沸石

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沸石（zeolite）是一種礦石，最早發現於1756年。瑞典的礦物學家克朗斯提（Cronstedt）發現有一類天然矽鋁酸鹽礦石在灼燒時會產生沸騰現象，因此命名為“沸石”（瑞典文zeolit）。在希臘文中意為“沸騰”（zeo）的“石頭”（lithos）。此後，人們對沸石的研究不斷深入。

1932年，McBain提出了“分子篩”的概念。表示可以在分子水平上篩分物質的多孔材料。雖然沸石只是分子篩的一種，但是沸石在其中最具代表性，因此“沸石”和“分子篩”這兩個詞經常被混用。人造沸石是：磺酸化聚苯乙烯；天然沸石：鋁矽酸鈉。沸石族礦物常見於噴出巖，特別是玄武巖的孔隙中，也見於沈積巖、變質巖及熱液礦床和某些近代溫泉沈積中。河北省圍場縣為目前我國境內已發現的沸石儲量最高的地區，沸石儲量20億噸以上。

沸石的一般化學式為：AmBpO2p·nH2O，結構式為A(x/q) [ (AlO2)x (SiO2)y ] n(H2O) 其中：A為Ca、Na、K、Ba、Sr等陽離子，B為Al和Si，p為陽離子化合價，m為陽離子數，n為水分子數，x為Al原子數，y為Si原子數，(y/x)通常在1～5之間，(x+y)是單位晶胞中四面體的個數。

分子 量：218.247238

EINECS號 215-283-8

自然界已發現的沸石有80多種，較常見的有方沸石、菱沸石、鈣沸石、片沸石、鈉沸石、絲光沸石、輝沸石等，都以含鈣、鈉為主。它們含水量的多少隨外界溫度和濕度的變化而變化。晶體所屬晶系隨礦物種的不同而異，以單斜晶系和正交晶系（斜方晶系）的占多數。方沸石、菱沸石常呈等軸狀晶形，片沸石、輝沸石呈板狀，毛沸石、絲光沸石呈針狀或纖維狀，鈣十字沸石和輝沸石雙晶常見。純凈的各種沸石均為無色或白色，但可因混入雜質而呈各種淺色。玻璃光澤。解理隨晶體結構而異。莫氏硬度中等。比重介於2.0～2.3，含鋇的則可達 2.5～2.8。沸石主要形成於低溫熱液階段，常見於噴出巖氣孔中，也見於熱液礦床和近代溫泉沈積中。沸石可以借水的滲濾作用，以進行陽離子的交換，其成分中的鈉、鈣離子可與水溶液中的鉀、鎂等離子交換，工業上用以軟化硬水。沸石的晶體結構是由矽（鋁）氧四面體連成三維的格架，格架中有各種大小不同的空穴和通道，具有很大的開放性。堿金屬或堿土金屬離子和水分子均分布在空穴和通道中，與格架的聯系較弱。不同的離子交換對沸石結構影響很小，但使沸石的性質發生變化。晶格中存在的大小不同空腔，可以吸取或過濾大小不同的其他物質的分子。工業上常將其作為分子篩，以凈化或分離混合成分的物質，如氣體分離、石油凈化、處理工業汙染等。

一、斜發沸石

　　在巖石致密結構處的斜發沸石，多呈似放射狀板片集合體微形態，而在孔隙發育處，可形成具完好或部分完好幾何形態的板塊晶體，寬可達20mm，厚5mm左右，端部約呈120度角，有的呈菱形板片和板條狀。EDX譜為Si、Al、Na、K、Ca。

二、絲光沸石

　　SEM特征微形態為纖性狀，纖絲般細直或稍有彎曲，直徑約為0.2mm，長度可達幾mm，可為自生礦物，但也見到在蝕變礦物外緣，呈放射狀逐漸分開形成纖絲狀絲光沸石。此種絲光沸石應為改造型礦物。EDX譜主為Si、Al、Ca、Na。

