沸石的结构特点

人们在1756年发现了天然沸石，而后逐步加深了对其特性的认知，从而获得了日益广泛的用途。沸石中含有大量的孔道结构，这些孔道的存在使得沸石可以蕴含大量的碱金属阳离子。如果通过一定的手段，将填充在孔洞中的阳离子去除，并且去除掉孔洞内部的水分子，则可以获得一种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较小，因此小尺寸的分子可进入孔洞而大尺寸的分子无法进入孔洞之中。这种根据尺度大小来选择性吸附分子的特性，被称为分子筛。

微孔分子筛是由TO4四面体之间通过共用顶点而形成的、具有规则孔道的特殊矿物。－SiO4－、－AlO4－或－PO4－等四面体是构成沸石多孔骨架的最基本结构单元，被称为初级结构单元，如图2所示。初级单元按照一定的规则排列叠加便可形成次级单元，而次级单元再次的叠加便形成了各种不同的笼状结构。

沸石分子筛次级结构单元的概念由Meier和Smith提出，共有18种次级结构单元。但这种次级结构单元的提出只是为了方便人们更好地认识沸石结构，这些次级单元并不是实际存在的结构。沸石晶格中的硅氧四面体呈连续分布，因此实际上不存在这种有限的结构单元。沸石骨架中存在一些具有某种特征的笼状结构单元。

在一种沸石中可能还有不同的笼状结构，而一种笼状结构，如果其堆叠顺序不同，便会形成不同的沸石骨架结构。如图3中所示，以SOD笼结构单元为基础，可以形成SOD、LTA等结构，也可以形成FAU和EMT等结构。这些结构都是以SOD笼结构单元为基础，所不同的只是SOD单元的组合方式不同。

LTA分子筛结构(Na12+(H2O)278［Al12Si12O48］8－LTA)属于立方晶系。如前面所述，LTA骨架结构由SOD基本结构所组成。在SOD结构中，SOD笼以体心立方形式排列。而在LTA结构中，方钠石笼(β笼)以简单立方形式排列，彼此间由双四元环(D4R)连接，在晶胞的中心产生出一个α笼，如图4所示。如果以α笼为基本结构，则LTA的结构也可以认为是α笼立方排列构成。α笼间由8元环连接，在中心产生出一个β笼。LTA具有沿［100］、［010］和［001］方向的三维八元环孔道体系，孔道尺寸为4.1×4.1。LTA多被用作干燥剂以及离子交换剂。

X型和Y型分子筛都具有天然矿物八面沸石的骨架结构。按照SiO2/Al2O3摩尔比的不同对两者进行区分，一般把SiO2/Al2O3摩尔比为2.2～3.0的沸石称为X型分子筛，把SiO2/Al2O3摩尔比大于3的称为Y型分子筛。X型和Y型分子筛都属于六方晶系，空间群为Fd-3m。

分子筛的结构特征可以分为四个方面、三种不同的结构层次。第一个结构层次也就是最基本的结构单元硅氧四面体和铝氧四面体，它们构成分子筛骨架。相邻的四面体由氧桥连结成环。环是分子筛结构第二层次，按成环的氧原子数划分，有四元氧环、五元氧环、六元氧环、八元氧环、十元氧环和十二元氧环等。氧环通过氧桥相互连结，形成具有三维空间的多面体。

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