زئولیت

زئولیت چیست؟

زئولیت ها مواد شیمیایی و معدنی آلومینوسیلیکات هیدراته هستند که از چهار وجهی به هم پیوسته آلومینا (AlO4 ) و سیلیس (SiO4 ) ساخته شده اند . به عبارت ساده تر، آنها جامداتی هستند با ساختار بلوری نسبتاً باز و سه بعدی که از عناصر آلومینیوم ، اکسیژن و سیلیکون ساخته شده اند، با فلزات قلیایی یا قلیایی زمین (مانند سدیم، پتاسیم و منیزیم) و مولکول های آب به دام افتاده اند. در شکاف های بین آنها زئولیت‌ ها با ساختارهای کریستالی بسیار متفاوتی تشکیل می‌شوند که دارای منافذ باز بزرگ (که گاهی به آن حفره گفته می‌شود) در آرایش بسیار منظم و تقریباً به اندازه مولکول‌های کوچک است.

انواع زئولیت ها

زئولیت ها یا به طور طبیعی تشکیل می شوند یا می توان آنها را سنتز کرد یا به صورت صنعتی تولید کرد. امروزه 50 نوع مختلف زئولیت موجود است.

1. N a 2 K 2 C a M g ( A l O 2 ) 2 ( S i O 2 ) 2 . 6 H 2 O ( اریونیت )

2.  N a 2 C a ( A l O 2 ) 2 ( S i O 2 ) 4 .6 H 2 O ( Gemelinite)

3.  H x [ ( Al O 2 ) x ( S i O 2 ) 96 – x ] .16 H 2 O ( ZSM-5 )

زئولیت های طبیعی

آنها بیشتر در سنگ های آتشفشانی و رسوبی یافت می شوند.

مثال ها:

1. زئولیت کلینوپتیلولیت (Clino) دارای نسبت سیلیس به آلومینا 5 به 1 است.

زئولیت کلینو در وسط یک محیط اسیدی تجزیه نمی شود و به طور گسترده در صنعت کشاورزی به عنوان افزودنی خوراک و اصلاح کننده خاک استفاده می شود.

2.  N a 56 ( Al O 2 ) 56 ( S i O 2 ) 136 .250 H 2 O ( Faujasite )

زئولیت های سنتز شده

زئولیت‌ های مصنوعی معمولاً با فرآیند تبلور آهسته ژل سیلیکا-آلومینا در حضور قلیاها و قالب‌های آلی سنتز می‌شوند. جالب توجه است که با استفاده از این فرآیند بایوساید می توان ساختارهای مختلفی ساخت. جدای از تغییرات در ساختار، زئولیت ها را می توان از انواع اتم های دیگر تولید کرد یا ساخت که آنها را از نظر شیمیایی جالب و فعال می کند. به عنوان مثال، به اصطلاح هترواتم ها عبارتند از ژرمانیوم، آهن، گالیم، بور، روی، قلع و تیتانیوم.

فرآیند مهم دیگری که برای انجام سنتز زئولیت استفاده می شود، پردازش سل-ژل است. در اینجا، خواص محصول تا حد زیادی به عوامل مختلفی مانند pH سیستم، دمای عملیاتی، ترکیب مخلوط واکنش، زمان بذر قبل از واکنش، زمان واکنش و قالب‌های مورد استفاده بستگی دارد. در این فرآیند، چند عنصر دیگر (فلزات، اکسیدهای فلزی) را می توان به راحتی وارد کرد. به طور کلی، سل سیلیکالیت تولید شده به روش هیدروترمال بسیار پایدار است. این فرآیند برای سنتز زئو معمولاً توسط بسیاری ترجیح داده می شود زیرا می توان آن را به راحتی افزایش داد.

چندین زئولیت مصنوعی برای یک هدف خاص سنتز شده اند، یک مثال شناخته شده زئو A است که معمولا در مواد شوینده لباسشویی استفاده می شود. زئولیت سنتز شده دارای نسبت سیلیس به آلومینا 1 به 1 خواهد بود.

