زئولیت (Zeolite)

واژه زئولیت در زبان یونانی به معنای سنگ جوشان می باشد، زیرا هنگامی که در برابر فوتک کانی شناسی قرار می گیرد و گرم می شود، آب آن به صورت بخار بیرون می آید و منظره های مانند جوشیدن را فراهم می آورد. زئولیت ها، کانی های ریز متخلخل، آلومینوسیلیکات هستند که معمولاً به عنوان جاذب تجاری و کاتالیزور استفاده می شوند. پتروشیمی دانشمند، بزرگترین تامین کننده زئولیت و مواد اولیه شیمیایی در سراسر کشور می باشد.

زئولیت چیست؟

زئولیت ها، مواد معدنی آلومینوسیلیکات هیدراته ای هستند، که از تتراهیدرای به هم پیوسته آلومینا (AlO₄) و سیلیس (SiO₄) ساخته می شوند. زئولیت ها با ساختارهای متبلور و مختلفی تشکیل می شوند، که دارای منافذ باز بزرگ (که بعضاً به آن ها حفره گفته می شود) با آرایش بسیار منظم و تقریباً هم اندازه مولکول های کوچک، می باشند.

زئولیت ها به دلیل قابلیت انعطاف پذیری در برابر تبادل یونی و کم آبی برگشت پذیر، مورد توجه قرار گرفته اند.

تاریخچه زئولیت:

اصطلاح زئولیت در اصل در سال 1756 توسط اکسل فردریک کرونشتت، متخصص معدنی سوئدی مطرح شد.

ساختار زئولیت چیست؟

زئولیت ها جامدات سه بعدی، ریز متخلخل، بلوری با ساختارهای کاملاً مشخصی هستند که در چهارچوب منظم خود حاوی آلومینیوم، سیلیسیم و اکسیژن می باشند. کاتیون ها و آب در منافذ آن ها واقع شده است. آن ها یک ساختار چهارچوبی دارند، که حفره های به هم پیوسته اشغال شده، توسط کاتیون های فلزی بزرگ (یون هایی با بار مثبت) و مولکول های آب در بر گرفته شده اند.

رنگ طبیعی زئولیت:

رادیکال های گوگردی S-2 و S-3 موجود در زئولیت ها که به ترتیب مسئول رنگ های زرد و آبی آن ها هستند، در صورت وجود هر دو رادیکال در نسبت های خاص، می توانند رنگ سبز نیز ایجاد کنند. اما پودر زئولیت به رنگ سفید مایل به زرد هم دیده می شود.

تولید زئولیت:

زئولیت به طور طبیعی رخ می دهد، اما در مقیاس وسیع نیز به صورت صنعتی تولید می شود. زئولیت های طبیعی در جایی ایجاد می شوند، که سنگ های آتشفشانی و لایه های خاکستر با آب های زیرزمینی قلیایی واکنش نشان می دهند. زئولیت ها همچنین در محیط های پس از رسوب در دوره هایی از هزاران تا میلیون ها سال در حوضه های کم عمق دریایی متبلور می شوند.

زئولیت های طبیعی به ندرت خالص هستند و در درجات مختلف توسط مواد معدنی دیگر، فلزات، کوارتز یا سایر زئولیت ها آلوده می شوند. به همین دلیل، زئولیت های طبیعی که در آن ها یکنواختی و خلوص ضروری است از بسیاری از کاربردهای مهم تجاری مستثنی هستند.

کانی ها از نظر ترکیب و محل پیدایش با یکدیگر همسانی چشمگیر دارند. این کانی ها در بردارنده مقدار زیادی آب هستند و سختی آن ها از 3.5 تا 5.5 و جرم حجمی آن از2 تا 2.4 گرم بر سانتی متر مکعب متغییر است. این کانی ها بزرگترین گروه تکتوسیلیکات ها را تشکیل می دهند و 35 نوع توپولوژی مختلف در آن ها شناسایی شده است، که احتمالا انواع بیشتری نیز وجود دارد.

