多种仪器方法综合分析天然沸石矿

奚务俭

（南京市环境监测中心站，南京 210013）

杨朗

（南京工业大学材料科学与工程学院，南京 210009）

黄春宁

（南京大学现代分析中心，南京 210093）

天然沸石是当今世界新兴的矿产资源。天然沸石因具有很强的离子交换性能、吸附性能、催化性能、耐酸性能及价格低廉、储存丰富等特点而倍受关注［1］。我国天然沸石资源丰富，储藏量和年生产能力都名列世界前茅［2］。江苏省天然沸石的资源十分丰富，江苏省地质调查院勘探结果表明，江苏省镇江市沸石矿的储量达到大型规模［3–4］，但目前对该矿的开发利用水平还比较低。

笔者应用多种仪器对江苏省镇江市沸石矿进行分析表征，获取了矿床的特征数据，为该矿的综合开发提供了技术依据。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

X 射线衍射仪：Dmax／RB 型，日本理学公司；

X 射线荧光光谱仪：DVANT’XP 型，美国热电集团；

傅里叶变换红外光谱仪：Nexus 870 型，美国Nicolet 公司；

扫描电子显微电镜（简称扫描电镜）：JSM–5900 型，日本电子公司；

比表面积及微孔分析仪：ASAP2020 型，美国麦克公司；

差热分析仪：STA449C 型，德国耐弛公司；

实验样品：取自江苏省镇江市茅山天然沸石矿区，样品外观为灰绿白色，呈蜡状光泽。

1.2 测试项目及方法

天然沸石矿主要测试项目及测试仪器见表1。

表1 测试仪器及主要测试内容

2 天然沸石矿分析方法原理

2.1 X 射线衍射相组成分析

目前鉴定沸石矿的主要手段是X 射线衍射法（XRD）［2］，该法能快速、有效地确定样品所含主要结晶矿物的种类。任何结晶物质都具有特定的晶体结构类型，因其晶胞大小、晶体中原子、离子或分子数目以及所处的位置不同，在X 射线的照射下，存在不同的衍射花样。一种多晶物质，无论是单一相态还是多相态，X 射线衍射（XRD）都能给出每一相态所特定的X 射线衍射花样，其特征X 射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化。将待分析物质的衍射花样与粉末衍射标准联合会（JCPDS）编辑出版的粉末衍射卡片（PDF 卡片）［5–6］对照，以确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。鉴定出各个相后，根据各相花样的强度与对应组分含量的正比关系，就可对各种组分进行定量。

图1 为天然沸石矿样品的XRD 图谱。图1 中样品的各条衍射数据基本都有归属，江苏镇江天然沸石矿X 射线衍射分析结果确认样品中的主要矿物依次为斜发沸石、片沸石和丝光沸石，同时含有少量的石英和蒙脱石等杂质。天然沸石中斜发沸石和丝光沸石具有较强的离子交换性能和吸附性能，可以作为环境修复和环境净化材料。

图1 天然沸石矿样品的X 射线衍射图谱

2.2 X 射线荧光光谱成分分析

X 射线荧光光谱分析（XRF）是应用广泛的一种快速、准确的多元素分析方法［5–8］。一定能量的光子和电子与靶物质原子发生光电效应或非弹性碰撞时，原子中内层电子被电离出来，于是在K、L 等电子层上出现电子空位，由于这时原子处于激发状态，其外层能量较高的电子向内层电子空位充填，这一过程称为跃迁，在跃迁过程中，多余能量以X 射线形式辐射出来。由于每一种元素的原子能级是特定的，因此每一种元素有一套确定能量的X射线谱，表征这一元素的谱线又称特征X 射线。通过测定特征X 射线能量就能确定化学元素名称，通过特征X 射线强度的测量就可以知道该化学元素含量。

表2 为江苏镇江天然沸石矿的XRF 的分析结果。由表2 可知，该样品的主要组成是SiO2，Al2O3，CaO，K2O 和MgO 等，其中SiO2和Al2O3约占总量的90%，SiO2／Al2O3=4.77，Si／Al=4.21，Ca 的含量高于国内其它斜发沸石，K2O 与CaO 的总量高于Na2O 与MgO 的总量，以富钾钙为特征，属中硅钙型沸石型矿。硅铝比值大小影响沸石的物理化学性能，如直接影响沸石的离子交换性和耐酸性等。江苏镇江天然沸石矿具有较高硅铝比值，有利于开发成离子交换剂和催化剂。

