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2018年12月29日 (土) 05:22時点における版

ゼオライト（沸石 (ふっせき)、zeolite）とはミクロ多孔性の結晶性アルミノケイ酸塩であり、分子ふるい、イオン交換材料、触媒および吸着材料として利用される。組成式は一般にMⁿ⁺_x/nAl_xSi_yO_2x+2y^x-･zH₂Oで表される。天然に存在する鉱物グループでもあるが^[1]、現在では自然界から採掘されるもの以外に、様々な構造および性質を持つゼオライトが人工的に合成されており、工業的に重要な物質となっている。

概要

ゼオライトは成分に含まれている水とアルミノケイ酸塩骨格との結びつきが弱いため、加熱すると容易に水を脱離して沸騰しているように見え、このことからギリシャ語の zeo（沸騰する）と lithos（石）を合わせて名付けられた。1756年、スウェーデンの鉱物学者Cronstedtがアイスランドにて火山岩の調査中に発見し、命名したとされる^[2]^[3]。

ゼオライトは微細なものも含めると、火成岩、堆積岩、変成岩の全てにおいて非常に多様な岩石に含まれている。産出地は沸石水として結晶の中に水がたくさん含まれていることからわかるように、水に富んでいる環境であることが多い。また、概してゼオライトは100℃程度の比較的低温の熱水から晶出する。そのような地質環境が実現する主な場所としては、溶岩と水が相互作用する場所（温泉地帯、枕状溶岩など）や、ペグマタイト鉱床での末期の生成物、さらには岩石の隙間に地下水が浸入する場所、などが挙げられる。特に溶岩と水が相互作用する場所では、大きな晶洞が生じやすく、良質で美しい鉱物標本を多産することがある（インド中部のデカン高原など）。日本も北海道、東北地方、北関東、中国地方などで豊富に産出され、特に島根県などが主な産地である^[4]。

構造

2018年12月の時点で、245種類のゼオライトまたはその類似物質の骨格構造が知られており、このうち200近くは人工的にしか合成できないものである^[5]^[6]。それぞれの骨格構造に対して、国際ゼオライト学会 (International Zeolite Association, IZA) により3文字コードが与えられる^[7]。

ゼオライトはアルミノシリケートであるがSi/Al比は1以上であり、主たる成分はSiO₂ (シリカ) である。一般にゼオライトの骨格構造にはSi−OまたはAl−O結合からなる環状構造が多く含まれている。ゼオライトを始めとするシリケート材料の環状構造の表記例を右上図に示す。中央の図が一般的な構造式を用いた書き方である。左の図はSiO₂四面体構造を強調した書き方である。酸素原子同士を結ぶと酸素の4員環ができる (青太線)。実際、このような環状部分構造に対し酸素4員環または単に4員環と呼ばれる。右の図はSi原子同士を繋げた4員環の表し方であり、もっぱら骨格のトポロジーの表現を重視した書き方である。

右図は代表的な骨格構造であるLTA (左) およびFAU (右) の比較である。両者は切頂八面体の構造 (ソーダライトケージ) を共通に有する (紫線)。しかしそれらの繋がり方が異なっており、LTAではケージの4員環同士が繋がり骨格を形成するのに対し、FAUでは6員環同士が繋がっている。その結果、LTAの細孔入り口は8員環であり小細孔ゼオライト、FAUの細孔入り口は12員環であり大細孔ゼオライトにそれぞれ属す。

イオン交換能

ゼオライトは二酸化ケイ素 (SiO₂) からなる骨格を基本とし、一部のケイ素がアルミニウムに置き換わることによって骨格の一部が負に帯電している。そのため細孔内にナトリウムなどのカチオンを含むことで電荷のバランスを取っている。粉末状にしたゼオライトを別の種類のカチオンを含んだ水溶液中に入れると、細孔内と水溶液中でイオン交換・吸着が起こる。この交換反応は可逆的であり、時間が経つと平衡状態となる。カリウムやセシウムもカチオンなので、ゼオライトによってイオン交換・吸着される。