三、方沸石

　　SEM特征微形態為四角三八面體和各種形態的聚形，晶面多呈4、6邊形，晶粒可大至幾十mm，EDX譜特征元素為Si、Al、Na，可以有少量Ca。

四、菱沸石

　　SEM特征微形態短菱柱形大小可從1m;m到幾mm，EDX譜為Si、Al、Ca、可以有K、Na的少量存在。

沸石有很多種，已經發現的就有36種。它們的共同特點就是具有架狀結構，就是說在它們的晶體內，分子像搭架子似地連在一起，中間形成很多空腔。因為在這些空腔裏還存在很多水分子，因此它們是含水礦物。這些水分在遇到高溫時會排出來，比如用火焰去燒時，大多數沸石便會膨脹發泡，像是沸騰一般。沸石的名字就是因此而來。不同的沸石具有不同的形態，如方沸石和菱沸石一般為軸狀晶體，片沸石和輝沸石則呈板狀，絲光沸石又成了針狀或纖維狀等等。各種沸石如果內部純凈的話，它們應該是無色或白色，但是如果內部混入了其他雜質，便會顯出各種淺淺的顏色來。沸石還具有玻璃樣的光澤。我們知道沸石中的水分可以跑出來，但這並不會破壞沸石內部的晶體結構。因此，它還可以再重新吸收水或其他液體。於是，這也成了人們利用沸石的一個特點。我們可以用沸石來分離煉油時產生的一些物質，可以讓它使空氣變得幹燥，可以讓它吸附某些汙染物，凈化和幹燥酒精等等。沸石礦物有很廣的分布。特別多見於由火山碎屑形成的沈積巖石中，在土壤中也有發現。

沸石的晶體構造可分為三種組分：(1)鋁矽酸鹽骨架，(2）骨架內含可交換陽離子M的孔道和空洞，(3）潛在相的水分子，即沸石水。

沸石的構造與石英、長石的骨架有些不同。石英、長石的骨架構造比較嚴緊，比重2.6~2.7，而沸石的骨架構造比較空疏，比重2.0~2.2。其脫水後的空腔可大至47%，如菱沸石，甚至50%，如合成沸石。

在長石構造中，金屬陽離子都限制在O離子構成的晶體骨架的空隙間，除非晶體被破壞，這些金屬陽離子是很難自由活動的。Na或K被Ca交換，必須與Si、Al的置換同時進行，即成對置換，必然引起Si/AI比的改變。

在似長石構造中，金屬陽離子位於比較開闊的相互通連的空隙間，比重2.14~2.45，陽離子可以通過構造的通路互相交換，而不破壞其晶體骨架。水方鈉石和水霞石曾被認為是沸石族礦物。

在沸石構造中，金屬陽離子位於晶體構造較大並相互通連的孔道或空洞間。因此，陽離子可自由地通過孔道發生交換作用，而不能影響其晶體骨架，像2(Na,K）(Ca2+）這樣的交換，在沸石中是容易發生的，而在長石中是不能的。這種形式的交換作用，可能是離子交換的極端形式，只限於沸石及類似的礦物。

沸石的水分子與骨架離子和可交換金屬陽離子的聯系，一般都是松弛而微弱的。這些水分子比陽離子更自由地可以移動和出入孔道。在有熱力的趨使下，可自由地脫、附而不影響其骨架構造。

是沸石族礦物的總稱，是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁矽酸礦物。按沸石礦物特征分為架狀、片狀、纖維狀及未分類四種，按孔道體系特征分為一維、二維、三維體系。任何沸石都由矽氧四面體和鋁氧四面體組成。四面體只能以頂點相連，即共用一個氧原子，而不能“邊”或“面”相連。鋁氧四面體本身不能相連，其間至少有一個矽氧四面體。而矽氧四面體可以直接相連。矽氧四面體中的矽，可被鋁原子置換而構成鋁氧四面體。但鋁原子是三價的，所以在鋁氧四面體中，有一個氧原子的電價沒有得到中和，而產生電荷不平衡，使整個鋁氧四面體帶負電。為了保持中性，必須有帶正電的離子來抵消，一般是由堿金屬和堿土金屬離子來補償，如Na、Ca及Sr、Ba、K、Mg等金屬離子。由於沸石具有獨特的內部結構和結晶化學性質，因而使沸石擁有多種可供工農業利用的特性。

世界上已發現的天然沸石一般為淺灰色，有時為肉紅色。拿在手上明顯感到比一般石頭輕，這是因為沸石內部充滿了細微的孔穴和通道，比蜂房要覆雜得多。假如把沸石比作旅館，那麽1立方微米的這種“超級旅館”內竟有100萬個“房間”！的這些房間能根據“旅客”（分子和離子）的性別、高矮、胖瘦、嗜好的不同自動開門或擋駕，絕對不會讓“胖子”到“瘦子”的房間去，也不會使高個子與矮個子同住一室。根據沸石的這一特性，人們用它來篩選分子，獲得很好的效果。這對在工業廢液中回收銅、鉛、鎘、鎳、鉬等金屬微粒具有特別重要的意義。

沸石具有吸附性、離子交換性、催化和耐酸耐熱等性能，因此被廣泛用作吸附劑、離子交換劑和催化劑，也可用於氣體的幹燥、凈化和汙水處理等方面。沸石還具有“營養”價值。在飼料中添加5%的沸石粉，能使禽畜生長加快，體壯肉鮮，產蛋率高。

由於沸石的多孔性矽酸鹽性質，小孔中存有一定量的空氣，常被用於防暴沸。在加熱時，小孔內的空氣逸出，起到了氣化核的作用，小氣泡很容易在其邊角上形成。

沸石廣泛的用途

吸附劑和幹燥劑

催化劑

洗滌劑

其他用途（汙水處理、土壤改良劑、飼料添加劑）

天然沸石是一種新興材料，被廣泛應用於工業、農業、國防等部門，並且它的用途還在不斷地開拓。沸石被用作離子交換劑、吸附分離劑、幹燥劑、催化劑、水泥混合材料。[6]  在石油、化學工業中，用作石油煉制的催化裂化、氫化裂化和石油的化學異構化、重整、烷基化、歧化；氣、液凈化、分離和儲存劑；硬水軟化、海水淡化劑；特殊幹燥劑（幹燥空氣、氮、烴類等）。在輕工行業用於造紙、合成橡膠、塑料、樹脂、塗料充填劑和素質顏色等。在國防、空間技術、超真空技術、開發能源、電子工業等方面，用作吸附分離劑和幹燥劑。在建材工業中，用作水泥水硬性活性摻和料，燒制人工輕骨料，制作輕質高強度板材和磚。在農業上用作土壤改良劑，能起保肥、保水、防止病蟲害的作用。在禽畜業中，作飼料（豬、雞）的添加劑和除臭劑等，可促進牲口成長，提高小雞成活率。在環境保護方面，用來處理廢氣、廢水，從廢水廢液中脫除或回收金屬離子，脫除廢水中放射性汙染物。

在醫學上沸石用於血液、尿中氮量的測定。沸石還被開發成為保健用品，用於抗衰老，去除體內積累的重金屬。

在生產中沸石常用於砂糖的精制。

新型墻材（加氣混凝土砌塊）原料

隨著實心黏土磚逐步退出舞台，新型墻體材料應用比例當前已達到80%墻體材料生產企業以煤矸石、粉煤灰、陶粒、爐渣、輕質工業廢渣、重質建築垃圾、沸石等為主料，積極開發新型墻體材料。

在化學蒸餾或加熱實驗當中常用來防止暴沸，這是因為沸石的結構當中有大量的小孔，可作為氣泡的凝結核，使反應液平穩沸騰。可用敲碎至米粒大小的素燒瓷片代替。

沸石在海水生物飼養上的應用

上面說的沸石是由鋁矽酸鹽等成分所組成的礦物，並且對陽離子具有吸附性。

那麽這就使得沸石能具有離子交換功能，最主要的關鍵是其成分中有AlO4 ，多了一個O原子，因此會帶 -1的價數。

因此沸石中會有些Na+,K+,Ca++等堿金屬來抵銷使其成電中性(帶有較多Na+的稱為鈉沸石，Ca+稱為鈣沸石以此類推)

而這些沸石中的金屬元素在水中極易被其它金屬離子所取代，要有什麽樣的條件會取代這些元素呢？

這與沸石離子交換的優先級及離子濃度有關，因為AlO4帶的是-1價因此對陽離子的交換順序以Cs+,Rb+,NH4+,K+,Na+正1價離子排前面，且較大的離子較優先，然後才交換Ba++,Sr++,Ca++,Mg++的正2價離子。所以當沸石中的遊離金屬以Na+存在時便會與水中的Cs+,Rb+,NH4+交換，如果是以Ca++存在時就會與水中的 Cs+,Rb+,NH4+,Ba++,Sr++作交換 。但是當水中某離子濃度很高時，則能形成逆向交換，因此沸石一般是可還原的。不過因為全世界的沸石產量實在多的不象話，甚至在有些國家所有的石頭都是沸石。

且目前沸石有50%以上是用於制造水泥，可見其普遍的程度，因此還原沸石雖環保卻不經濟。

由簡介中可知，沸石有化學的離子交換特性及物理的吸附特性。

離子交換的特性通常會化除水中的Cs+,Rb+,NH4+,K+ 等而水中的Na+,Ca+等則會增加的。

在海水中可使用鉀沸石或鈉沸石來限制其離子交換的範圍，也是最常被使用的，對NH4+也具有較高的交換力。

沸石的物理吸附性比較單純，沸石的孔徑多在1nm(奈米)以下，但是每一種的沸石的孔徑又不太一樣。

因此每種沸石的吸附對象與吸附總量並不相同，在海水的應用中最好是能混用多種沸石。

沸石能吸附哪些物質呢？

前面已經提過，沸石的孔徑約在1nm以下，而分子的最小直徑約0.28nm。

因此沸石所能吸附的就是在0.28nm-1nm之間的所有分子，包括有機、無機的分子。

不過因為每種沸石的孔徑不一，吸附的峰值各不相同。

常見在水中能被吸附的像是甲醇、氨等較小的分子都是其吸附範圍。

這些物質大部分都是蛋白、活性碳的處理範圍以外的物質。

蛋白、活性碳所能處理的物質沸石也都無法處理，兩者其實是各司其職。

因此沸石在海水中的應用能大大的延緩水質的老化。

沸石到底能吸附多少東西呢？

這要從幾個方面來探討

第一是吸附總量，越輕的沸石表示其中的孔徑越多，所能吸附的量自然比較多。

沸石的密度界於1.92g/(cm)3 - 2.88g/(cm)3，一般來說密度小的吸附量最多。

沸石的吸附量幾乎都在其重量的50%以上。

也就是說放1kg的沸石在水中所能吸附的物質高達500g以上。

如果缸中的蛋白處理了90%的廢物，剩余的廢物都交由沸石處理，那1kg的沸石大概就能處理約 10罐500g的飼料的餵食量。

有可能嗎？NO！因為還牽涉到第二個問題。

沸石的吸附總量雖高，但是不同的孔徑處理不同的物質。

1kg的沸石最多約能處理到 15g的有機氮素 ， 50g的有機碳素，這兩者也是沸石對水質處理有貢獻的地方。

由此可知沸石雖能吸附500g的物質，但是在水族缸中大概只能發揮其中的一成。

也許你會問，這一成還是很可怕，1kg沸石處理 1罐500g的飼料廢物。

有可能嗎？NO！還有兩項問題有很大的影響。

首先是沸石粒徑的問題，小粒徑的沸石能比大粒徑的吸收的更快更多。

也就是說越小的粒徑越能發揮沸石的效能，但是粒徑過小吸收太快會造成很嚴重的問題。

因此在應用中不宜過小。

另一個問題是沸石表層會有菌類附著，這些菌類雖能輔助處理廢物。

但是卻也會堵住沸石表層的孔徑，以致內部完全無法發揮。

因此如果超過3,4天沒清理沸石，則沸石所能發揮的功能將變的極小。

能清理的越幹凈是越好，如果沒有好清理的沸石桶，拿出來用手洗凈也是不錯的方式。

也許你會問，要怎麽清除孔洞中的菌類，不用擔心，這麽小的孔洞任何生物都鉆不進去，只會生長在表層。

在選擇了適當的沸石粒徑及規律的清理工作後，沸石所能吸附的物質還有多少呢？

這應該是沒有標準答案，運作好一點的1kg沸石處理半罐250g的飼料廢物沒什麽問題。

我們再來比較一下沸石的離子交換量與吸附量的差異。

沸石的離子交換量除了前述因性質不同會影響其交換內容物及交換量外。

沸石的孔徑大小也會影響其離子交換，能進入孔隙的才能被交換。

且相同size的離子會在孔隙中競爭交換。

到底其交換量有多少呢？

其實1kg的沸石頂多只能交換約5g的陽離子。

例如在1000L 的缸子中放入1kg的沸石其所影響的陽離子濃度約在5ppm以下。

由此可知沸石的離子交換能力在海水應用中並不會造成離子不平衡。

沸石種類雖多，但差異都是在其離子交換的功能上，物理上的吸附功能基本上是相同的。

沸石應用的好處

1.維持相當低水平的NH3,NH4+濃度

海水生物最佳的生活條件是NH3+(NH4+)<0.02ppm以下，傳統的過濾方式如活砂、活石、底砂過濾能建立這樣的環境，如果要再降的更低就得靠沸石了，這在SPS的飼養上特別重要。

2.減少無機鹽的產生

這一點應該不難理解，少了有機廢物，自然就不會產生無機廢物。

3.避免海水素中含量過多的金屬元素

海水素在制作的過程中要將一些金屬元素像Rb+,Cs+等降到天然海水的標準是不可能的，NH4+一般也都偏高，沸石可以很迅速的吸收這些物質，不過海水素的Fe就沒辦法，因此太常換水的結果就是Fe易偏高喔！

4.維持DOC,DON,DOP的平衡

天然海水中的有機碳(DOC),有機氮(DON),有機磷(DOP)其濃度比約在100:16:1，DOC的平均濃度約1PPM來說，DON,DOP由這個比值可以輕易算出動物性生物體中的C,N,P比值 P會比平均值高，植物性生物體則相反，因此得到這樣的比值一般缸子要維持這樣的比值並不容易。

如果都是餵以動物性飼料則水中DOP易偏高，反應出來就是PO4偏高。全部以植物性飼料為主則DON偏高，反應出來是NO3不易降。

如果設有藻缸，其結果也是缸中的PO4比值越來越高，沸石的吸附功能幫助這平衡的達成，尤其是在一個較為穩定的系統中，這個比值越穩定則缸中的微生物會維持的很健全，珊瑚自然會還以顏色。

5.增加水族缸透明度

沸石雖沒活性碳的除色能力，也不太容易除去色素分子或微粒，不過因為減少了有機溶解物，讓水色自然澄清。

6.可以吸附過多的添加劑，絕佳的緩沖區

添加劑中的養分一般都相當高，常見的鈣、鎂等添加劑一樣也相當高，在添加這些物品前，可以先將沸石桶關閉，直接倒在沸石桶中。

7.天然的脫色劑 

清理沸石時，所磨插產生的沸石粉伴隨一些菌類被水螅體攝食後會產生脫色效果，尤其在穩定生長的缸中最明顯！

沸石的脫色原理是因為沸石粉在被水螅體攝食後，其中的食物被消化後所產生的毒素能被沸石微粒迅速吸收，並排出珊瑚體外，共生藻少了很多有毒氮素來源，數量上自然不會太多，且對珊瑚體本身也會比較健康。 

輔助系統

1.純有機碳的供給

缸中被生物分解或未分解的某些有機物並非沸石所能處理，在缸中增加純有機碳的濃度，則能讓生物更快將其分解成蛋白、活性碳、沸石所能處理的形式，另外缸中還是很難避免的會產生無機的營養鹽(NO2,NO3,PO4等)，透過純有機碳的供應也可以加速被生物給分解。所謂的純有機碳必須是不含氮與磷的有機物(醇類)，如果是添加含有機碳與氮則磷的含量會漸漸變少(胺類)，有些市售的商品就是運用這原理除磷，前提是這個有機氮分子必須>1nm，否則會被沸石吸附，另外這兩者添加過量都會導致泥藻泛濫，特別是後者。

2.過濾器

過濾器的設計及水流量的大小對沸石效能的發揮占有決定性的影響，前文中有提到沸石必須經常清理才能發揮其效能，因此過濾器最好具備能清洗的功能，且清洗時沸石能滾動越激烈越好 。水流量越大水中廢物存在水中的temp time會比較短，但是過大的水流會影響沸石吸附及交換的效率，太小的水流在推拉過濾器時沈積物不易被洗出，反而成為藏汙納垢之處。一般來說過濾器管徑在15cm時配上約2000-2500L/h的馬達，13cm管徑配上1500-2000L/h的馬達，10cm管徑配上600-1000L/h的馬達，如果缸中原來的養份高，可先以小馬達來推，等到系統穩定後在配上合適的馬達，這樣可以大大減緩過度期缸中生物的不適應。

沸石用量

沸石的用量遠比過濾器的水的流量影響小，最主要是影響使用的壽命。

一般來說大粒徑的沸石(像zeovit,Mr.Aqua)可采用廠商推薦量即1L沸石用在400L的水中，小粒徑的則可減半使用，不減半也無所謂。粒徑過小不建議采用，因為會影響水流量。

使用沸石後應註意事項

1.在沸石使用一陣子以後，養分漸漸減少，如果是在餵食量少的缸子，因為input太少，而output卻不斷，如果發現珊瑚的顏色已經變的很淡就得慢慢增加餵食量，不然就會開始面臨底部白化，完全失去共生藻等狀況，切忌突然增加的大量餵食，這樣的行為會導致系統無法負荷！循序漸進的餵食可以讓珊瑚顏色亮麗很多更接近自然的顏色，而在餵食量提升後要在反過來量測水質，如果養分提高就得跟著提高有機碳的補給或是考慮提升沸石過濾器的流量，並提高清理沸石的頻率，養份的減少與餵食兩者必須達到平衡。

2.第二點是要探討提高餵食量後的問題，因為食量提高後，珊瑚的組織變厚，此時對光線、水流的需求會跟著提高，因為珊瑚獲得食物後能釋放更多的氮素等養分供共生藻利用，共生藻的數量即使在低養分的缸中依然會增加，此時對光線的需求必然是增加的，水流則是提供珊瑚更多的氧氣以供新陳代謝並排除廢物。如果沒做改善，也許會發現狀況反而走下坡，也許不會因為本來的條件可能已經充足了，最好根據珊瑚生長的狀況做些調整。

3.新缸使用沸石應有的觀念：新缸中因為活石活砂所釋放出的有機溶解物、矽酸等比起穩定的缸子要多上數千、數萬倍之多，要沸石完全吸收這些廢物並不可能，必須配合微生物的處理、藻類的吸收、適當換水等才能將養水時期所產生的毒素化除，當然每個缸子狀況不太一樣，所需期間也差異很多，一般來說使用沸石的系統至少養水兩個月再開始慢慢進些生物、軟件來飼養會比較保險，如果缸中砂石的比例高就需要更久的時間，使用純活砂、純活石至少也需要兩個月的時間會比較理想。

4.不要誤解沸石的角色：沸石在缸中所扮演的角色到底是什麽呢？其實沸石能處理的都是一些低分子量的物質，這些物質的特性是毒性較強，並非生物直接產生，大部分是經由微生物分解後的物質，因此沸石在過濾系統中扮演的是最後一道防線，如果攔不住，不是產生毒害就是會被分解成無機鹽類(NO2,NO3,PO4等)，前者的後果很慘，後者則會制造麻煩。另外很多人誤以為沸石能吸附NO2,NO3,PO4等是錯誤的觀念，這些都是屬於陰離子，沸石完全不會吸收。