ゼオライト

沸石^[1]（ふっせき、ゼオライト、zeolite）とは、天然に産する鉱物グループ。

アルミノケイ酸塩のなかで結晶構造中に比較的大きな空隙を持つものの総称でもあり、分子ふるい、イオン交換材料、触媒、吸着材料として利用される。現在では、さまざまな性質を持つ沸石が人工的に合成されており、工業的にも重要な物質となっている。

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) - K₄Na₄[Al₈Si₈O₃₂]・10H₂O、単斜
方沸石 (analcime) - Na[AlSi₂O₆]・H₂O、等軸・正方・斜方・単斜・三斜
バレル沸石 (barrerite) - Na₂[Al₂Si₇O₁₈]・6H₂O、斜方
ベルベルヒ沸石 (bellbergite) - (K,Ba,Sr)₂Sr₂Ca₂(Ca,Na)₄[Al₁₈Si₁₈O₇₂]・30H₂O、六方
ビキタ沸石 (bikitaite) - Li[AlSi₂O₆]・H₂O、単斜・三斜
ボッグス沸石 (boggsite) - Ca₈Na₃[Al₁₉Si₇₇O₁₉₂]・70H₂O、斜方
ブリュースター沸石 (brewsterite)（※系列名） - (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）-　(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) - CaMn[Be₂Si₅O₁₃(OH)₂]・2H2O、斜方
斜プチロル沸石 (clinoptilolite)（※系列名） - (Na,K,Ca_0.5,Sr_0.5,Ba_0.5,Mg_0.5)₆[Al₆Si₃₀O₇₂]・～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） - (Ca_0.5,Na,K)_4-5[Al_4-5Si_20-19O₄₈]・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) - Ba[Al₂Si₃O₁₀]・4H₂O、斜方・正方
剥沸石 (epistilbite) - (Ca,Na₂)[Al₂Si₄O₁₂]・4H₂O、単斜・三斜
エリオン沸石 (erionite)（※系列名） - 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） - (Na,Ca_0.5,Mg_0.5,K)_x[Al_xSi_12-xO₂₄]・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） - (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) - NaCa_2.5[Al₆Si₁₀O₃₂]・14H₂O、正方・斜方
ゴールト石 (gaultite) - 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） - (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) - Na₅[Al₅Si₁₁O₃₂]・12H₂O、斜方
ゴナルド沸石 (gonnardite) - (Na,Ca)_6-8[(Al,Si)₂₀O₄₀]・12H₂O、正方
グーズクリーク沸石 (goosecreekite) - Ca[Al₂Si₆O₁₆]・5H₂O、単斜
ゴタルディ沸石 (gottardiite) - Na₃Mg₃Ca₅[Al₁₉Si₁₁₇O₂₇₂]・93H₂O、斜方
重土十字沸石 (harmotome) - (Ba_0.5,Ca_0.5,K,Na)₅[Al₅Si₁₁O₃₂]・12H₂O、単斜
輝沸石 (heulandite)（※系列名） - (Ca_0.5,Sr_0.5,Ba_0.5,Mg_0.5,Na,K)₉[Al₉Si₂₇O₇₂]・～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) - Li₂Ca₃[Be₃Si₃O₁₂]F₂、等軸
カリボルサイト (kalborsite) - K₆[Al₄Si₆O₂₀]B(OH)₄Cl、正方
濁沸石 (laumontite) - Ca₄[Al₈Si₁₆O₄₈]・18H₂O、単斜
レビ沸石 (levyne)（※系列名）- (Ca_0.5,Na,K)₆[Al₆Si₁₂O₃₆]・～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) - K₄Na₁₂[Be₈Si₂₈O₇₂]・18H₂O、斜方
マリコパ石 (maricopaite) - (Pb₇Ca₂)[Al₁₂Si₃₆(O,OH)₁₀₀]・n(H₂O,OH), n～32、斜方
マッシィ沸石 (mazzite) - (Mg_2.5K₂Ca_1.5)[Al₁₀Si₂₆O₇₂]・30H₂O、六方
メルリーノ沸石 (merlinoite) - K₅Ca₂[Al₉Si₂₃O₆₄]・22H₂O、斜方
中沸石 (mesolite) - Na₁₆Ca₁₆[Al₄₈Si₇₂O₂₄₀]・64H₂O、斜方
モンテソンマ沸石 (montesommaite) - K₉[Al₉Si₂₃O₆₄]・10H₂O、斜方
モルデン沸石 (mordenite) - (Na₂,Ca,K₂)₄[Al₈Si₄₀O₉₆]・28H₂O、斜方
ムティーナ沸石 (mutinaite) - Na₃Ca₄[Al₁₁Si₈₅O₁₉₂]・60H₂O、斜方
ソーダ沸石 (natrolite) - Na₂[Al₂Si₃O₁₀]・2H₂O、斜方
オフレ沸石 (offrétite) - CaKMg[Al₅Si₁₃O₃₆]・16H₂O、六方
パハサパ石 (pahasapaite) - (Ca_5.5Li_3.6K_1.2Na_0.2□_13.5)Li₈[Be₂₄P₂₄O₉₆]・38H₂O、等軸
パルテ沸石 (parthéite) - Ca₂[Al₄Si₄O₁₅(OH)₂]・4H₂O、単斜
ポーリン沸石 (paulingite)（※系列名） - (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) - K₉Na(Ca,Sr)[Al₁₂Si₂₄O₇₂]・15H₂O、六方
十字沸石 (phillipsite)（※系列名） - (K,Na,Ca_0.5,Ba_0.5)_x[Al_xSi_16-xO₃₂]・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) - (Cs,Na)[AlSi₂O₆]・nH₂O, where (Cs+n)=1、等軸
ロッジァン石 (roggianite) - Ca₂[Be(OH)₂Al₂Si₄O₁₃]・<2.5H₂O、正方
スコレス沸石 (scolecite) - Ca[Al₂Si₃O₁₀]・3H₂O、単斜
ステラ沸石 (stellerite) - Ca[Al₂Si₇O₁₈]・7H₂O、斜方
束沸石 (stilbite)（※系列名） - (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) - NaCa[Al₃Si₁₇O₄₀]・>7H₂O、斜方
トムソン沸石 (thomsonite) - Ca₂Na[Al₅Si₅O₂₀]・6H₂O、斜方
ツァーニック沸石 (tschernichite) - Ca[Al₂Si₆O₁₆]・～8H₂O、正方
ツョルトナー沸石 (tschörtnerite) - Ca₄(K₂,Ca,Sr,Ba)₃Cu₃(OH)₈[Al₁₂Si₁₂O₄₈]・nH₂O, n～20、等軸
ワイラケ沸石 (wairakite) - Ca[Al₂Si₄O₁₂]・2H₂O、単斜・正方
ヴァイネベーネ石 (weinebeneite) - Ca[Be₃(PO₄)₂(OH)₂]・4H₂O、単斜
ウィルヘンダーソン沸石 (willhendersonite) - K_xCa_(1.5-0.5x)[Al₃Si₃O₁₂]・5H₂O, where 0<x<1、三斜
湯河原沸石 (yugawaralite) - Ca[Al₂Si₆O₁₆]・4H₂O、単斜・三斜

