沸石基本性質

2.2.1 沸石之結構與分類

沸石是SiO2、Al2O3配合鹼金屬、鹼土金屬或稀土金屬組成之酸 鹽之晶體結構，而晶體的基本結構是以矽或鋁為中心，氧原子為四角 構成的四面體，為一級構造單元(如圖 2-1a)，SiO4及AlO4是以各種規 則排列方式，共有氧原子而結合在一起 (如圖 2-1b)。沸石種類繁多，

一般比較常見的沸石有A 型、X 型、Y 型、Mordenite 型及 ZSM 型，

其不同類型的分類方式主要是依據二級構造單元(Secondary building unit, SBU)的連結方式不同來分類，就是由上述之基本四面體單元 (SiO4及AlO4)共有氧原子連結而成，如圖 2-1c 所示，而 SBU 不同的 連接會有不同沸石之結構(圖 2-1d)(吳,1989)。

圖2-1 沸石骨架結構圖 (吳,1989)

2.2.2 沸石本身酸鹼強度

吸附材表面酸鹼度常依據吸附氣體不同而有不同選擇。Yeh et al.

(2004) 使用磷酸去酸化本身偏中性的活性碳，而使氨去除效率提升。

另外，Gao et al. (2005) 使用硫酸將活性碳酸化，使得吸附量增加，

去除效率也隨硫酸強度而增加。Chingombe et al. (2005)與黃( 2005)使 用硝酸、氫氧化鈉來改變吸附基材本身之酸鹼度，結果對於氨氣去除 效率皆有顯著的提升。所以若是要以沸石當擔體，沸石本身的酸強度 也是要加以考量的。

Mishin et al. (2005) 等人指出 NaY、HY、HZSM-5 沸石表面酸基 量，以Y 沸石來比較，HY 的酸基量要比 NaY 還要多，且 HY 之酸 基量也比HZSM-5 多；並指出以 Y 沸石與 HZSM-5 沸石都具有同一 特性，即矽鋁比越小，氨吸附量越多，酸基也越多。

沸石係由SiO2、Al2O3組合合成，不同的沸石具有不同的矽鋁比，

其中矽鋁比高的沸石(鋁原子相對少)，屬於疏水性沸石，較為穩定，

不易受水氣影響，A 型及 X 型沸石屬於低矽含量沸石(Si/Al 比值約 1~1.5 之間)，Y 型及 Mordenite 型沸石屬於中矽含量沸石(Si/Al 比值 約在1.5~5 之間)，而高矽含量沸石(Si/Al 比大於 5)一般指 ZSM 系列 沸石(吳, 1989)。學者 Baek et al.(2004) 以 Y 型、Mordonite 型、ZSM-5 型及Beta 型四種沸石進行甲苯吸附量測試，發現以疏水性 Y 沸石最

佳，因其具有高矽鋁比、比表面積及孔洞體積。而Zhao et al. (1998) 指 出，Y 沸石具有高比表面積、大孔洞開口等特性，因此可以提供較多 的吸附位置且較在吸附上不易受氣體分子大小的限制。

沸石種類繁多，一般常見金屬沸石為NaY 沸石，因為 HY 活性 比NaY 好，常常使用離子交換將 Na 置換出，形成 NH4+-Y 沸石，再 加熱將氨趕掉則形成較為穩定且水蒸氣穩定性佳之H-Y 沸石(吳, 1989)。另外，Stach at al. (1986) 亦指出 H-Y 沸石若是加熱到 600℃，

再通入蒸氣，則會形成超穩態之Y 沸石 (USY)。

2.2.3 沸石孔洞特性

吳 (1989) 指出，沸石孔洞中之金屬離子及水分子有相當自由的 機動性，所以沸石具有離子交換及可逆之脫水性。沸石具有很大的比 表面積(每克可達數百平方公尺)，可大量吸附和儲存分子，且表面由 粉末顆粒推砌而成，具有多孔隙之特點，由於有高比表面積，因此也 常被當做載體，李 (2006) 即利用沸石為擔體製備吸附劑並吸附 PH3

氣體。沸石骨架結構最大孔洞可分為八元環、十元環及十二元環，如 圖2-1d，八元環即窗口為八邊形，為小孔洞沸石，A 型沸石屬此類，

十、十二元環分別為中、大孔洞沸石，ZSM-5 為中孔洞，X、Y 型沸 石則屬大孔洞 (徐及龐, 2004) 。

Corma (1997) 指出，具有孔洞的材質需依照不同孔徑下之孔洞體 積大小來做為判斷依據，而孔洞尺寸依照IUPAC 分類可分為(a)微孔 洞(microporous) d<2nm (b)中孔洞(mesoporous) 2nm ≤d ≤ 50nm (c)大 孔洞(macroporous) d>50nm，若是沸石中孔洞以上範圍所佔之孔洞體 積愈大，代表較大孔洞之沸石，而傳統沸石的孔洞較小，約為5-12 Å，

屬於微孔洞範圍。學者D´ıaz E et al. (2004) 指出 5A 型沸石之微孔洞 體積比中孔洞體積大的多，代表其孔洞大小大都分佈在微孔洞，而實 驗出來對揮發性有機物會有較低的飽和吸附量。而 Gil (1998) 也指出 Y 型沸石中孔洞體積比微孔洞大，是屬較大孔洞之沸石。

(a)

(b)

圖 2-2 (a) ZSM-5 型沸石骨架結構圖 (Kokotailo et al., 1978) ； (b) Y 型沸石骨架結構圖 (Frei et al., 1996)