تاکنون بیش از 40 نوع زئولیت طبیعی و بیش از 150 نوع مصنوعی شناخته و ساخته شده است. خواص فیزیکی و شیمیایی این کانی های طبیعی متفاوت بوده و در بین نمونه های مختلف یک نوع خاص از زئولیت نیز تفاوت هایی در خواص فیزیکی (اندازه منفذ، اندازه بلور، ظرفیت تبادل یونی و ظرفیت جذبی) و ترکیب شیمیایی وجود دارد.

زئولیت های مهم صنعتی به صورت مصنوعی تولید می شوند. روش های معمول مستلزم گرم شدن محلول های آبی آلومینا و سیلیس با هیدروکسید سدیم است. معرف های معادل شامل آلومینات سدیم و سیلیکات سدیم است. تغییرات بیشتر شامل استفاده از عوامل هدایت کننده ساختار (SDA) مانند کاتیون های آمونیوم کواترنر است.

زئولیت های مصنوعی دارای برخی مزایای اصلی نسبت به نمونه های طبیعی خود هستند. مواد مصنوعی در حالت یکنواخت و خالص فاز تولید می شوند. همچنین می توان سازه های زئولیت تولید کرد که در طبیعت ظاهر نمی شوند. از آنجا که مواد اولیه اصلی مورد استفاده برای تولید زئولیت ها سیلیس و آلومینا است که از فراوان ترین اجزای معدنی موجود در زمین هستند، امکان تأمین زئولیت ها عملا نامحدود است.

برای استخراج زئولیت های طبیعی از روش های متداول استخراج معدن روباز استفاده می شود. بار سنگین برداشته می شود تا امکان دسترسی به سنگ معدن فراهم شود. با استفاده از تراکتورهای مجهز به تیغه های چاک دهنده و لودرهای جلویی، سنگ معدن ممکن است برای فرآوری یا انفجار ساخته شود.

در فرآوری، سنگ معدن خرد، خشک و آسیاب می شود. سنگ معدن آسیاب شده ممکن است از نظر اندازه ذرات در هوا طبقه بندی شده و در کیسه ها یا فله حمل شود. محصول خرد شده ممکن است برای حذف مواد ریز در صورت نیاز به یک محصول دانه ای غربال شود و برخی از محصولات گندله شده از مواد ریز تولید می شوند.

بیش از 200 نوع زئولیت مصنوعی وجود دارد که با فرآیند تبلور آهسته ژل سیلیکا-آلومینا در حضور مواد قلیایی و قالب های آلی، سنتز شده اند. از نظر تئوری می توان ساختارهای بیشتری را ساخت. علاوه بر تغییرات در ساختارها، زئولیت ها را می توان با انواع دیگر اتم ها نیز در آن ها ساخت تا از نظر شیمیایی جالب و فعال شوند. برخی از نمونه های به اصطلاح هترواتمی که در آن گنجانده شده است، شامل ژرمانیوم، آهن، گالیم، بور، روی، قلع و تیتانیوم است. یکی از فرایندهای مهم مورد استفاده برای انجام سنتز زئولیت، فرآوری سل-ژل است.

خصوصیات محصول به ترکیب مخلوط واکنش، pH سیستم، دمای عملکرد، زمان بذر قبل از واکنش، زمان واکنش و همچنین الگوهای مورد استفاده بستگی دارد. در فرآیند سل-ژل، سایر عناصر (فلزات، اکسیدهای فلز) می توانند به راحتی ترکیب شوند. سل سیلیکیت تشکیل شده با روش هیدروترمال بسیار پایدار است. سهولت اندازه گیری این فرآیند آن را به یک مسیر مورد علاقه برای سنتز زئولیت تبدیل می کند.