خواص و ویژگی زئولیت ها

زئولیت ها جامدات بسیار پایداری هستند که در برابر انواع شرایط محیطی که بسیاری از مواد دیگر را به چالش می کشد، مقاومت می کنند. دمای بالا آنها را آزار نمی دهد زیرا نقطه ذوب نسبتاً بالایی دارند (بیش از 1000 درجه سانتیگراد) و نمی سوزند. آنها همچنین در برابر فشارهای بالا مقاومت می کنند، در آب یا سایر حلال های معدنی حل نمی شوند و در هوا اکسید نمی شوند.
اعتقاد بر این نیست که آنها از طریق، به عنوان مثال، تماس با پوست یا استنشاق، باعث ایجاد مشکلات سلامتی می شوند، اگرچه به شکل فیبری ممکن است اثرات سرطان زا (سرطان زا) داشته باشند .
از آنجایی که آنها غیر واکنشی هستند و بر اساس مواد معدنی طبیعی هستند، اعتقاد بر این است که هیچ گونه اثرات زیست محیطی مضری ندارند. اگرچه زئولیت ها ممکن است بسیار خسته کننده به نظر برسند، طبیعت پایدار و غیر واکنشی آنها چیزی نیست که آنها را مفید می کند.

• زئولیت ها در شرایط محیطی مختلف جامدات بسیار پایداری هستند. نقطه ذوب زئولیت بسیار بالاست، یعنی 1000 درجه سانتیگراد.
• آنها در آب یا سایر حلال های معدنی نامحلول هستند.
• آنها در حضور هوا تحت اکسیداسیون قرار نمی گیرند.
• ویژگی بارز زئولیت ساختار قفس مانند باز آن است که به زئولیت کمک می کند آب و یون های پتاسیم و کلسیم را به دام بیاندازد.
• شکل طبیعی زئولیت به صورت تصادفی رخ می دهد و اندازه منافذ یکنواخت نیست، در حالی که زئولیت های مصنوعی به روشی بسیار دقیق با اندازه منافذ یکنواخت سنتز می شوند.
• زئولیت های غنی از آلومینا به سمت مولکول های قطبی مانند آب جذب می شوند، در حالی که زئولیت های غنی از سیلیس به سمت مولکول های غیر قطبی جذب می شوند.
• از آنجایی که زئولیت‌ها واکنش‌پذیر نیستند و از مواد معدنی طبیعی به دست می‌آیند، هیچ گونه اثرات زیان‌بار محیطی ندارند، اگرچه تماس پوستی یا استنشاق ممکن است اثر سرطان‌زایی داشته باشد.

قیمت زئولیت

جالب ترین چیز در مورد زئولیت ها ساختار باز و قفس مانند و “چارچوب” آنها و روشی است که می تواند مولکول های دیگر را در داخل خود به دام بیندازد.
اینگونه است که مولکول‌های آب و یون‌های فلز قلیایی یا قلیایی زمین (اتم‌های با بار مثبت با الکترون‌های بسیار کم، که گاهی کاتیون‌ها نیز نامیده می‌شوند) بخشی از کریستال‌های زئولیت می‌شوند – اگرچه لزوماً برای همیشه در آنجا باقی نمی‌مانند. زئولیت‌ها می‌توانند یون‌های با بار مثبت دیگر را با یون‌های فلزی که در ابتدا در داخل آن‌ها به دام افتاده مبادله کنند (از نظر فنی این به عنوان تبادل کاتیونی شناخته می‌شود) و همانطور که کرونستد بیش از 250 سال پیش کشف کرد، می‌توانند به راحتی مولکول‌های آب خود را نیز به دست آورند یا از دست بدهند (به این حالت برگشت‌پذیر می‌گویند کم آبی بدن).
زئولیت ها دارای منافذ منظمی با اندازه ثابت هستند که به مولکول های کوچک اجازه می دهد مستقیماً از آن عبور کنند اما مولکول های بزرگتر را به دام می اندازند.
به همین دلیل است که گاهی اوقات از آنها به عنوان غربال های مولکولی یاد می شود .
برخلاف زئو های طبیعی که به شکل‌های تصادفی و اندازه‌های مختلط یافت می‌شوند، زئولیت‌های مصنوعی در اندازه‌های بسیار دقیق و یکنواخت (معمولاً از حدود 1 میکرومتر تا 1 میلی‌متر) ساخته می‌شوند تا مناسب یک کاربرد خاص باشند. به عبارت دیگر، آنها اندازه خاصی تا مولکول هایی با اندازه معین (کوچکتر) را درون خود به دام بیندازند.

اگرچه همه زئولیت ها آلومینوسیلیکات هستند، برخی حاوی آلومینا بیشتری هستند، در حالی که برخی دیگر حاوی سیلیس بیشتری هستند. زئو های غنی از پلی آلومینیوم کلراید به سمت مولکول های قطبی مانند آب جذب می شوند، در حالی که زئولیت های غنی از سیلیس با مولکول های غیرقطبی بهتر کار می کنند.

سوالات متداول :

موارد استفاده از زئولیت ها

عکس: ناسا در حال آزمایش با استفاده از زئولیت ها برای ذخیره هیدروژن است که می تواند در سلول های سوختی استفاده شود . عکس بالا زئولیت های رشد کرده روی زمین را نشان می دهد. قسمت پایینی کریستال های مشابهی را نشان می دهد که در اثر گرانش ریز در فضا رشد کرده اند. عکس توسط مرکز پرواز فضایی مارشال ناسا توسط آرشیو اینترنت .

ساختار قفس مانند زئولیت ها آنها را در انواع مختلف مفید می کند. یکی از بزرگترین کاربردهای روزمره زئولیت ها در نرم کننده های آب و فیلترهای آب است . به عنوان مثال، در نرم‌کننده‌های آب تبادل یونی ، آب سخت (غنی از یون‌های کلسیم و منیزیم) از طریق ستونی پر از زئولیت‌های حاوی سدیم هدایت می‌شود. زئولیت‌ها یون‌های کلسیم و منیزیم را به دام می‌اندازند و یون‌های سدیم را در جای خود آزاد می‌کنند، بنابراین آب نرم‌تر اما از نظر سدیم غنی‌تر می‌شود. بسیاری از شوینده های لباسشویی و ماشین ظرفشویی روزانه حاوی زئولیت هستند تا کلسیم و منیزیم را از بین ببرند و آب را نرم کنند تا کارایی بیشتری داشته باشند.

دو کاربرد بسیار رایج و روزمره دیگر زئولیت ها در کنترل بو و بستر حیوانات خانگی است. در هر دو، ساختار کریستالی متخلخل زئولیت ها با به دام انداختن مایعات ناخواسته و مولکول های بو کمک می کند. این ایده ساده که در خانه‌های ما بسیار مؤثر است، کاربردهای بسیار مهم‌تری در خارج از آنها دارد: زئولیت‌ها در حذف ذرات رادیواکتیو از زباله‌های هسته‌ای و پاک‌سازی خاک‌های آلوده به فلزات سنگین سمی بسیار مؤثر بوده‌اند . (به دنبال فاجعه هسته ای فوکوشیما در ژاپن در سال 2011، کشاورزان برنج زئولیت را در مزارع خود پخش کردند تا هر گونه آلاینده رادیواکتیو ماندگار را به دام بیاندازند.) بسیاری از کاربردهای دیگر زئولیت ها از جمله تولید بتن ، تهویه خاک و غذای حیوانات.

ترکیب شیمیایی و ساختار زئولیت ها

تمام زئولیت ها از چارچوب آلومینوسیلیکات تشکیل شده اند که در آن سیلیکون و آلومینیوم به صورت چهار وجهی هماهنگ هستند. کاتیون های سیلیکون و کاتیون های آلومینیوم توسط چهار آنیون اکسیژن (O2-) محصور شده اند. ساختار چهار وجهی Si0 4 و Al0 4 بلوک ساختمانی زئولیت را تشکیل می دهد.

فرمول زئولیت اغلب به صورت زیر ارائه می شود:

با این حال، زئولیت ها تمایل دارند عناصر شیمیایی متفاوتی در ترکیب خود داشته باشند. فرمول زئولیت :

M = هر فلزی که می تواند منیزیم، سدیم، پتاسیم، لیتیوم یا کلسیم باشد.

n = ظرفیت کاتیون فلز.

y = تعداد مولکول های آب در ساختار زئولیت.

y/x = نسبت Si/Al اتمی

ساختار

ساختار کریستالی زئولیت در مقایسه با سایر جامدات کریستالی بسیار متفاوت است. زئولیت را می توان به عنوان یک جامد کریستالی خاص با ساختار چارچوب مشخص با حفره های اشغال و توسط یون ها و مولکول های آب که آزادی حرکت قابل توجهی دارند در نظر گرفت.

وقوع و تولید زئولیت

همانطور که در بالا گفته شد، زئولیت ها به طور طبیعی در مکان هایی یافت می شوند که سنگ های آتشفشانی و لایه های خاکستر با آب های زیرزمینی قلیایی واکنش می دهند. بر اساس گزارش ها، حدود 245 چارچوب منحصر به فرد زئولیت کشف و حدود 40 چارچوب زئولیت به طور طبیعی است. هر زمان که یک ساختار جدید زئولیت پیدا شود، توسط کمیسیون ساختار انجمن بین المللی زئولیت به دقت مورد بررسی قرار می گیرد. پس از شناسایی، این ماده یک علامت سه حرفی دریافت می کند. به طور کلی، تکنیک های معدن روباز برای استخراج زئو های طبیعی استفاده می شود.

از طرفی زئولیت هایی که از نظر صنعتی اهمیت دارند به صورت مصنوعی تولید می شوند. برخی از رایج ترین روش هایی که مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از گرم کردن محلول های آبی آلومینا و سیلیس با هیدروکسید سدیم. معرف های معادل نیز شامل آلومینات سدیم و سیلیکات سدیم می باشد. برخی تغییرات دیگر شامل ایجاد تغییرات در کاتیون ها برای افزودن کاتیون های آمونیوم چهارتایی است. تا به امروز، بیش از 200 زئولیت مصنوعی سنتز است. این کار با استفاده از فرآیند کریستالیزاسیون آهسته شامل ژل سیلیکا-آلومینا و همچنین افزودن قلیایی ها و قالب های آلی انجام  است.

با این وجود، زئولیت های تولید و به صورت مصنوعی دارای چند مزیت نسبت به زئولیت های طبیعی هستند. زئو های مصنوعی در حالت یکنواخت و خالص فاز تولید می شوند. علاوه بر این، ساختارهای منحصر به فرد زئو را می توان به صورت صنعتی نیز تولید کرد. به عنوان مثال، زئولیت A. علاوه بر این، از آنجایی که سیلیس و آلومینا فراوان ترین اجزای معدنی روی زمین هستند، زئو ها را می توان به صورت نامحدود تولید و عرضه کرد.

کاربرد زئولیت ها

برخی از رایج ترین کاربردهای زئو ها به شرح زیر است.

تبادل یون

ساختار قفس مانند زئولیت ها آنها را در تبادل یون ها بسیار مفید می کند. به عنوان مثال، آب سخت از طریق یک ستون پر از زئو های حاوی سدیم عبور می کند. در این فرآیند کلسیم و منیزیم توسط زئو ها به دام می‌افتند و یون‌های سدیم آزاد می‌شوند که در نتیجه آب نرم می‌شود و آب غنی از سدیم می‌شود. امروزه از زئو ها در مواد شوینده برای حذف منیزیم و کلسیم نیز استفاده می شود و در نتیجه باعث نرم شدن آب و افزایش کارایی مواد شوینده می شود.

به عنوان کاتالیزور

زئولیت ها به عنوان کاتالیزور در چندین واکنش مهم مانند ترک خوردگی، ایزومریزاسیون و سنتز هیدروکربن استفاده می شوند. ساختار متخلخل زئو آن را به یک کاتالیزور بسیار موثر تبدیل می کند. علاوه بر این، منافذ در یک زئو خاص دارای شکل و اندازه ثابتی هستند که زئو را روی مولکول‌های خاصی انتخاب می‌کند. بنابراین، زئولیت به عنوان کاتالیز انتخابی شکل نیز نامید می شود.

کاتالیزورهای زئولیت چیست؟

زئولیت ها توسط ماکس پسکوف از دانشگاه استکهلم. مقدمه ای عالی و بسیار دقیق تر از زئو ها از وب سایت ASDN. این توضیح می دهد که چگونه ساختار زئو های مختلف به آنها کمک می کند تا در کاتالیز، جذب و تبادل یون در کاربردهای مختلف روزمره و صنعتی کار کنند.

یکی دیگر از کاربردهای مهم زئولیت ها به عنوان کاتالیزور در تولید دارو (داروسازی) و در صنعت پتروشیمی است که در کراکرهای کاتالیزوری برای شکستن مولکول های هیدروکربن بزرگ به بنزین، گازوئیل ، نفت سفید، موم و انواع دیگر محصولات جانبی نفت می شود . باز هم، این ساختار متخلخل زئو هاست که اهمیت دارد. منافذ متعدد در ساختار باز یک زئو مانند میلیون ها لوله آزمایش کوچک است که در آن اتم ها و مولکول ها به دام می افتند و واکنش های شیمیایی به راحتی انجام می شود.
از آنجایی که منافذ در یک زئو خاص دارای اندازه و شکل ثابتی هستند، کاتالیزورهای زئو می توانند به طور انتخابی روی مولکول های خاصی کار کنند، به همین دلیل است که گاهی اوقات به آنها کاتالیزورهای انتخاب کننده شکل می گویند.
مانند همه کاتالیزورها، زئو ها بارها و بارها قابل استفاده مجدد هستند.

جاذب

زئولیت ها ظرفیت جذب بسیار بالایی دارند و برای جذب انواع مواد مورد استفاده قرار می گیرند. آنها طیف وسیعی از کاربردها را در زمینه تصفیه، خشک کردن و جداسازی دارند.

جداسازی مواد مضر

زئولیت ها می توانند به طور موثر ذرات رادیواکتیو را از زباله های هسته ای حذف کنند. همچنین می توان از آن برای تمیز کردن آب یا خاک آلود به فلزات سمی سنگین کرد.

تجاری و داخلی

• زئولیت ها، به عنوان غربال مولکولی، اغلب در پمپ های خلاء سبک جذب سرمایی استفاده می شوند.
• بستر گربه‌های غیرمجموعه اغلب از زئو می‌شوند.
• زئو های مصنوعی به عنوان یک افزودنی در فرآیند تولید بتن آسفالت گرم استفاده می شود.

سنگ های قیمتی

یکی از کانی‌های کمیاب زئولیت، معروف به تامسونیت، به عنوان سنگ‌های قیمتی جمع‌آوری می‌شود.

بیولوژیکی

• سیستم های متمرکز کننده اکسیژن مبتنی بر زئو به طور گسترده برای تولید اکسیژن درجه پزشکی استفاده می شود.
• در کشاورزی، کلینوپتیلولیت برای تصفیه خاک استفاده می شود.

ذخیره و استفاده از انرژی خورشیدی

زئولیت ها برای ذخیره حرارتی گرمای خورشیدی از کلکتورهای حرارتی خورشیدی استفاده می شوند. همچنین برای تبرید جذبی استفاده می شود. در چنین مواردی، گرمای بالای جذب زئولیت ها و توانایی هیدراته شدن و آبگیری در عین حفظ پایداری ساختاری به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. این خاصیت رطوبت سنجی، هنگامی که با یک واکنش گرمازا ذاتی در طول انتقال از یک فرم کم آب به یک فرم هیدراته تطبیق می شود، زئو های طبیعی را در برداشت گرمای خورشیدی و انرژی گرمایی هدر می دهد.

تاریخچه زئولیت

اصطلاح زئولیت برای اولین بار در سال 1756 توسط اکسل فردریک کرونستد، کانی شناس سوئدی استفاده شد. در طی فرآیند گرم کردن سریع ماده ای که مشاهده شد استیلبیت است، مقدار زیادی بخار تولید می کند. این به دلیل آبی بود که مواد قبلا جذب کرده بودند. او پس از مشاهده چنین تحولاتی، اصطلاح زئو را ابداع کرد. این کلمه از کلمات یونانی زέω (zéō) به معنای “جوش دادن” و λίθος (líthos) به معنای “سنگ” است.
زئولیت ها آلومینوسیلیکات های هیدراته فلزات قلیایی و قلیایی خاکی هستند.
در طول 200 سال گذشته حدود 40 زئو طبیعی شناسایی است. رایج ترین آنها آنالسیم، شابازیت، کلینوپتیلولیت، اریونیت، فریریت، هیولاندیت، لومونتیت، موردنیت و فیلیپسیت هستند.
بیش از 150 زئو سنتز است. رایج ترین آنها زئو های A، X، Y و ZMS-5 هستند. ; زئو های طبیعی و مصنوعی به دلیل خاصیت جذب، تبادل یونی، غربال مولکولی و خواص کاتالیزوری منحصر به فردشان به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. بازارهای اصلی زئو های طبیعی عبارتند از بستر حیوانات خانگی، خوراک حیوانات، کاربردهای باغبانی (تهویه‌کننده خاک و محیط‌های رشد)، و تصفیه فاضلاب، مقوله های اصلی استفاده برای زئو های مصنوعی کاتالیزورها، مواد شوینده، غربال های مولکولی هستند.