زئولیت چیست؟
زئولیت یک ماده معدنی حاوی آلومینوسیلیکات های ریز و متخلخل کریستالی هیدراته است که ساختار آنها کانال ها و یا حفره هایی با ابعاد مولکولی (قطر ۰٫۳-۱٫۵ نانومتر) را در بر می گیرد. زئولیت کاربرد صنعتی گسترده‌ای به عنوان کاتالیزور، جاذب و مبدل یونی دارد. در زندگی روزمره ما زئولیت های مختلفی وجود دارد و به طور گسترده به عنوان جاذب، مبدل یونی در شوینده ها، صنعت پزشکی ، کشاورزی ، به عنوان کاتالیزور در فرآیندهای صنعتی، پالایش نفت یا پتروشیمی، مواد شیمیایی و تصفیه آب استفاده می شوند.
زئولیت یک خاک جاذب است و از نظر شیمیایی و کاربردی شباهت های زیادی به بنتونیت ، پرلیت و کائولن دارد. تا به حال ساختارهای مختلف زیادی از زئولیت ها توصیف شده که به تنوع گسترده ای از نظر ابعاد منافذ، ابعاد سیستم کانالی یا ترکیب آنها اشاره دارد. در بخش‌های بعدی، سعی بر آن است تا اهمیت این ماده معدنی را نه تنها به دلیل عملکرد، بلکه با توجه به ویژگی‌های «سبز» زیست محیطی، از جمله غیرسمی بودن و عملکرد ایمن آن نشان دهیم.
مصارف و کاربرد زئولیت
زئولیت ها به طور گسترده ای به عنوان بستر تبادل یونی در تصفیه آب و فاضلاب، از بین بردن سختی آب و سایر صنایع استفاده می شود. در گذشته از پلی فسفات ها برای نرم کردن آب سخت استفاده می شد. پلی‌فسفات ها با یون های فلزی مانند Ca2+ و Mg2+ کمپلکسی تشکیل می‌دهند که با اتصال یون ها به هم از دخالت آنها در فرآیند پاکسازی جلوگیری کند. با این حال، هنگامی که آب غنی از فسفات وارد جریان اصلی می شود، باعث یوتریفیکاسیون بدنه آبی شده و از این رو استفاده از پلی فسفات با استفاده از زئولیت مصنوعی جایگزین شده است. امروزه از زیولیت مواد شیمیایی دیگری همچون کربنات سدیم (سودا اش) برای سختی گیری آب استفاده می شود. در شیمی نیز برای جداسازی مولکول‌ها، به عنوان تله‌ای برای به دام انداختن مولکول‌ها و تجزیه و تحلیل آنها استفاده می گردد.
زیولیت به طور گسترده ای به عنوان کاتالیزور و جاذب بکار می رود و خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه، باعث افزایش واکنش پذیری آنها شده است. به علاوه، دارای پتانسیل جداسازی دقیق گازها از گاز طبیعی بوده و قادر به رقابت با چراغ‌های فلورسنت یا LED درکمک به نقره ساطع کننده نور طبیعی می باشد.
سیستم‌های تولید اکسیژن در پروازها on-board (OBOGS) و دستگاه های تغلیظ کننده اکسیژن از زئولیت همراه با سیستم دریافت نیتروژن از هوا برای تامین اکسیژن در هواپیما استفاده می کنند؛ زئولیت اکسیژن ساز یکی از مواد اصلی در دستگاه های تولید اکسیژن خانگی و بیمارستانی است.
زئولیت های سنتتیک (مصنوعی) در تولید بتن آسفالت گرم نیز مورد استفاده قرار می گیرند. توسعه استفاده از این افزودنی برای آسفالت در دهه ۱۹۹۰ در آلمان آغاز شد، که با کاهش سطح دما در طول ساخت به ریختن بتن آسفالتی کمک می کرد و در نتیجه مصرف سوخت های فسیلی کاهش می یافت؛ از نتایج این امر این است که طی این پروسه دی اکسید کربن، ذرات معلق و بخارات کمتری آزاد می شود. استفاده از زئولیت مصنوعی در مخلوط داغ آسفالت منجر به متراکم شدن آسان تر آن شده و امکان آسفالت کردن در هوای سرد فراهم گردید.