انواع زئولیت:

• آنالیسمNaAlSi₂O₆.H₂O
• ناترولیت Na₂Al₂Si₃O₁₀.2H₂O
• اسکولسیتCaAl₂Si₃O₁₀.3H₂O
• تامسونیت NaCl₂Al₅H₂₀.6H₂O
• هیولاندیت Ca₂Al₄Si₁₄O₃₆.12H₂O
• فیلیپسیت (K₂.Na₂.Ca)(Al₂Si₆)O₁₆.6H₂O
• هارموتوم (K₂.Ba)(Al₂Si₆)O₁₆.6H₂O
• استیلبیت (Na₂.Ca)(Al₂Si₇)O₁₈.7H₂O
• شابازیت (Na₂Ca)(Al₂Si₄)O₁₂.6H₂O
• لامونتیت Ca(Al₂Si₄)O₁₂.6H₂O
• موردنیت (K₂.Na₂.Ca)(Al₂Si₁₀)O₂₄.7H₂O
• کلینوپتیولیت K₂Na₂Ca₂(Si₂₉A₁₇)O₇₂.24H₂O

خواص زئولیت:

زئولیت ها دو ویژگی اصلی دارند: جذب و تبادل یونی. این دو خاصیت به دلیل وجود سطوح واکنشی، به دلیل وجود Al₃⁺  در سایت های جذب با یون Si₄⁺ و سیستم بلوری ریزپارچه ها است. این خواص برای چندین کاربرد به زئولیت اجازه می دهد.

زئولیت ها ساختاری متخلخل دارند، که می تواند انواع مختلفی از کاتیون ها مانند Na⁺ ،K⁺ ، Ca₂⁺  Mg₂⁺ و غیره را در خود جای دهد. این یون های مثبت نسبتاً آزاد نگه داشته می شوند و به راحتی می توانند در محلول تماس با دیگران مبادله شوند. برخی از زئولیت های معدنی متداول عبارتند از: مسکن، چابازیت، کلینوپتیلولیت، هولاندیت، ناترولیت، فیلیپسیت و استیل بایت. مثالی از فرمول معدنی زئولیت: Na، ₂Si، ₃O است.

₂H₂O، فرمول ناترولیت. این زئولیت های کاتیونی تبادل شده دارای اسیدیته مختلف بوده و چندین تجزیه اسید را کاتالیز می کنند.

زئولیت ها، آلومینوسیلیکات هستند. نمایشگرها از خانواده جامدات ریز متخلخل معروف به الک های مولکولی، و عمدتا از سیلیکون، آلومینیوم، اکسیژن و فلزات شامل تیتانیوم، قلع، روی و غیره تشکیل شده اند. اصطلاح غربال مولکولی به ویژگی خاصی از این مواد اشاره دارد،

به عنوان مثال : توانایی مرتب سازی انتخابی مولکول ها اساساً بر اساس یک فرآیند حذف اندازه می باشد. این به دلیل ساختار منافذ بسیار منظمی از ابعاد مولکولی است.

حداکثر اندازه گونه های مولکولی یا یونی که می توانند به منافذ یک زئولیت وارد شوند، توسط ابعاد کانال ها کنترل می شود. این ها به طور متعارف با اندازه حلقه دیافراگم تعریف می شوند، جایی که به عنوان مثال: اصطلاح “هشت حلقه” به یک حلقه بسته، گفته می شود، که از هشت اتم سیلیکون (یا آلومینیوم) چهار وجهی و هشت اتم اکسیژن ساخته شده است.

این حلقه ها همیشه به دلایل مختلف کاملاً متقارن نیستند، از جمله فشار ناشی از پیوند بین واحدهایی که برای تولید ساختار کلی مورد نیاز است، یا هماهنگی برخی از اتم های اکسیژن حلقه ها با کاتیون های موجود در ساختار. بنابراین، منافذ موجود در بسیاری از زئولیت ها استوانه ای نیستند.

زئولیت ها تحت شرایط هوازدگی، تغییرات گرمایی یا دگرگونی به مواد معدنی دیگر تبدیل می شوند.

