从沸石的发现到今天,人们对这种神奇、有趣且有用的材料的科学研究和使用的兴趣不断增长。
天然沸石是水合硅铝酸盐材料。初级构建单元(PBU)是Si和Al氧化物的四面体,它们通过氧离子互连成二维和三维次级单元(次级构建单元[SBU])。沸石网络由充满水合碱金属和碱土金属离子的通道和空腔组成。由于这些金属离子在沸石结构中的存在,金属离子的正电荷与沸石网络的负电荷之间达到平衡。
沸石的水合和脱水特性对于发现其物理和化学特性及其更广泛的用途至关重要,这就是为什么这种矿物被命名为“沸石”(ζέω(zéō)意为“沸腾”,λίθος(líthos)意为“石头”)。
与天然沸石在玄武岩空腔中形成晶体或在相对低温的不同地质环境中形成火山凝灰岩不同,合成沸石是在实验室条件下通过水热合成产生的。在某些化合物(“模板”或结构导向剂(SDA))存在的情况下进行水热合成过程中,这些化合物作用于SBU的组织并随后形成三级或复合结构单元(TBU),最终结晶沸石在包含Si-O-Al键的多面体形式。沸石合成过程中动力学过程的控制尤其重要,因为通过该过程产生的大多数沸石都是亚稳态相。
沸石材料是在18世纪发现的,当时瑞典化学家、现代矿物学创始人BaronAxelFredrikCronstedt发现,在加热矿物“辉沸石”期间,其表面会出现水分。他的发现开始了天然沸石的化学、物理和矿物学特性的研究。
尽管在发现时沸石的结构研究能力有限(与当今的现代方法不同),但研究人员为当今天然和合成沸石的应用奠定了基础。根据Cronstedt的观察和研究,根据现有文献,在19世纪中叶,合成了第一个合成沸石-列文石,而在20世纪上半叶(第一次对沸石材料进行结构分析后),一种合成的类似沸石-丝光沸石合成。对沸石的合成以及物理和化学性质(吸收、离子交换、脱水)的深入研究使沸石的工业应用成为可能。沸石的重大发现和研究,以及现代沸石科学的开端(与新仪器技术的发展并行)。
沸石市场(天然和合成产品)在各大洲都有发展,沸石的最大市场在美国,其次是亚太地区、中国、印度、欧洲和其他市场。全球沸石市场份额(按产品)表明,合成沸石的份额比天然沸石更大。2016年沸石全球市场估计为290.8亿美元,预计2016年至2022年期间将增长2.5%。因此,沸石全球市场到2022年可达到33.8美元。
市场研究公司已发布报告,其中介绍了以下内容:特定估计时期内按产品、应用和地区划分的沸石市场规模、份额和趋势分析报告。他们的一些数据如表1所示。复合年增长率(CAGR)的价值是指COVID-19大流行之前的估值。
市场研究公司估计,考虑到原材料价格高、原材料运输成本高以及特定工业领域替代材料的可用性等限制,天然沸石市场到2030年将增长放缓。应用(例如酶、金属和催化过程中的其他化合物)。然而,天然沸石与其他材料相比具有优势,因为它们无毒且生态可接受,因此这些材料可以满足环境保护法规定的要求。
与天然沸石不同,预计到2030年对合成沸石的需求将在工业应用领域增长。全球市场取决于一系列因素,例如政治和经济形势以及其他无法影响或预测的因素。其中一个因素是COVID-19大流行,它(根据初步预测)导致市场状况发生变化,减缓了技术进步和新生产的开始,并使基于沸石材料的新产品难以推向市场。
今天,人类面临着许多威胁,例如(i)气候变化引起的干旱和淡水短缺,(ii)政治和经济不稳定,以及(iii)SARS-CoV-2大流行等危险的流行病,它导致科学研究、经济增长和发展的放缓,甚至给人类的生存带来了问题。随着目前沸石在农业、畜牧业、水处理、众多行业(化工、石油、建筑等)、生物技术、医药等方面的应用,沸石应用的未来为研究、开发和技术应用开辟了新的可能性在尚未发现的领域,如药物和抗菌应用,这将为沸石开辟新的全球市场。
此外,沸石在有助于减少CO2排放(导致气候变化的温室气体之一)的技术中的应用可能对其未来的使用起到重要作用。