هنگامی که از پودر سنگ زئولیت در تولید سیمان پرتلند به عنوان پوزولان اضافه می شود، می تواند نفوذپذیری کلرید را کاهش دهد و کارایی را بهبود بخشد. همچنین وزن را کاهش داده و به تعدیل محتوای آب کمک می کند، در عین حال امکان خشک شدن آهسته تر را فراهم می کند که باعث افزایش مقاومت می شود. هنگامی که به ملات‌های آهک هیدراته و آهک-متاکائولین اضافه می‌شود، می‌تواند به طور همزمان به عنوان یک ماده پوزولانی و یک مخزن آب عمل کند.
تامسونیت ها (Thomsonites)، یکی از فرم های نادر زئولیت، به عنوان سنگ های قیمتی از جریان های گدازه از کنار دریاچه ها جمع آوری می شوند. گره‌های تامسونیت از جریان‌های گدازه بازالتی فرسایش یافته در این مناطق و در سواحل، و توسط غواصان در جمع‌آوری می گردد. این گره های تامسونیت دارای حلقه‌های متحدالمرکز و در ترکیب رنگ‌های سیاه، سفید، نارنجی، صورتی، بنفش، قرمز و بسیاری از طیف های سبز هستند. زمانی که تامسونیت ها توسط یک جواهرساز صیقل داده می شوند، جلوه “چشم گربه ای” (chatoyancy) پدیدار می شود.
تولید
زئولیت مصنوعی
زئولیت های صنعتی معمولا به صورت سنتتیک (ساختگی) تولید می شوند. روش های معمول برای تولید شامل گرم کردن محلول‌های آبی آلومینا alumina و سیلیس به همراه محلول سود پرک است. سدیم آلومینات و سدیم سیلیکات به عنوان معرف های معادل استفاده می شوند.
این ماده معدنی در فرم سنتتیک مزایای ویژه ای نسبت به آنالوگ های طبیعی خود دارد که می توان به حالت یکنواخت و فاز خالص تولید شده آن اشاره کرد. همچنین می توان ساختارهایی تولید کرد که در طبیعت تولید نمی شوند. Zeolite A یک نمونه کاملا شناخته شده است. از آنجایی که مواد خام اصلی مورد استفاده برای تولید زیولیت ، آلومینا و سیلیس (از متداول ترین کانی ها) هستند، پتانسیل سنتز آنها تقریبا قوی و نامحدود است.
زئولیت طبیعی
برای استخراج طبیعی از همان تکنیک های معمولی استخراج سطحی معادن استفاده می شود. جهت رسیدن به سنگ معدن و فراوری آن، از بلدوزرهای مخصوص که تیغه هایی برای برش سنگ معدن دارند، یا روش های انفجار معدن استفاده می کنند. مراحل آماده سازی زئولیت برای مصرف شامل خرد کردن آنها توسط دستگاه های سنگ شکن صنعتی و همچنین آسیاب است. محصول نهایی می تواند از نظر اندازه ذرات توسط کلاسیفایر (دانه بندی هوایی) طبقه بندی شود و در بسته بندی یا به صورت فله ارائه شود. در مواقعی که به محصول گرانولی نیاز است ممکن است برای حذف گرده ها محصول الک شود و از همان اضافات ، برخی از محصولات پلت شده تولید می شوند.
تا سال ۲۰۱۶، تولید زئولیت طبیعی در جهان تقریبا ۳ میلیون تن به صورت سالانه بوده است. تولیدکنندگان عمده شامل چین، کره جنوبی، ژاپن، اردن، ترکیه، اسلواکی و ایالات متحده بوده اند. دسترسی به سنگ غنی با هزینه کم و کمبود سایر مواد معدنی و سنگ های رقیب احتمالا از مهم ترین عوامل برای استفاده از این ماده معدنی در مقیاس های بزرگ است.