ゼオライトの陽イオン交換優先順位の代表例は下記の通り^[8]

Cs⁺ > Rb⁺ > K⁺ > NH₄⁺ > Ba²⁺ > Sr²⁺ > Na⁺ > Ca²⁺ > Fe³⁺ > Al³⁺ > Mg²⁺ Na⁺ , Ca²⁺ , Mg²⁺

用途

触媒

ゼオライトはその細孔内に形状選択的に分子を取り込み、反応させることができるため、触媒として多方面に利用されている。特にプロトン (H⁺) でイオン交換されたゼオライトは固体酸として用いることができ、極めて有用である。例えば代表的なハイシリカゼオライトであるZSM-5を触媒として用いることでメタノールからガソリンを合成できる。また、ZSM-5と並んで代表的なゼオライトであるFAU型ゼオライトは、石油中の重質な成分のクラッキング (流動接触分解) に用いられる。

また、銅イオン (Cu²⁺) や鉄イオン (Fe²⁺ or Fe³⁺) でイオン交換されたゼオライトはディーゼル排気中に含まれるNO_xを分解・除去するための触媒として利用される。

イオン交換材料

ゼオライトはイオン交換能をもつため水質改良剤として用いられる。例えば、水中のカルシウムイオンやマグネシウムイオンをゼオライト中のナトリウムイオンと置きかえることで水の硬度を下げることができるので、衣類用の洗剤などに含まれている（「水軟化剤」等と記載されている）。また微細孔内に植物の生育に必要なカチオンを保持するため、陽イオン交換容量を増す土壌改良剤としても用いられる。

吸着材料

ゼオライトの吸着作用の代表的な利用例の一つは脱水剤である。ゼオライトはよく知られたシリカゲルよりも更に高い親水性を有する。そのため、有機溶媒の脱水や湿度調節に用いられる。水だけではなくゼオライトは毒素やアンモニア等を吸着することができ、環境浄化の目的でも使われる^[9]。

ゼオライト膜を調製する事で膜分離に応用できる。たとえばA型ゼオライトを用いたエタノールと水の分離が知られている^[10]。

観賞魚飼育の濾過材としても使用され、水中内の有機物質を除去し、バクテリアの繁殖に有効である。非加熱で処理できるため食品などでの脱水工程に使われることもある^[11]。

洗浄剤

吸着作用を利用して、食品や人体などに使われる洗剤や洗浄助剤としても入れられている^[12]。

成分・種類

1997年、国際鉱物学連合（IMA）の小委員会により、以下のように整理された。

アミチ沸石 (amicite) - ${\ce {K4Na4[Al8Si8O32].10H2O}}$ 、単斜
方沸石 (analcime) - ${\ce {Na[AlSi2O6].H2O}}$ 、等軸・正方・斜方・単斜・三斜
バレル沸石 (barrerite) - ${\ce {Na2[Al2Si7O18].6H2O}}$ 、斜方
ベルベルヒ沸石 (bellbergite) - ${\ce {(K,Ba,Sr)2Sr2Ca2(Ca,Na)4[Al18Si18O72].30H2O}}$ 、六方
ビキタ沸石 (bikitaite) - ${\ce {Li[AlSi2O6].H2O}}$ 、単斜・三斜
ボッグス沸石 (boggsite) - ${\ce {Ca8Na3[Al19Si77O192].70H2O}}$ 、斜方
ブリュースター沸石 (brewsterite)（※系列名） - ${\ce {(Sr,Ba)2[Al4Si12O32].10H2O}}$ ${\ce {(Sr,Ba)2[Al4Si12O32].10H2O}}$ 、単斜・三斜
- ストロンチウムブリュースター沸石 (brewsterite-Sr)
- 重土ブリュースター沸石 (brewsterite-Ba)
菱沸石 (chabazite)（※系列名）- ${\ce {(Ca_{0.5},Na,K)4[Al4Si8O24].12H2O}}$ ${\ce {(Ca_{0.5},Na,K)4[Al4Si8O24].12H2O}}$ 、三方・三斜
- 灰菱沸石 (chabazite-Ca)
- ソーダ菱沸石 (chabazite-Na)
- カリ菱沸石 (chabazite-K)
キアヴェンナ石 (chiavennite) - ${\ce {CaMn[Be2Si5O13(OH)2].2H2O}}$ 、斜方
斜プチロル沸石 (clinoptilolite)（※系列名） - ${\ce {(Na,K,Ca_{0.5},Sr_{0.5},Ba_{0.5},Mg_{0.5})6[Al6Si30O72].\sim 20H2O}}$ ${\ce {(Na,K,Ca_{0.5},Sr_{0.5},Ba_{0.5},Mg_{0.5})6[Al6Si30O72].\sim 20H2O}}$ 、単斜
- カリ斜プチロル沸石 (clinoptilolite-K)
- ソーダ斜プチロル沸石 (clinoptilolite-Na)
- 灰斜プチロル沸石 (clinoptilolite-Ca)
コウルス沸石 (cowlesite) - Ca[Al₂Si₃O₁₀]・5.3H₂O、斜方
ダキアルディ沸石 (dachiardite)（※系列名） - ${\ce {(Ca_{0.5},Na,K)_{4-5}[Al_{4-5}Si_{20-19}O48].13H2O}}$ ${\ce {(Ca_{0.5},Na,K)_{4-5}[Al_{4-5}Si_{20-19}O48].13H2O}}$ 、単斜
- 灰ダキアルディ沸石 (dachiardite-Ca)
- ソーダダキアルディ沸石 (dachiardite-Na)
エディントン沸石 (edingtonite) - ${\ce {Ba[Al2Si3O10].4H2O}}$ 、斜方・正方
剥沸石 (epistilbite) - ${\ce {(Ca,Na2)[Al2Si4O12].4H2O}}$ 、単斜・三斜
エリオン沸石 (erionite)（※系列名） - ${\ce {K2(Na,Ca_{0.5})8[Al10Si26O72].30H2O}}$ ${\ce {K2(Na,Ca_{0.5})8[Al10Si26O72].30H2O}}$ 、六方
- ソーダエリオン沸石 (erionite-Na)
- カリエリオン沸石 (erionite-K)
- 灰エリオン沸石 (erionite-Ca)
フォージャス沸石(faujasite)（※系列名） - ${\ce {(Na,Ca_{0.5},Mg_{0.5},K)_{x}[Al_{x}Si_{12-x}O24].16H2O}}$ ${\ce {(Na,Ca_{0.5},Mg_{0.5},K)_{x}[Al_{x}Si_{12-x}O24].16H2O}}$ 、等軸
- 曹達フォージャス沸石 (faujasite-Na)
- 灰フォージャス沸石 (faujasite-Ca)
