沸石

LTA型（左）和FAU型（右）沸石的骨架結構

沸石（英語：zeolite）是一类微孔结晶铝硅酸盐矿物，常用作商业吸附剂和催化剂。沸石族礦物主要由硅、铝和氧组成，其化學通式為Mn+
1/n(AlO
2)−
(SiO
2)
x･yH
2O，其中Mn+
1/n是金属离子或H⁺。

该术语最初由瑞典矿物学家阿克塞尔·弗雷德里克·克龙斯泰特 (Axel Fredrik Cronstedt) 于 1756 年提出。他观察到，快速加热一种被认为是沸石的物质，会产生大量蒸汽，这些蒸汽来自该物质吸附的水分。因此命名为沸石（瑞典語：zeolit），其名稱來自希腊文“ζέω (zéō)”（意思為沸騰的）和“λίθος (líthos)”（意思為石頭）。此后人们对沸石的研究不断深入。

• 
  Mesolith
• 
  Epistilbit (粉紅色), 片沸石(Heulandit-Ca) (無色片狀)
• 
  毛沸石
• 
  镁碱沸石(Ferrierit-Mg)
• 
  斜发沸石(Klinoptilolith-Na)
• 
  輝沸石 (粉紅色)

生產

第一個合成沸石結構由理查德·巴勒於1948年報道。 工業上重要的沸石是透過合成方法生產的。據報道，已有超過200種合成沸石。

合成沸石相比天然沸石具有一些關鍵優勢。合成沸石以均一、純相的狀態生產。此外，還可以合成自然界中不存在的沸石結構，例如著名的A型沸石。製造沸石的主要原料是二氧化矽和氧化鋁，它們是地球上最豐富的礦物成分之一。

沸石天然存在，但也進行大規模工業生產。截至2018年12月，已鑑定出253種獨特的沸石骨架，已知天然存在的沸石骨架超過40種。 每一種新獲得的沸石結構都需經過國際沸石協會結構委員會（International Zeolite Association Structure Commission，IZA-SC）的審查，並獲得一個三字母名稱。

特徵

性質

沸石（Mordenite）骨架的微觀結構，由共角連接的SiO
4四面體組裝而成。鈉以骨架外陽離子的形式存在（綠色）。矽原子可被鋁或其他四價金屬部分取代。

沸石是白色固體，具有普通的操作性能，與許多常見的鋁矽酸鹽礦物（例如長石）類似。它們的通式為(MAlO
2)(SiO
2)
x(H
2O)
y，其中M⁺通常為H⁺和Na⁺。 Si/Al 比值可變，這為調節其性質提供了一種方法。 Si/Al比值高於約3的沸石被歸類為高矽沸石，這類沸石往往具有更強的疏水性。由於沸石具有離子交換性質，H⁺和Na⁺可被多種陽離子取代。陽離子的性質會影響沸石的孔隙率。

沸石具有微孔結構，典型孔徑為0.3–0.8 nm。與大多數鋁矽酸鹽一樣，其骨架由鋁原子和矽原子通過氧化物連接而成。這種連接形成了一個三維網絡，包含Si-O-Al、Si-O-Si和Al-O-Al鍵。鋁中心帶負電荷，需要陽離子伴隨。這些陽離子在材料形成過程中發生水合作用。水合陽離子會破壞原本緻密的Si-O-Al、Si-O-Si和Al-O-Al鍵網絡，從而形成規則的、充滿水的空腔。由於沸石的多孔性，水可以通過這些通道逸出。由於沸石骨架的剛性，水的流失不會導致空腔和通道的坍塌。

沸石能夠在剛性固體內部形成空隙，使其成為催化劑和分子篩的理想選擇。由於其骨架內部的共價鍵，沸石具有很高的物理和化學穩定性。有些沸石具有疏水性，因此適合吸附疏水性分子，例如烴類。此外，與天然沸石不同，高矽沸石可以進行H+
交換，並被用作固體酸催化劑。特別是高矽沸石，其酸性足以質子化烴類。它們被用於石油化學工業的流化催化裂化反應。裂解催化劑容易被碳質殘渣毒化。 這些殘渣可以燃燒而不會對沸石主體造成重大損害，這進一步證明了沸石的穩定性。在某些應用中，這種再生沸石被稱為平衡催化劑。

晶体结构中有许多空腔（笼）和连接空腔的通道，水分子位于其中，可由通道运输。晶体和集合体形态及解理随着晶体结构的不同而异，一般呈浅色，玻璃光泽，硬度3－3.5，比重2.0－2.4。

沸石族矿物由低温热液作用形成，见于喷出岩，特别是玄武岩的孔隙中，也见于沉积岩、变质岩及热液矿床和某些近代温泉沉积中。

孔隙率

1932年，McBain提出了“分子筛”（Molecular sieve）的概念。表示可以在分子水平上筛分物质的多孔材料。沸石用作分子筛，可以吸取或过滤其他物质的分子。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。

分子筛一詞指的是這類材料的一種特殊性質，即主要基於尺寸排阻過程選擇性地分選分子的能力。這源自於其分子尺寸的規則孔結構。能夠進入沸石孔道的分子或離子物種的最大尺寸由通道的尺寸控制。通常，通道尺寸由孔徑的環大小來定義，例如，「八環」指的是由八個四面體配位的矽（或鋁）原子和八個氧原子構成的閉合環。由於多種原因，這些環並非總是完全對稱的，這些原因包括構成整體結構所需的單元間鍵合引起的應變，以及環中某些氧原子與結構內陽離子的配位。因此，許多沸石的孔道並非圓柱形。

除了天然产品外，也可由人工合成，人造沸石是：磺酸化聚苯乙烯，天然沸石：铝硅酸钠。

用途

兩種不同的天然沸石

活性氧化鋁有時也被用作沸石使用

4А 分子篩(人造分子篩)

• 吸附剂和干燥剂
• 催化剂或助催化剂
• 洗涤剂
• 建筑材料
• 其他用途（污水处理、土壤改良剂、肥料添加剂、药物载体、饲料添加剂、防止蒸餾過程中出現暴沸等）

A型沸石

A型沸石，代号LTA，是应用最广的人造硅酸盐沸石。典型品种组成为|Na₁₂(H₂O)_27/8|[Al₁₂Si₁₂O₄₈]，|Na₆₄(H₂O)_326.71|[Si₉₆Al₉₆O₃₈₄]或|Na_91.7|[Si₉₆Al₉₆O₃₈₄]。孔穴十分巨大。该型始于立方晶系，具立方面心晶胞，晶胞参数$a$ = 24.6Å左右。A型沸石具有吸附水分子的良好性能，干燥性能很高，易再生，可反复使用。5A型可以高效分立正丁烷和异丁烷，3A型可干燥乙烯、丙烯等气体。

磷酸铝沸石

磷酸铝沸石，代号AFI，又称介孔磷酸铝(meso-porous aluminum phosphates)。典型组成是AlPO₄。属于六方晶系，$a$ = 13.827Å，$c$ = 8.580Å。磷酸铝沸石具有优良的反应活性，可以制备单层碳纳米管；亦可用作催化剂，将乙烷氧化为乙二酸。

安全

毛沸石為1級致癌物，並曾被发现于十分常用的商品沸石中， 因此日常生活或工业生产中使用沸石时也可能接触到毛沸石。在亚利桑那州的一个沸石矿中，毛沸石的总接触量可达0.01~13.7 mg/m³；可吸入的毛沸石尘则为0.01~1.4 mg/m³。

参見

• 矿物列表