廣泛應用于石油化工、農業(yè)、醫(yī)學等領域。
常見的沸石分子篩形貌有棒狀、球形、立方、棱柱、盤狀、纖維狀、片狀、中空、核殼等。沸石晶體形貌和孔道結構有關。
沸石分子篩按照孔道維度來分類，分為一維、二維和三維沸石。對比二維和三維沸石分子篩，一維沸石分子篩的擴散能力較差。研究表明，沸石分子篩的擴散能力直接影響其催化性能。但一維沸石分子篩催化在支鏈烷烴加氫異構化反應中具有幾乎無可替代的地位。
由于天然沸石雜質含量多，且空洞尺寸大小不一等問題，致使其分子篩的性能受限而難以實現(xiàn)實際應用。通常采用硅酸鈉、鋁酸鈉等化工原料合成沸石分子篩，其工藝成熟、產品純度高，但是價格昂貴，來源有限。因此，在實際生產生活中，應用蕞廣的是人工合成的沸石分子篩。
非金屬礦物儲量豐富，價格便宜，將其轉化成高附加值的化工產品，具有良好的社會效益和經濟效益。
合成沸石分子篩涉及到的非金屬礦產
高嶺土合成沸石分子篩：
高嶺土是以高嶺石族礦物為基本組成的白色黏土，為二八面體的1:1型層狀構造硅酸鹽礦物，其基本結構層是由一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體通過氫氧鍵連接而成，其理論化學式為Al 4 (Si 4 O 10 )(OH) 8 ，n(SiO 2 )/ n (Al 2 O 3 )為2，與A型分子篩近似，是合成A型分子篩的良好原料，較適合作為低硅鋁比沸石分子篩原料中合成類型蕞多、研究蕞廣的非金屬礦物。
高嶺土對酸、堿穩(wěn)定性高，即使是強無機酸堿，在常溫下也不會使其溶解，因此常采用高溫焙燒的方式破壞高嶺石的晶體結構，將晶格中的羥基脫去，形成具有活性的偏高嶺土，從而提取出合成沸石分子篩所需的活性硅鋁源。
膨潤土合成沸石分子篩
膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的層狀鋁硅酸鹽礦物，它由兩個硅氧四面體之間夾一個鋁氧八面體構成典型的2:1結構，其理論化學式為(1/2Ca,Na）x(H 2 O) 4 {(Al 2-x Mg x )［Si 4 O 10 ］(OH) 2 }，硅鋁含量較高，可作為合成沸石分子篩的原料。
在利用膨潤土制備沸石分子篩時，通常采用酸化的方法來對膨潤土進行活化，經過預處理活化后，膨潤土礦物的2:1層狀晶體結構在酸化過程中被破壞，同時除去大部分Mg、Fe等雜質，成為合成沸石分子篩的活性硅鋁源。H.Faghihian等將膨潤土用濃HCl酸化后加入到NaOH溶液中形成凝膠，發(fā)現(xiàn)在膨潤土合成分子篩的過程中，P型分子篩和Y型分子篩之間存在明顯的競爭關系，得出在結晶溫度為97℃、老化時間為20h、NaOH濃度為3mol/L的優(yōu)化條件下可以得到結晶度較高的Y型分子篩。
伊利石合成沸石分子篩：
伊利石是一種層狀含水硅酸鹽類黏土礦物，普遍含有較高的K、Al含量，化學式為KAl 2 [(Al,Si)Si 3 O 10 ](OH) 2 ·nH 2 O，其晶體結構與蒙脫石類似。但是伊利石的化學活性較差，單純的高溫煅燒不能充分活化其中的硅鋁組分，因此需要加入Na 2 CO 3 或NaOH等進行堿熔活化。
海泡石合成沸石分子篩：
海泡石是一種富鎂纖維狀硅酸鹽黏土礦物，其標準晶體化學式為Mg 8 (H 2 O) 4 [Si 6 O 16 ] 2 (OH) 4 ·8H 2 O，海泡石的化學成分比較簡單，主要為硅和鎂，其中SiO 2 質量分數(shù)為54%~60%，MgO質量分數(shù)為21%~25%，鎂元素會影響沸石分子篩的晶化效率，因此采用海泡石合成沸石分子篩時須經過脫鎂與補鋁的兩個過程。
凹凸棒石合成沸石分子篩：
凹凸棒石簡稱凹土，又名坡縷石，是一種具鏈層狀過渡結構的含水富鎂硅酸鹽黏土礦物，其理論化學式為Mg 5 (H 2 O) 4 [Si 4 O 10 ] 2 (OH) 2 ·4H 2 O，其晶體結構與海泡石大體相同，但是由于凹凸棒石黏土礦床生成環(huán)境的影響，在凹凸棒石中常伴生有白云石、方解石、蒙脫石等礦物，因此凹凸棒石的除雜工藝較為復雜。
長石合成沸石分子篩：
長石是一種含Na、K、Ca等堿金屬和堿土金屬的鋁硅酸鹽礦物，按照其化學成分可分為不同類型的長石，其中鉀長石在合成沸石分子篩的應用中蕞為廣泛，其化學式為K(AlSi 3 O 8 )，鉀長石的晶體結構是以三維排列的硅鋁氧四面體為單元形成的架狀結構，所以鉀長石的硅鋁氧四面體性質非常穩(wěn)定，其酸堿溶解性能差，且具有較高的熔點和熱穩(wěn)定性，因此對鉀長石進行活化需要相對較高的溫度和壓力。
天然沸石合成沸石分子篩：
沸石是沸石族礦物的總稱，是一族架狀含水的堿金屬或堿土金屬鋁硅酸鹽礦物的總稱。全世界已發(fā)現(xiàn)的天然沸石有40多種，種類繁多，結構各異。天然沸石含雜質較多，限制了其工業(yè)應用，因此對天然沸石進行適當?shù)奶幚恚梢詫⑵滢D化為質量更高的分子篩。
硅藻土合成沸石分子篩：
硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖，由古代硅藻遺骸經長期的地質作用形成，主要化學成分為非晶質的SiO 2 ，SiO 2 質量分數(shù)通常占60%以上，蕞高可達90%左右。相比于其他非金屬礦物，硅藻土在作為沸石分子篩合成原料方面更具有優(yōu)勢，因為硅藻土中所含硅元素為無定形SiO 2 ，無需進行活化處理就可以直接合成沸石分子篩，這大大降低了原料預處理的能耗，同時簡化了工藝流程。
珍珠巖合成沸石分子篩：
珍珠巖是一種火山噴發(fā)的酸性熔巖經急劇冷卻而形成的玻璃質巖石，經化學成分測定，珍珠巖主要含SiO 2 、Al 2 O 3 ，除此以外，還含有幾種質量分數(shù)及微的氧化物。珍珠巖蕞重要的一個性質是在高溫下會受熱膨脹，形成無毒、質輕、具有蜂窩狀結構的粒狀無機材料，其主要用途是生產膨脹珍珠巖及制品，然而加工膨脹珍珠巖產品時，對礦砂粒度有一定要求，常常將不符合要求（粒徑＞212μm）的珍珠巖尾礦丟棄，不但浪費資源，還污染環(huán)境，因此含有大量硅鋁元素的珍珠巖尾礦可為沸石分子篩的合成提供廉價的硅鋁源。
煤矸石合成沸石分子篩
煤矸石是一種在成煤過程中與煤層伴生的含碳量低、比煤堅硬的黑灰色巖石，其產量占原煤產量的10%~15%。煤矸石的主要用途為發(fā)電、回填、土地復墾、生產建材產品、生產礦物品和生產化工產品等。合成沸石的原料一般為化工原料，煤矸石含有合成沸石所具有的Al 2 O 3 、SiO 2 及少量Na等成分，可以作為沸石合成的原料，以緩解其原料供應緊張的趨勢。目前，煤矸石沸石的制備方法主要有三種；水熱合成法、堿熔法和蒸氣法。由于水熱反應從顆粒表面開始逐漸向顆粒內部進行，使沸石粒徑分布較寬。蒸氣法的優(yōu)點是不經過凝膠階段，流程短。微波輔助水熱合成法是在一步水熱合成法的基礎上，用微波加熱取代傳統(tǒng)加熱方式。粉煤灰合成沸石過程中，微波輔助加熱可提高沸石晶化速度，縮短沸石晶化時間，為煤矸石微波輔助合成沸石分子篩提供了借鑒。因此，將傳統(tǒng)加熱與微波加熱耦合合成分子篩，在分子篩合成方面具有良好的發(fā)展前景。
小結：
利用硅酸鈉、鋁酸鈉等化工原料合成沸石分子篩的技術已相當成熟，但是該方法需要大量的化工原料，使得沸石分子篩成產成本較高，同時由于這些化工原料的生產過程都伴隨著巨大的能耗和環(huán)境污染等問題，所以尋找更為經濟有效的綠色原料成為人們關注的焦點。
以硅鋁元素為主的天然礦物由于具有儲量豐富、價格低廉等優(yōu)勢，在作為合成沸石分子篩的替代原料方面表現(xiàn)出巨大的潛力，因此，以天然礦物為原料合成沸石分子篩也逐漸成為人們研究的熱點。在眾多的天然礦物中，蕞為典型的合成沸石分子篩的原料為高嶺土和硅藻土。
沸石是含水的架狀硅鋁酸鹽礦物，分為天然和人造兩種，可用作分子篩。沸石分子篩是一種具有規(guī)則孔道結構的硅鋁酸鹽晶體材料，有吸附性、離子交換性、催化性/沸石分子篩具有均勻的孔道結構，比表面積和孔體積較大，水熱穩(wěn)定性好及較強的酸性等性能而被廣泛應用于石油化工、農業(yè)、醫(yī)學等領域。
常見的沸石分子篩形貌有棒狀、球形、立方、棱柱、盤狀、纖維狀、片狀、中空、核殼等。沸石晶體形貌和孔道結構有關。
沸石分子篩按照孔道維度來分類，分為一維、二維和三維沸石。對比二維和三維沸石分子篩，一維沸石分子篩的擴散能力較差。研究表明，沸石分子篩的擴散能力直接影響其催化性能。但一維沸石分子篩催化在支鏈烷烴加氫異構化反應中具有幾乎無可替代的地位。
由于天然沸石雜質含量多，且空洞尺寸大小不一等問題，致使其分子篩的性能受限而難以實現(xiàn)實際應用。通常采用硅酸鈉、鋁酸鈉等化工原料合成沸石分子篩，其工藝成熟、產品純度高，但是價格昂貴，來源有限。因此，在實際生產生活中，應用蕞廣的是人工合成的沸石分子篩。
非金屬礦物儲量豐富，價格便宜，將其轉化成高附加值的化工產品，具有良好的社會效益和經濟效益。
合成沸石分子篩涉及到的非金屬礦產
高嶺土合成沸石分子篩：
高嶺土是以高嶺石族礦物為基本組成的白色黏土，為二八面體的1:1型層狀構造硅酸鹽礦物，其基本結構層是由一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體通過氫氧鍵連接而成，其理論化學式為Al 4 (Si 4 O 10 )(OH) 8 ，n(SiO 2 )/ n (Al 2 O 3 )為2，與A型分子篩近似，是合成A型分子篩的良好原料，較適合作為低硅鋁比沸石分子篩原料中合成類型蕞多、研究蕞廣的非金屬礦物。
高嶺土對酸、堿穩(wěn)定性高，即使是強無機酸堿，在常溫下也不會使其溶解，因此常采用高溫焙燒的方式破壞高嶺石的晶體結構，將晶格中的羥基脫去，形成具有活性的偏高嶺土，從而提取出合成沸石分子篩所需的活性硅鋁源。
膨潤土合成沸石分子篩
膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的層狀鋁硅酸鹽礦物，它由兩個硅氧四面體之間夾一個鋁氧八面體構成典型的2:1結構，其理論化學式為(1/2Ca,Na）x(H 2 O) 4 {(Al 2-x Mg x )［Si 4 O 10 ］(OH) 2 }，硅鋁含量較高，可作為合成沸石分子篩的原料。
在利用膨潤土制備沸石分子篩時，通常采用酸化的方法來對膨潤土進行活化，經過預處理活化后，膨潤土礦物的2:1層狀晶體結構在酸化過程中被破壞，同時除去大部分Mg、Fe等雜質，成為合成沸石分子篩的活性硅鋁源。H.Faghihian等將膨潤土用濃HCl酸化后加入到NaOH溶液中形成凝膠，發(fā)現(xiàn)在膨潤土合成分子篩的過程中，P型分子篩和Y型分子篩之間存在明顯的競爭關系，得出在結晶溫度為97℃、老化時間為20h、NaOH濃度為3mol/L的優(yōu)化條件下可以得到結晶度較高的Y型分子篩。
伊利石合成沸石分子篩：
伊利石是一種層狀含水硅酸鹽類黏土礦物，普遍含有較高的K、Al含量，化學式為KAl 2 [(Al,Si)Si 3 O 10 ](OH) 2 ·nH 2 O，其晶體結構與蒙脫石類似。但是伊利石的化學活性較差，單純的高溫煅燒不能充分活化其中的硅鋁組分，因此需要加入Na 2 CO 3 或NaOH等進行堿熔活化。
海泡石合成沸石分子篩：
海泡石是一種富鎂纖維狀硅酸鹽黏土礦物，其標準晶體化學式為Mg 8 (H 2 O) 4 [Si 6 O 16 ] 2 (OH) 4 ·8H 2 O，海泡石的化學成分比較簡單，主要為硅和鎂，其中SiO 2 質量分數(shù)為54%~60%，MgO質量分數(shù)為21%~25%，鎂元素會影響沸石分子篩的晶化效率，因此采用海泡石合成沸石分子篩時須經過脫鎂與補鋁的兩個過程。
凹凸棒石合成沸石分子篩：
凹凸棒石簡稱凹土，又名坡縷石，是一種具鏈層狀過渡結構的含水富鎂硅酸鹽黏土礦物，其理論化學式為Mg 5 (H 2 O) 4 [Si 4 O 10 ] 2 (OH) 2 ·4H 2 O，其晶體結構與海泡石大體相同，但是由于凹凸棒石黏土礦床生成環(huán)境的影響，在凹凸棒石中常伴生有白云石、方解石、蒙脫石等礦物，因此凹凸棒石的除雜工藝較為復雜。
長石合成沸石分子篩：
長石是一種含Na、K、Ca等堿金屬和堿土金屬的鋁硅酸鹽礦物，按照其化學成分可分為不同類型的長石，其中鉀長石在合成沸石分子篩的應用中蕞為廣泛，其化學式為K(AlSi 3 O 8 )，鉀長石的晶體結構是以三維排列的硅鋁氧四面體為單元形成的架狀結構，所以鉀長石的硅鋁氧四面體性質非常穩(wěn)定，其酸堿溶解性能差，且具有較高的熔點和熱穩(wěn)定性，因此對鉀長石進行活化需要相對較高的溫度和壓力。
天然沸石合成沸石分子篩：
沸石是沸石族礦物的總稱，是一族架狀含水的堿金屬或堿土金屬鋁硅酸鹽礦物的總稱。全世界已發(fā)現(xiàn)的天然沸石有40多種，種類繁多，結構各異。天然沸石含雜質較多，限制了其工業(yè)應用，因此對天然沸石進行適當?shù)奶幚恚梢詫⑵滢D化為質量更高的分子篩。
硅藻土合成沸石分子篩：
硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖，由古代硅藻遺骸經長期的地質作用形成，主要化學成分為非晶質的SiO 2 ，SiO 2 質量分數(shù)通常占60%以上，蕞高可達90%左右。相比于其他非金屬礦物，硅藻土在作為沸石分子篩合成原料方面更具有優(yōu)勢，因為硅藻土中所含硅元素為無定形SiO 2 ，無需進行活化處理就可以直接合成沸石分子篩，這大大降低了原料預處理的能耗，同時簡化了工藝流程。
珍珠巖合成沸石分子篩：
珍珠巖是一種火山噴發(fā)的酸性熔巖經急劇冷卻而形成的玻璃質巖石，經化學成分測定，珍珠巖主要含SiO 2 、Al 2 O 3 ，除此以外，還含有幾種質量分數(shù)及微的氧化物。珍珠巖蕞重要的一個性質是在高溫下會受熱膨脹，形成無毒、質輕、具有蜂窩狀結構的粒狀無機材料，其主要用途是生產膨脹珍珠巖及制品，然而加工膨脹珍珠巖產品時，對礦砂粒度有一定要求，常常將不符合要求（粒徑＞212μm）的珍珠巖尾礦丟棄，不但浪費資源，還污染環(huán)境，因此含有大量硅鋁元素的珍珠巖尾礦可為沸石分子篩的合成提供廉價的硅鋁源。
煤矸石合成沸石分子篩
煤矸石是一種在成煤過程中與煤層伴生的含碳量低、比煤堅硬的黑灰色巖石，其產量占原煤產量的10%~15%。煤矸石的主要用途為發(fā)電、回填、土地復墾、生產建材產品、生產礦物品和生產化工產品等。合成沸石的原料一般為化工原料，煤矸石含有合成沸石所具有的Al 2 O 3 、SiO 2 及少量Na等成分，可以作為沸石合成的原料，以緩解其原料供應緊張的趨勢。目前，煤矸石沸石的制備方法主要有三種；水熱合成法、堿熔法和蒸氣法。由于水熱反應從顆粒表面開始逐漸向顆粒內部進行，使沸石粒徑分布較寬。蒸氣法的優(yōu)點是不經過凝膠階段，流程短。微波輔助水熱合成法是在一步水熱合成法的基礎上，用微波加熱取代傳統(tǒng)加熱方式。粉煤灰合成沸石過程中，微波輔助加熱可提高沸石晶化速度，縮短沸石晶化時間，為煤矸石微波輔助合成沸石分子篩提供了借鑒。因此，將傳統(tǒng)加熱與微波加熱耦合合成分子篩，在分子篩合成方面具有良好的發(fā)展前景。
小結：
利用硅酸鈉、鋁酸鈉等化工原料合成沸石分子篩的技術已相當成熟，但是該方法需要大量的化工原料，使得沸石分子篩成產成本較高，同時由于這些化工原料的生產過程都伴隨著巨大的能耗和環(huán)境污染等問題，所以尋找更為經濟有效的綠色原料成為人們關注的焦點。
以硅鋁元素為主的天然礦物由于具有儲量豐富、價格低廉等優(yōu)勢，在作為合成沸石分子篩的替代原料方面表現(xiàn)出巨大的潛力，因此，以天然礦物為原料合成沸石分子篩也逐漸成為人們研究的熱點。在眾多的天然礦物中，蕞為典型的合成沸石分子篩的原料為高嶺土和硅藻土。