表2 天然沸石矿样品的X 射线荧光光谱分析结果

2.3 傅里叶变换红外吸收光谱分析

傅里叶红外光谱法（FTIR）［2］可作为沸石矿鉴定的一种辅助手段。该法基本原理：红外光束照射物质时，该物质的分子吸收一部分光能，并将其转换为分子的振动能量和转动能量。因此将其透过的光进行色散，以波长或波数作为横坐标，以透过率或吸收率为纵坐标，把谱带记录下来，就可以得到该物质的的红外吸收图谱。图谱中的吸收峰记录分子和基团的振动形式，根据吸收峰的位置和形状就可推算出测试样品的结构，依照特征吸收峰的强度可以测定混合物中组分的含量。

图2 是天然沸石矿样品的FTIR 谱图，图中特征吸收峰十分明显，在1 032 cm–1处的强吸收带为Si－O－Si 的骨架振动；而在793，719 cm–1处的吸附峰分别为硅氧四面体和铝氧八面体中Si－O－Si，Al－O－Al 的振动；465 cm–1处的吸收峰是由Si－O或Al－O 的弯曲振动引起的；605 cm–1处的吸收峰为四面体结构的伸缩振动引起的；沸石结合水的吸收峰位于3 434，1 639 cm–1；3 635 cm–1处的吸收峰是沸石中O－H 的伸缩振动引起的。

图2 天然沸石矿样品的红外光谱图

硅氧四面体和铝氧八面体的三维格架组成了天然沸石的网状结构，由于三维格架连接方式不同，在沸石结构中形成很多空穴和孔道，从而沸石具有独特的筛分、阳离子交换和吸附等性能。

2.4 扫描电镜分析微观形貌

扫描电镜工作原理［2］：扫描电镜的电子枪发射出电子束，电子在电场的作用下加速，经过两三个电磁透镜的作用后在样品表面聚焦成极细的电子束。在末透镜上方的双偏转线圈作用下，该细小的电子束在样品表面进行扫描，被加速的电子与样品相互作用，激发出各种信号，这些信号被按顺序、成比例地交换成视频信号、检测放大处理成像，从而在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。矿物在扫描电镜中会呈现出其特征的形貌，因而扫描电镜可分辨矿物表面的微观结构，了解矿物的晶体特征［9–10］。

图3是天然沸石矿样品的扫描电镜图。由图3可以看出，沸石在1 000 倍放大倍数下表面不平整，有不规则细脉状和细小微孔存在；在3 000 倍放大倍数下晶体伸出表面、呈板状、棱角明显，为黏土矿物典型的结晶习性。

图3 天然沸石矿样品的扫描电镜图像

2.5 比表面积测定

非金属矿物的表面积是影响其吸附性能的重要因素，矿物的表面积多用比表面积表示，既每克矿物所具有的表面积，单位m2／g。通常用N2吸附和BET 方程测定非金属矿物的外表面积，其原理是吸附质（N2）在指定的温度和压力下通过定量吸附剂（样品），直至质量不变，所增加的质量即为吸附量，再改变压力重复测试，求得吸附量和压力之间的关系并作图计算。在沸石矿样品脱气阶段，真空条件引起矿物晶层间失水，层间收缩，从而阻止N2进入内晶层，N2仅吸附在样品外表面上，根据N2的分子面积，就可计算出起吸附作用的矿物表面积。

比表面积是天然沸石的特征指标之一，吸附性能与之密切相关。土耳其是欧洲最大的沸石产出国，对江苏镇江天然沸石和土耳其某矿区的斜发沸石同时进行BET 测试和分析，测定结果见表3。表3 中数据显示，江苏镇江沸石的比表面积为14.04 m2／g，明显高于土耳其斜发沸石的比表面积；江苏镇江沸石和土耳其斜发沸石的孔容数值十分相近，而江苏镇江沸石的平均孔径为6.60 nm，远小于土耳其斜发沸石的平均孔径10.41 nm，表明江苏镇江沸石与土耳其斜发沸石相比有更强的筛分能力。