- 苦土フォージャス沸石 (faujasite-Mg)
フェリエ沸石 (ferrierite)（※系列名） - ${\ce {(K,Na,Mg_{0.5},Ca_{0.5})6[Al6Si30O72].18H2O}}$ ${\ce {(K,Na,Mg_{0.5},Ca_{0.5})6[Al6Si30O72].18H2O}}$ 、斜方・単斜
- 苦土フェリエ沸石 (ferrierite-Mg)
- カリフェリエ沸石 (ferrierite-K)
- ソーダフェリエ沸石 (ferrierite-Na)
ガロン沸石 (garronite) - ${\ce {NaCa_{2.5}[Al6Si10O32].14H2O}}$ 、正方・斜方
ゴールト石 (gaultite) - ${\ce {Na4[Zn2Si7O18].5H2O}}$ 、斜方
ギスモンド沸石 (gismondine) - Ca[Al₂Si₂O₈]・4.5H₂O、単斜
グメリン沸石 (gmelinite)（※系列名） - ${\ce {(Na2,Ca,K2)4[Al8Si16O48].22H2O}}$ ${\ce {(Na2,Ca,K2)4[Al8Si16O48].22H2O}}$ 、六方
- ソーダグメリン沸石 (gmelinite-Na)
- 灰グメリン沸石 (gmelinite-Ca)
- カリグメリン沸石 (gmelinite-K)
ゴビンス沸石 (gobbinsite) - ${\ce {Na5[Al5Si11O32].12H2O}}$ 、斜方
ゴナルド沸石 (gonnardite) - ${\ce {(Na,Ca)_{6-8}[(Al,Si)20O40].12H2O}}$ 、正方
グーズクリーク沸石 (goosecreekite) - ${\ce {Ca[Al2Si6O16].5H2O}}$ 、単斜
ゴタルディ沸石 (gottardiite) - ${\ce {Na3Mg3Ca5[Al19Si117O272].93H2O}}$ 、斜方
重土十字沸石 (harmotome) - ${\ce {(Ba_{0.5},Ca_{0.5},K,Na)5[Al5Si11O32].12H2O}}$ 、単斜
輝沸石 (heulandite)（※系列名） - ${\ce {(Ca_{0.5},Sr_{0.5},Ba_{0.5},Mg_{0.5},Na,K)9[Al9Si27O72].\sim 24H2O}}$ ${\ce {(Ca_{0.5},Sr_{0.5},Ba_{0.5},Mg_{0.5},Na,K)9[Al9Si27O72].\sim 24H2O}}$ 、単斜
- 灰輝沸石 (heulandite-Ca)
- ストロンチウム輝沸石 (heulandite-Sr)
- ソーダ輝沸石 (heulandite-Na)
- カリ輝沸石 (heulandite-K)
シャンファ石 (hsianghualite) - ${\ce {Li2Ca3[Be3Si3O12]F2}}$ 、等軸
カリボルサイト (kalborsite) - ${\ce {K6[Al4Si6O20]B(OH)4Cl}}$ 、正方
濁沸石 (laumontite) - ${\ce {Ca4[Al8Si16O48].18H2O}}$ 、単斜
レビ沸石 (levyne)（※系列名）- ${\ce {(Ca_{0.5},Na,K)6[Al6Si12O36].\sim 17H2O}}$ ${\ce {(Ca_{0.5},Na,K)6[Al6Si12O36].\sim 17H2O}}$ 、三方
- 灰レビ沸石 (levyne-Ca)
- ソーダレビ沸石 (levyne-Na)
ロヴダル石 (lovdarite) - ${\ce {K4Na12[Be8Si28O72].18H2O}}$ 、斜方
マリコパ石 (maricopaite) - ${\ce {(Pb7Ca2)[Al12Si36(O,OH)100].{\it {n}}(H2O,OH),{\it {{n}\sim {\rm {32}}}}}}$ 、斜方
マッシィ沸石 (mazzite) - ${\ce {(Mg_{2.5}K2Ca_{1.5})[Al10Si26O72].30H2O}}$ 、六方
メルリーノ沸石 (merlinoite) - ${\ce {K5Ca2[Al9Si23O64].22H2O}}$ 、斜方
中沸石 (mesolite) - ${\ce {Na16Ca16[Al48Si72O240].64H2O}}$ 、斜方
モンテソンマ沸石 (montesommaite) - ${\ce {K9[Al9Si23O64].10H2O}}$ 、斜方
モルデン沸石 (mordenite) - ${\ce {(Na2,Ca,K2)4[Al8Si40O96].28H2O}}$ 、斜方
ムティーナ沸石 (mutinaite) - ${\ce {Na3Ca4[Al11Si85O192].60H2O}}$ 、斜方
ソーダ沸石 (natrolite) - ${\ce {Na2[Al2Si3O10].2H2O}}$ 、斜方
オフレ沸石 (offrétite) - ${\ce {CaKMg[Al5Si13O36].16H2O}}$ 、六方
パハサパ石 (pahasapaite) - ${\ce {(Ca_{5.5}Li_{3.6}K_{1.2}Na_{0.2}{\Box _{13.5}})Li8[Be24P24O96].38H2O}}$ 、等軸
パルテ沸石 (parthéite) - ${\ce {Ca2[Al4Si4O15(OH)2].4H2O}}$ 、単斜
ポーリン沸石 (paulingite)（※系列名） - ${\ce {(K,Ca_{0.5},Na,Ba_{0.5})10[Al10Si32O84].27-44H2O}}$ ${\ce {(K,Ca_{0.5},Na,Ba_{0.5})10[Al10Si32O84].27-44H2O}}$ 、等軸
- 曹達ポーリング沸石 (paulingite-Na)
- カリポーリング沸石 (paulingite-K)
- カルシウムポーリング沸石 (paulingite-Ca)
パーリアル沸石 (perlialite) - ${\ce {K9Na(Ca,Sr)[Al12Si24O72].15H2O}}$ 、六方
十字沸石 (phillipsite)（※系列名） - ${\ce {(K,Na,Ca_{0.5},Ba_{0.5})_{x}[Al_{x}Si_{16-x}O32].12H2O}}$ ${\ce {(K,Na,Ca_{0.5},Ba_{0.5})_{x}[Al_{x}Si_{16-x}O32].12H2O}}$ 、単斜
- ソーダ十字沸石 (phillipsite-Na)
- カリ十字沸石 (phillipsite-K)
- 灰十字沸石 (phillipsite-Ca)
ポルクス石 (pollucite) - ${\ce {(Cs,Na)[AlSi2O6].{\it {n}}H2O,where({Cs}+{\it {n}})=1}}$ 、等軸
ロッジァン石 (roggianite) - ${\ce {Ca2[Be(OH)2Al2Si4O13].}}$ ${\rm {2.5\ H_{2}O}}$ 、正方
スコレス沸石 (scolecite) - ${\ce {Ca[Al2Si3O10].3H2O}}$ 、単斜
ステラ沸石 (stellerite) - ${\ce {Ca[Al2Si7O18].7H2O}}$ 、斜方
束沸石 (stilbite)（※系列名） - ${\ce {(Ca_{0.5},Na,K)9[Al9Si27O72].28H2O}}$ ${\ce {(Ca_{0.5},Na,K)9[Al9Si27O72].28H2O}}$ 、単斜
- 灰束沸石 (stilbite-Ca)
- ソーダ束沸石 (stilbite-Na)
テラノヴァ沸石 (terranovaite) - ${\ce {NaCa[Al3Si17O40].7H2O}}$ 、斜方
トムソン沸石 (thomsonite) - ${\ce {Ca2Na[Al5Si5O20].6H2O}}$ 、斜方
ツァーニック沸石 (tschernichite) - ${\ce {Ca[Al2Si6O16].\sim 8H2O}}$ 、正方
ツョルトナー沸石 (tschörtnerite) - ${\ce {Ca4(K2,Ca,Sr,Ba)3Cu3(OH)8[Al12Si12O48].{\it {n}}H2O,{\it {n}}\sim 20}}$ 、等軸
ワイラケ沸石 (wairakite) - ${\ce {Ca[Al2Si4O12].2H2O}}$ 、単斜・正方
ヴァイネベーネ石 (weinebeneite) - ${\ce {Ca[Be3(PO4)2(OH)2].4H2O}}$ 、単斜
ウィルヘンダーソン沸石 (willhendersonite) - ${\ce {KxCa_{(1.5-0.5x)}[Al3Si3O12].5H2O, where\ 0<x<1}}$ 、三斜
湯河原沸石 (yugawaralite) - ${\ce {Ca[Al2Si6O16].4H2O}}$ 、単斜・三斜

安全性

IARCではエリオナイト（英語版）以外のゼオライトを「ヒトに対する発がん性について分類できない」グループ3に指定している。

脚注

[脚注の使い方]

^ 文部省編『学術用語集地学編』日本学術振興会、1984年、394頁。ISBN 4-8181-8401-2。
^ 天然ゼオライトとは？
^ Berrer, R.M. (1978). “Zeolites and Clay Minerals as Sorbents and Molecular Sieves”. Academic Press: 1.
^ ゼオライトとは
^ International Zeolite Association, Database of Zeolite Structures
^ Webmineral Zeolites, Dana Classification
^ “IZA Structure Commission”. www.iza-structure.org. 2017年1月23日閲覧。
^ 佐藤満雄、ゼオライト系珪酸塩のすぐれた特性とその利用鉄と鋼 1985年 71巻 7号 p.800-806, doi:10.2355/tetsutohagane1955.71.7_800
^ Arch. Environ. Contam. Toxicol. 47: 440. (2004). doi:10.1007/s00244-004-4003-3.
^ Kita, H. (1995). J. Mater. Sci. Lett. 14: 206.
^ https://www.m-chemical.co.jp/products/departments/mcc/aquachem/product/1200496_7280.html
^ 3.洗浄力を高める助剤を供給ビルダー(洗浄助剤)分野日本石鹸洗剤工業会（2018年4月5日閲覧）

参考文献

Coombs, Douglas S.; et al. (1997). “Recommended nomenclature for zeolite minerals: report of the Subcommittee on Zeolites of the International Mineralogical Association, Commission on New Minerals and Mineral Names” (PDF). The Canadian Mineralogist (Mineralogical Association of Canada) 35 (6): 1571-1606. ISSN 0008-4476. NAID 80010307031.
松原聰「沸石の種類」『岩石鉱物科学』第31巻第5号、日本鉱物科学会、2002年、261-267頁、doi:10.2465/gkk.31.261、ISSN 1345-630X、NAID 130000253732、JOI:JST.JSTAGE/gkk/31.261。

外部リンク

“平成24年4月12日農用地等における「民間等提案型放射性物質除去・低減技術実証試験事業」試験結果について（第 1 報）福島県農林水産部(pdf)”. 2012年7月8日閲覧。
Zeolite Group (英語), MinDat.org, 2011年8月4日閲覧。（英語）
福岡正人. “Zeolite〔沸石〕グループ”. 地球資源論研究室. 広島大学大学院総合科学研究科. 2011年8月4日閲覧。

[1] 文部省編『学術用語集地学編』日本学術振興会、1984年、394頁。ISBN 4-8181-8401-2。

[2] 天然ゼオライトとは？

[3] Berrer, R.M. (1978). “Zeolites and Clay Minerals as Sorbents and Molecular Sieves”. Academic Press: 1.

[4] ゼオライトとは

[IZA-SC-5] International Zeolite Association, Database of Zeolite Structures

[6] Webmineral Zeolites, Dana Classification

[7] “IZA Structure Commission”. www.iza-structure.org. 2017年1月23日閲覧。

[8] 佐藤満雄、ゼオライト系珪酸塩のすぐれた特性とその利用鉄と鋼 1985年 71巻 7号 p.800-806, doi:10.2355/tetsutohagane1955.71.7_800

[9] Arch. Environ. Contam. Toxicol. 47: 440. (2004). doi:10.1007/s00244-004-4003-3.

[10] Kita, H. (1995). J. Mater. Sci. Lett. 14: 206.

[11] ttps://www.m-chemical.co.jp/products/departments/mcc/aquachem/product/1200496_7280.html

[12] 3.洗浄力を高める助剤を供給ビルダー(洗浄助剤)分野日本石鹸洗剤工業会（2018年4月5日閲覧）

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@@ 1行目: / 1行目: @@
+{{Otheruses||企業のゼオライト株式会社|ゼオライト (企業)}}
-{{Otheruses|鉱物の沸石|突沸防止用の多孔質物体|沸騰石}}
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2018年12月29日 (土) 05:22時点における版

概要

構造

イオン交換能

用途

成分・種類

安全性

脚注

参考文献

関連項目

外部リンク