産出地

微細なものも含めると、沸石は火成岩、堆積岩、変成岩のすべてにおいて非常に多様な岩石に含まれている。

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、産出する環境は水に富んでいることが多い。また、概して沸石は - 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）。

性質・特徴

イオン交換能

沸石は二酸化ケイ素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結晶格子全体が負に帯電している。そのため、微細孔内にナトリウムなどのカチオンを含み、電荷のバランスを取っている。粉末状にした沸石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、時間がたつと飽和して平衡状態となる。カリウムやセシウムもカチオンなので、沸石によってイオン交換・吸着される。

沸石の陽イオン交換優先順位は下記の通り^[要出典]。セシウム (Cs) やストロンチウム (Sr) など有害物質の交換順位が高い。

Cs > Rb > K > NH₄ > Ba > Sr > Na > Ca > Fe > Al > Mg > Li

吸着作用

沸石は、液体の中において、微細孔内の水分子を放出し、かわりに毒素・アンモニア等を吸着することができる。そのため、有機溶媒の脱水や湿度調節に用いられる。

イオン交換材料

ゼオライトは上述の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。

触媒

ゼオライトはその細孔内に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。例えばZSM-5という合成ゼオライトを用いることでメタノールからガソリンを合成することに成功している。また、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も期待されている。また，石油中の重質な成分のクラッキングには主にFAU構造のゼオライトが用いられている．

吸着材料

ゼオライトは微細孔内に水分子を吸着し、また放出することができるため、膜分離に応用され有機溶媒の脱水や湿度調節に用いられる。また、観賞魚飼育のろ過材としても使用され、水中内のアンモニアの吸着、有機物質、バクテリアの繁殖などに使われている。

名称の由来

ゼオライトという名称は、成分に含まれている水とアルミノケイ酸骨格との結びつきが弱いため、加熱すると容易に水を分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。

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。

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。

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