沸石

沸石 (Zeolite)
國立臺灣師範大學化學系學士生陳昱勝

圖一：沸石

沸石¹(Zeolite)是一種低密度、低硬度的礦石。由瑞典科學家克朗斯提(B. Cronstedt)發現³，這種礦物在灼燒時會有沸騰現象，因此以沸石命名，源自於希臘沸騰(zeo)、石頭(lithos)二字，意為沸騰的石頭。主要由氧化矽、氧化鋁在鹼性環境中與水氣高壓下所形成的結晶性鋁矽酸鹽，天然沸石普遍存在於火成岩的裂隙和孔洞中。沸石為多孔性材質具有極大的表面積，被廣泛應用於吸附劑、觸媒轉化劑及觸媒載體。

從結構方面來看，沸石是由氧化矽(SiO₄)四面體以及氧化鋁(AlO₄)四面體兩種單元建構而成網狀結構，其結構具開放性，有互相連通的空間或管道。由於鋁離子為三價(Al³⁺)而矽離子為四價(Si⁴⁺)，當成AlO₄四面體時，鋁帶負電荷需要有陽離子吸附於其空間及管道中來中和其電性，大量結晶水亦會被吸附於此。因此，沸石的結構式可寫為M_x/n[(AlO₂)x(SiO₂)]．Z H₂O 其中n為陽離子M的氧化數。

沸石的分類方法有很多種，若依其成分矽/鋁比值來分，可分為三類：

1.低矽沸石：Si / Al = 1 ~ 1.5 大多應用在離子交換上

2.中矽沸石：Si / Al = 1.5 ~ 5.0 大多應用於石化工業的觸媒反應，即為反應的催化劑。

沸石的多孔性正符合表面積大的良好催化效果。

3.高矽沸石：Si / Al > 5 大多應用於石油的觸媒裂解等精緻煉油工業

沸石的穩定性隨矽含量的增高而增加，但離子交換能力則下降。

若以形成成因分類也可分為三類：

1.原生型沸石：於火成岩形成時直接由岩漿中結晶出來。

2.成岩型沸石：隨的岩石形成時間的增長，由岩石與孔隙水、地下水、海水、湖水等等反應而形成。

3.熱液型沸石：為岩石與熱液作用反應而形成的次生礦物。

其中成岩型沸石產量最大，大部分生成於鹽湖湖泊與深海沉積中。沸石最早在1756年被發現，至今已有兩百多年的歷史，其用途相當廣泛。不僅只有天然沸石，在 1950年代即有實驗室合成高純度沸石並擴張應用範圍。以下介紹幾種普遍應用的實例：

1. 實驗室之應用：在實驗室加熱藥品時常因受熱過快而發生突沸現象，加入沸石可防止突沸現象的發生。其原理為沸石上的無數孔洞可吸附受熱產生的氣體，使氣泡結構受到破壞達到防止突沸的效果。

2. 水產養殖業：沸石大量應用於水產養殖業中，如上述所說，沸石具有多孔性且孔洞中有金屬陽離子的吸附，可以進行離子交換作用。因此可將此特性應用於水產養殖中的銨離子汙染。另外，當沸石吸附了銨離子時，可將其沸石浸入飽和食鹽水中以鈉離子交換沸石內的銨離子而可重複使用。

3. 乾燥劑：沸石受熱時管道中的水會被排出來但其網狀結構維持不變，脫水後的沸石浸入水中會再完全水合，因此利用此特點可將沸石作為乾燥劑使用。

其他方面，例如：在農業上沸石可當肥料的緩釋劑以減少肥料的流失；在環保上利用沸石當作觸媒轉換劑降低毒性物質之毒素，更有科學家在研究能將乙烯通過觸媒轉換而形成乙醇之沸石來解決燃料問題⁴；在建材方面上也能使建材達到隔熱、隔音及吸濕之功用。

參考資料

1. 蔡政鴻 陳惠芬 (1983) ，「礦物界的環保星：沸石」，台灣博物，第四期，第66頁。

2. 圖片資料來源 http://en.wikipedia.org/wiki/Zeolite

3. 中央大學化學系 《沸石簡介》

http://www.chem.ncu.edu.tw/KaoHM/%E7%B6%B2%E9%A0%81/zeolite.htm

4. Miessler, G. L; Tarr, D. A. Inorganic Chemistry, 3rd ed. pp. 251-252.

5. 沸石 http://en.wikipedia.org/wiki/Zeolite