توالی سنگ های آتشفشانی غنی از سیلیس معمولاً از موارد زیر پیشرفت می کند:

خاک رس        کوارتز       موردنیت       هولاندیت       اپیستیل بیت        استیل بیت      تامسونیت

کلسیت        چابازیت        اسکولیت        مزولیت

توالی سنگ های آتشفشانی فقیر سیلیس معمولاً از موارد زیر پیشرفت می کند:

Cowlesite → levyne-offretite → analcime → thomsonite – mesolite-scolecite → chabazite calcite.

کاربرد زئولیت ها:

• از زئولیت ها به عنوان بسترهای تبادل یونی در تصفیه آب خانگی و تجاری، نرم سازی و سایر موارد استفاده می شود.
• همچنین برای جداسازی مولکول ها استفاده می شود (فقط مولکول هایی با اندازه و شکل خاصی می توانند از آن عبور کنند) و به عنوان تله هایی برای مولکول ها استفاده می شود، تا بتوان آن ها را تجزیه و تحلیل کرد.
• زئولیت به عنوان کاتالیزور و جاذب نیز استفاده می شود.
• ساختار منافذ کاملاً مشخص و اسیدیته قابل تنظیم آن ها باعث می شود، که در واکنش های مختلف بسیار فعال شوند.
• زئولیت ها توانایی جداسازی دقیق و خاص گازها را دارند، از جمله حذفH₂O ،CO₂ و SO₂ از جریان های گاز طبیعی با درجه پایین. جداسازی های دیگر شامل گازهای نجیب، N₂، O₂، فریون و فرمالدئید است.
• زئولیت ها برای کمک به نقره در انتشار نور به طور طبیعی کشف شدند، که ممکن است با نورهای فلورسنت یا LED ها رقابت کند.
• سیستم های تولید اکسیژن و غلیظ کننده های اکسیژن از زئولیت ها به همراه جذب نوسان فشار برای از بین بردن نیتروژن از هوای فشرده برای تأمین اکسیژن برای لوله های هوا در ارتفاعات و همچنین منابع اکسیژن خانگی و قابل حمل استفاده می کنند.
• زئولیت های مصنوعی، مانند سایر مواد مزوپور (به عنوان مثال MCM-41)، به عنوان کاتالیزور در صنایع پتروشیمی، مانند ترک خوردگی کاتالیزوری مایع و تركش هیدروكرك، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.
• زئولیت ها مولکول ها را در فضاهای کوچک محدود می کنند، که باعث تغییر در ساختار و واکنش آن ها می شود.
• فرم های اسیدی زئولیت های تهیه شده اغلب اسیدهای جامد حالت جامد قدرتمند هستند و میزبان واکنش های کاتالیز شده با اسید، مانند ایزومریزاسیون، آلکیلاسیون و ترک را تسهیل می کنند.
• زئولیت در ترک خوردگی کاتالیستی از راکتور و بازسازی کننده ها، استفاده می کند.
• زئولیت ها از روش های پیشرفته پردازش مجدد زباله های هسته ای نیز استفاده می کنند.
• در ذخیره و استفاده از انرژی خورشیدی نیز از زئولیت استفاده می شود.
• از زئولیت ها به عنوان غربال مولکولی در پمپ های خلا به سبک انجماد نیز استفاده می شود.
• بزرگترین استفاده یکنواخت برای زئولیت، بازار جهانی مواد شوینده لباسشویی است.
• بستر گربه های غیر کلوخه اغلب از زئولیت یا دیاتومیت ساخته می شوند.
• از زئولیت های مصنوعی به عنوان ماده افزودنی در فرآیند تولید بتن آسفالت مخلوط گرم استفاده می شود.
• در استخراج سنگ های قیمتی نیز به کار می رود. تامسونیت ها، یکی از معدنی کمیاب زئولیت، به عنوان سنگ های قیمتی از مجموعه ای از گدازه ها در امتداد دریاچه ها جمع آوری شده است.

لیست قیمت انواع زئولیت: