用途及工业要求

如题所述

沸石具有独特的晶体结构、物化性能,因而具有优良的吸附及选择性吸附、离子交换、催化、耐酸耐热等性能,使天然沸石、人工合成沸石在工业、农业、国防尖端科技等领域都得到了广泛的应用。

(一)建筑材料工业中的应用

在世界范围内,天然沸石主要用于建筑材料方面。

1.做水泥的活性掺和料

沸石的高活性,被大量用做水泥活性掺和料。

用水泥熟料60%、沸石岩35%、石膏5%配成的水泥,28天的抗压强度达392kg/cm2;沸石岩、石灰、石膏按一定的比例配合,还可制成300号的无熟料水泥;沸石岩作为水泥的掺和料可以改善水泥的性能,提高标号,降低成本。沸石岩掺和量为10%~15%的水泥,抗压强度高于纯熟料水泥,掺和量为30%~40%,水泥的抗压强度与纯熟料水泥基本一致。

2.烧制人工轻骨料

沸石岩在1200~1400℃的温度下焙烧膨胀,可烧制成优良的人工轻骨料(膨胀沸石陶粒),用这种轻骨配制的混凝土与砾石、砂石等制成的混凝土相比,抗压强度高、容重低。例:膨胀沸石岩熟料440kg、页岩陶粒480kg、400号水泥422kg、水176kg制成的混凝土,28天抗压强度为358kg/cm2,湿容重为1522kg/m3;碎石1297kg、普通砂505kg、490号水泥422kg、水176kg制成的混凝土,28天抗压强度为312kg/cm2,湿容重2540kg/m3

3.烧制轻质砖和轻质陶瓷制品

天然沸石在1100℃时具有发泡性,用85%~75%的沸石、5%~20%的其他粘土混合成型后,烧制成的高强砖,其比重小,为0.57~0.86,吸水率为0.6%~0.7%,孔隙度37.8%~24.3%,抗压强度为2110~2620kg/cm2,是高层建筑的理想材料。

采用50%~95%的粘土、50%~5%的沸石烧制成陶瓷制品时,可使制品的重量比纯粘土制品重量轻30%,耐抗压强度即有所提高,耐火性能及不透水性也好。

4.沸石岩作建筑石料

沸石凝灰岩具有孔隙度高、比重小、质地均匀、易采、切、割的特点,用其建筑的房子,结构牢固,不易崩解,而保温隔热性能良好,冬暖夏凉。

(二)农牧业中的应用

20世纪80年代以来,天然沸石在农业方面的利用受到许多国家的注意,国外几个主要沸石产国均将沸石广泛用于农业。日本是首先将沸石用于农业的国家,在这方面的应用已处于世界领先水平。美国年产几万吨的天然沸石主要用于畜牧业,所以沸石在农业上的利用是大有作为的。

1.土壤改良剂

一般的土壤,盐基交换量为5~10mmol/100g±,吸附性和保肥性较差,而含50%丝光沸石和斜发沸石的沸石岩,其交换量可达100mmol/100g±,把沸石粉施于土壤中,可提高土壤的盐基交换容量,从而增强土壤的肥力。同时沸石中的K+,Na+,Ca2+,Mg2+等阳离子是农作物生长时必需的元素。沸石多孔性结构和强的吸附能力,能使肥料和水免于流失,沸石可吸收空气中的NH3,N2,因此施沸石于土壤中能保肥保水,使农作物增产,沸石能吸附土壤中的病原菌和其他代谢产物,使病原菌的活动受到抑制,从而起到防止病虫害的作用。

2.畜牧业中的应用

在家禽的饲料中添加一定量的沸石(一般为5%~7%),能促进其生长,在产蛋鸡饲料中添加5%的沸石粉,能明显提高其产蛋率。

日本在猪饲料中加5%的天然沸石粉,试验猪体重增加16%,猪饲料中加15%的天然斜发沸石,可以治瘉严重的猪腹泻病。

在奶牛饲料中,添加5%的沸石粉,可提高其产奶率,在家禽家畜饲料中撒入一定量的沸石粉,能吸附禽畜粪便产生的NH3,减轻臭味,防止疾病。当养鱼场的放养密度过大时,残余鱼食和鱼的排泻物会使水中的NH+4浓度迅速增加,而水体中NH+4含量大,鱼会停止生长甚至死亡。在养鱼场撒入钠型沸石会吸附掉水中的NH+4,有利于鱼类的生长。用天然沸石作富氧剂,有利于鲜鱼的运输。

(三)在石油化工中的应用

1.做催化剂和催化剂载体

沸石做催化剂和催化剂载体,常按以下三种方式应用:①将天然沸石改型成氢型沸石,脱阳离子沸石或RE3+沸石,以利于羰离子型反应,加快其反应速度;②用天然沸石做载体,载上具有催化性能的金属,可提高其催化效应;③将天然沸石、合成沸石、活性氧化铝等混合使用,可使某种催化性质产生增效作用。

2.气、液的净化、分离、储存剂

(1)氢气的提纯

工业上用天然气分解法、石油裂解法、水电解法等制酸的氢气,其纯度往往不高,常存有O2,N2,CO,CO2,H2O蒸气等杂质,不能满足某些方面的需要,用低温液化方法可以除去这些杂质,但设备复杂,成本高,若用沸石吸附法,设备简单,操作容易,吸附效果好,吸附速度快,吸附剂还可以再生使用,用1~3NNaCl,HCl处理过的天然丝光沸石1.8kg可以制纯190L的氢气,纯度可达99.99%以上。

(2)氮、氧的富集与分离

用低温液化分溜法可制取高纯度O2,N2;但成本较高。工业上常大量使用的是低纯度的N2和O2,可用沸石(天然丝光沸石)做吸附剂量,用吸附、分离方法富集一定纯度的氧气和氮气。这种方法具有设备简单,吸附速度快,吸附量大等优点。在标准状况下,天然丝光沸石对O2的吸附量为21.8mL/g沸石,对N2的吸附量为8.6mL/g,氧气纯度可达70%~90%,氧气回收率达55%~59%。

(3)其他气体的净化

天然气的净化:用菱沸石、毛沸石做分子筛可以将天然气中的H2S,CO2,SO2等气体吸附除掉,还可吸附除去其他碳氢化合物中的HCl、NH4等气体。

(4)气、液的储存运输

对易发生反应的气体或液体,以沸石为载体,吸附在沸石中,以便于储存和运输。如天然气的运输则可用沸石作吸附材料。

菱沸石具有吸附氧化氘较高的性能,可用来富集重水。

3.其他方面的用途

从海水中提取钾:钾肥是农作物生长不可缺少的三大肥料之一,而我国目前的钾肥还很缺乏。用NaCl溶液在100℃下处理斜发沸石,使其变成Na型沸石后从海水中提取钾,K+的交换量为54.1mg/g沸石。斜发沸石可交换Ca2+,Mg2+等离子,因此可用沸石软化硬水和淡化海水,试验表明,18g沸石可以使80~90mL的海水淡化变成无菌的饮用水。

(四)在环境保护方面的应用

沸石具有优越的吸附和离子交换性能,对于消除工业废气废水的污染有较好的效果。因此,天然沸石在环境保护方面是一种经济而有效的净化剂。

1.废气处理

吸附消除SO2。SO2是许多化工厂排放的有害气体,可以用X型分子筛、合成丝光沸石、活性炭作吸附剂对其进行消除。X型分子筛吸附容量大,一般为200~30mL/g沸石,但耐酸性较差。当SO2与水共存时,形成亚硫酸和硫酸,使X型分子筛遭到破坏;合成丝光沸石耐酸性较好,但吸附容量小;活性炭能吸附除去SO2,但不能再生使用,而且成本高;天然丝光沸石、斜发沸石具有耐酸、耐高温等特点,适用于酸性环境,可以大量吸附SO2,还可以解吸再生。因此,天然丝光沸石、斜发沸石是高效能的吸附剂。天然沸石还可用于合成氨的废气中吸收氨,从硫酸废气中吸附H2S,从其他工业废气中吸附CO、NH3等。

2.废水处理

沸石中的可交换性阳离子是K+,Na+,Ca2+,相对其他重金属离子和放射性元素来说,是无害的。斜发沸石和丝光沸石对废水中的137Cs和90Sr有极好的交换除去能力。当含137Cs的废水低速流过沸石时,99%的137Cs可以被吸附掉,废水中的重金属,尤其是Pb,Hg,Cd对人体危害极大,用碱处理过的丝光沸石和斜发沸石,对这些金属离子的吸附效果极佳,用0.05NHCl还可以浓缩回收被沸石吸附的重金属离子,用NaOH溶液可使沸石再生。

废水中如果含有较多的磷酸根离子,会使藻类大量繁殖,造成水质污浊和鱼类死亡,可用强碱法将铵以氨气的形式除掉,把磷酸根离子变成不溶性尘沉淀除去。还可以用离子交换树脂法除去磷酸根离子,但这些方法工艺复杂,处理费用高,如果用0.1%~0.2%的Ca(OH)2在80℃下处理后的天然沸石作阳离子交换剂,在弱酸性或弱碱性的废水中,这种处理过的沸石能将铵离子和磷酸根离子浓度降低到3×10-6以下,用过的这种交换剂,只需用0.12%~0.2%的Ca(OH)2溶液接触半个小时,就可再生使用。

沸石具有很高的选择性阳离子交换能力,故适用于核废料处理及冶金废物处理。当放射性废物穿过装满沸石的滤柱时,沸石可以选择性吸附134Cs、137Cs和90Sr。我囯用斜发沸石和菱沸石处理放射性废物的研究及应用已有30多年的历史。在黑色和有色金属加工、冶炼和精炼生产中,使用沸石处理污染物具有很大的潜力。

(五)在能源、空间技术、原子能工业中的应用

1.劣质煤的利用

自然界赋存着很多规模巨大的劣质煤矿资源,有的煤矿埋藏于地下深处,如美国就有25%以上的煤埋于地下深处。对于这劣质煤和埋藏于地下深处的煤炭资源,由于开采费用高,深处的煤常规方法不能开采,通过沸石的富氧作用,取得廉价的氧,把富氧的空气泵入地下煤层,加速燃烧,使煤气化,然后取出煤化气再加以利用,为劣质煤和埋藏于深处的煤的利用开辟了新的途径。

2.空间技术中的应用

在宇宙飞船和潜艇中,为了维持人生存的环境,需要除去工作人员呼出的CO2,过去用LiOH作CO2吸附剂,但LiOH不能再生使用,需定期更换,用沸石作吸附剂,则能克服上述缺点。

3.原子能方面的应用

沸石的耐辐射性能好,可以储存各种放射性的金属离子、放射性气体和挥发性气体物质,故沸石可用作原子反应堆中裂变反应物的储存器。

(六)轻工业中的应用

造纸工业中常使用高岭土和滑石作为纸张的填料,试验证实,用沸石作纸张的填料,能提高纸张的质量,使其具有白度高、吸附性强、耐火性能好(在烛火上11~12秒钟不燃)等优点;沸石还可以用于合成橡胶、塑料、涂料的填料,其具有耐酸、耐腐蚀、耐热等优点。

利用天然沸石优良的吸附和离子交换性能,使天然沸石与脂肪酸结合,可制成新型洗衣皂,经浙江丽水化工厂试制,产品性能良好,用它能节约脂肪酸,减少滑脂用量,降低原料成本。用改性的天然沸石代替部分三聚磷酸钠(STPP———洗衣粉的助洗剂,具有使硬水软化的功能)制造新型洗衣粉,不但可以减少三聚磷酸钠对水质的污染,还可降低原料成本,经有关化工厂试制核算,成本可降低35%~70%。沸石优良的吸附性能,还可用于食用油脂的精制,它能大量除去食用油脂中各种色素、毒素以及臭味。

(七)在其他方面的应用

1.脱水、深度干燥剂

在化工厂,天然沸石被用于产品的脱水、深度干燥剂。产品经干燥后的含水量是可降低10×10-6以下,用常规方法是难以达到的,价格远远低于常用的合成沸石和硅胶,且使用寿命长。某化工厂将天然沸石吸附剂用于氟利昂制冷剂的脱水,其效果显著,这种天然沸石吸附剂对氟利昂F-12液相脱水具有更高的吸附深度和吸附容量,使工业氟制冷剂F-12水分含量可降至10×10-6以下,可以满足电冰箱、塑料发泡剂等行业的要求,以F-12二氟二氯甲烷为制冷剂时,水分允许含量为6×10-6,用沸石分子筛可脱除至2×10-6以下。

2.沸石在太阳能方面的应用

近几年来美国利用斜发沸石从太阳辐射中吸收和释放热能,既用于空调,又用于水加热,取得成功后,一些国家认为这是天然沸石的一个具有远景意义的利用领域。加拿大发明了一种储存太阳能的新办法,这种办法是利用沸石容易吸收热量,采用一种装满沸石的容器,在与湿润空气接触时又可以放出热量的原理,用来为房间供热。

天然沸石的应用非常广泛,是开发潜力巨大的矿物资源。

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