表3 沸石BET 测定结果

2.6 差热分析

热分析方法是根据矿物在不同温度条件下所发生的热效应来鉴定和研究矿物的方法［5–7］。差热分析的基本原理：将粉末样品与中性体分别置于同一高温炉中，在加热过程中，试样将发生吸热和放热效应，而中性体不发生该效应。利用热电偶以差热电流记录差热曲线，差热曲线上的峰、谷分别表示矿物在加热过程中的放热和吸热效应。热重分析的基本原理：将粉末样品从低温到高温逐渐加热，随着温度不断变化，样品的质量也不断变化，当样品的质量达到恒定时，称量样品质量，同时计算样品因加热损失的质量，以温度为横坐标、质量损失为纵坐标绘制热重曲线。不同的矿物有不同的差热曲线和热重曲线，根据热重分析与差热分析结果，分析物质的结构、相态、化学性质随着温度的改变而发生相应的变化，可以达到鉴定矿物、了解矿物物理性质的目的。

图4为天然沸石矿样品的差热和热重曲线。

图4 沸石差热和热重曲线

实验表明，样品开始脱水时的温度为49℃，在90～125℃出现一个低温吸热谷，该区域是脱出矿物表面的吸附水和矿物层间水的过程，吸热谷为单一吸热谷，表明层间可交换的阳离子主要是一价阳离子（K+与Ca2+之比小于1／3，低温吸热谷呈复谷）；125～700℃区域内样品相应的热重曲线急剧下降，样品失重主要是结合水和部分层间水的受热脱离，此时结合水脱出，矿物不发生明显的非晶质化，仍保持格架结构；在700℃以后热重曲线趋于平缓，失重基本结束，表明该沸石的热稳定性较好，这与矿物成分中硅铝比值高有关（Si／Al=4.21）；在900℃以后，吸热效应明显，而质量却没有明显变化，标志沸石矿物晶型发生转变，该矿沸石结构解体。

整个测试温度范围内测得的样品质量损失为10.45%，从国内外现有的报道资料看，天然沸石矿的热失重最低在2%～6%，最高为13%～15%，镇江天然沸石热失重值偏高，其中主要失重物为水分，表明沸石中含有大的空穴和孔道，加热可将水分去除，而不破坏沸石的结构。

3 结论

江苏镇江沸石矿钻孔样品分析结果表明，沸石矿主要是由斜发沸石构成，SiO2和Al2O3约占总量的90%，其中SiO2含量在70%以上，Ca 的含量高于国内其他斜发沸石。沸石矿样品失重为10.45%，综合热分析结果同时显示在900℃以上矿物晶型才发生转变，表明该沸石的热稳定性较好；江苏镇江天然沸石矿的比表面积高于土耳其斜发沸石的比表面积，而平均孔径为远小于土耳其斜发沸石的平均孔径，筛分能力更好；在扫描电镜下可清晰观察到该矿物表面有不规则细脉状和细小微孔存在；江苏镇江天然沸石的FTIR 谱图中特征吸收峰十分明显，硅氧四面体和铝氧八面体的三维格架组成了镇江天然沸石的网状结构，从而该沸石矿具有独特的筛分、阳离子交换和吸附等性能。分析结果表明江苏镇江沸石矿可以作为环境修复和环境净化材料，具有广阔的应用前景和开采价值。

［1］ 吴平霄.黏土矿物材料与环境修复［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［2］ 佘振宝，宋乃忠.沸石加工与应用［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［3］ 杨朗，封増凯，杨晖.吸附氨氮的沸石在水泥砂浆中应用研究［J］.混凝土，2010，10(252): 118–119.

［4］ 杨朗，李志丰，钱吉彬.利用镇江沸石去除城市污水中的氨氮［J］.合肥工业大学学报，2011，34(2): 292–294.

［5］ 杨南如，岳文海.无机非金属材料图谱手册［M］.武汉：武汉工业大学出版社，2000.

［6］ 刘启.黑龙江省穆棱沸石矿物化性能的基本特征及评价［J］.成都理工学院学报，2002，29(2): 131–136.

［7］ 张乃娴，李幼琴，赵惠敏，等.黏土矿物研究方法［M］.北京：科学技术出版社，1990.

［8］ 汤淑，符斌，李华昌.矿物分析技术及进展［J］.分析试验室，2004，23(3): 82–92.

［9］ 陈振宇，周剑雄.扫描电镜／电子探针中的阴极发光技术在地质学中的某些应用研究［M］.北京：中国地质科学院矿产资源研究所，2004.

［10］ Ciambelli P. Zeolites Synthsis，Structure，Technology and Application［M］. American：Elsevier Science Publishers，1985.