人們在1756年發現了天然沸石,而后逐步加深了對其特性的認知,從而獲得了日益廣泛的用途。沸石中含有大量的孔道結構,這些孔道的存在使得沸石可以蘊含大量的堿金屬陽離子。如果通過一定的手段,將填充在孔洞中的陽離子去除,并且去除掉孔洞內部的水分子,則可以獲得一種具有大量未被填充孔洞的材料。由于沸石中的孔洞尺寸一般較小,因此小尺寸的分子可進入孔洞而大尺寸的分子無法進入孔洞之中。這種根據尺度大小來選擇性吸附分子的特性,被稱為分子篩。

沸石的結構-國投盛世

微孔分子篩是由TO4四面體之間通過共用頂點而形成的、具有規則孔道的特殊礦物。-SiO4-、-AlO4-或-PO4-等四面體是構成沸石多孔骨架的最基本結構單元,被稱為初級結構單元,如圖2所示。初級單元按照一定的規則排列疊加便可形成次級單元,而次級單元再次的疊加便形成了各種不同的籠狀結構。

沸石分子篩次級結構單元的概念由Meier和Smith提出,共有18種次級結構單元。但這種次級結構單元的提出只是為了方便人們更好地認識沸石結構,這些次級單元并不是實際存在的結構。沸石晶格中的硅氧四面體呈連續分布,因此實際上不存在這種有限的結構單元。沸石骨架中存在一些具有某種特征的籠狀結構單元。

沸石的結構-國投盛世

在一種沸石中可能還有不同的籠狀結構,而一種籠狀結構,如果其堆疊順序不同,便會形成不同的沸石骨架結構。如圖3中所示,以SOD籠結構單元為基礎,可以形成SOD、LTA等結構,也可以形成FAU和EMT等結構。這些結構都是以SOD籠結構單元為基礎,所不同的只是SOD單元的組合方式不同。

沸石的結構-國投盛世

LTA分子篩結構(Na12+(H2O)278[Al12Si12O48]8-LTA)屬于立方晶系。如前面所述,LTA骨架結構由SOD基本結構所組成。在SOD結構中,SOD籠以體心立方形式排列。而在LTA結構中,方鈉石籠(β籠)以簡單立方形式排列,彼此間由雙四元環(D4R)連接,在晶胞的中心產生出一個α籠,如圖4所示。如果以α籠為基本結構,則LTA的結構也可以認為是α籠立方排列構成。α籠間由8元環連接,在中心產生出一個β籠。LTA具有沿[100]、[010]和[001]方向的三維八元環孔道體系,孔道尺寸為4.1×4.1。LTA多被用作干燥劑以及離子交換劑。

X型和Y型分子篩都具有天然礦物八面沸石的骨架結構。按照SiO2/Al2O3摩爾比的不同對兩者進行區分,一般把SiO2/Al2O3摩爾比為2.2~3.0的沸石稱為X型分子篩,把SiO2/Al2O3摩爾比大于3的稱為Y型分子篩。X型和Y型分子篩都屬于六方晶系,空間群為Fd-3m。