تحقیق و توسعه بسیاری از کاربردهای بیوشیمیایی و زیست پزشکی، به ویژه روی گونه های طبیعی هیولاندیت، کلینوپتیلولیت و چابازیت ادامه دارد. سیستم های تغلیظ کننده اکسیژن مبتنی بر زئولیت به طور گسترده ای برای تولید اکسیژن درمانی و در دستگاه های اکسیژن ساز استفاده می شود. این ماده به عنوان یک غربالگر مولکولی برای ایجاد اکسیژن تصفیه شده از هوا با استفاده از توانایی آن در به دام انداختن ناخالصی ها، در فرآیندی که شامل جذب نیتروژن است، استفاده می شود و اکسیژن خالص تولید می کند.
محل و چگونگی تشکیل آنها نکته ای مهم برای کاربردهای زئولیت آکواریوم است. در نیمکره شمالی زمانی که گدازه مذاب با آب دریا تماس پیدا می‌کند زئولیت با یون‌های سدیم بارگیری می شود و به شکل طبیعی تشکیل می گردد. این مکانیسم برای شیمیدانان به عنوان تبادل یونی شناخته شده است.
زئولیت سنتتیک
انواع سنتتیک این کانی بسیار زیاد است و تنوع زیادی از این ماده معدنی وجود دارد که حاصل فرآیند کریستالیزاسیون ژل سیلیکا-آلومینا در سرعت پایین است. از نظر تئوری نیز تعداد بسیاری از این ساختارها را می توان ساخت. علاوه بر تغییرات در ساختار، می توان آنها را با انواع اتم های دیگر نیز تولید کرد تا از نظر شیمیایی فعال باشند. برخی از نمونه های ترکیبی که به اصطلاح هترواتم نام دارند عبارتند از ژرمانیوم، آهن، گالیم، بر، روی، قلع و تیتانیوم.
انوع گونه های معدنی
گروه ساختاری زئولیت (این طبقه بندی توسط نیکل-استرونز انجام شده) شامل:
۰۹٫GA-زئولیت‌های با واحدهای T5O10 – زئولیت‌های فیبری
چارچوب ناترولیت (NAT): گوناردیت، ناترولیت، مزولیت، پاراناترولیت، اسکولسیت، تتراناترولیت
چارچوب ادینگتونیت (EDI): ادینگتونیت، کالبورسیت
چارچوب تامسونیت (THO): سری تامسونیت
۰۹٫GB- زنجیر حلقه های ۴-عضوی با یک اتصال
چارچوب آنالسیم (ANA): آنالسیم، لوسیت، پولوسیت، وایراکیت
لامونتیت (LAU)، یوگاوارالیت (YUG)، گازکریکیت (GOO)، مونتسومایت (MON)
۰۹٫GC- زنجیر حلقه های ۴ عضوی که به هم متصل شده اند
چارچوب فیلیپسیت (PHI): هارموتوم، سری فیلیپسیت
چارچوب گیسموندین (GIS): آمیسیت، گیسموندین، گارونیت، گوبینسایت Boggsite (BOG)
مرلینویت (MER)، سریmazzite (MAZ)، سری paulingite (PAU)، پرلیالیت
۰۹٫GD- زنجیر حلقه های ۶-عضوی – زئولیت های مسطح
چارچوب چابازیت (CHA): سری چابازیت، هرشلیت، ویلهندرسونیت و SSZ-13
چارچوب Faujasite (FAU): سری faujasite، Linde type X (زئولیت X، X، زئولیت X)، نوع Linde Y (زئولیت Y، Y)
چارچوب موردنیت (MOR): ماریکوپیت، موردنیت
زیرگروه Offretite–wenkite 09.GD.25: (WEN) wenkite و offretite (OFF)
بلبرگیت (TMA-E، Aiello و Barrer؛ نوع چارچوب EAB)، بیکیتایت (BIK)، سری اریونیت (ERI)، فریریت (FER)، گملینیت (GME)، سری لوین (LEV)، سری داکیاردیت (DAC)و اپیستیلبیت (EPI)
کولسیت، پنتاسیل (همچنین به عنوان ZSM-5، نوع چارچوب MFI نیز شناخته می شود)، tschernichite (بتا پلی مورف A، چارچوب بی نظم، BEA)، چارچوب Linde نوعA (زئولیت A، LTA)
منابع علمی:
https://www.sciencedirect.com/topics/chemical-engineering/zeolite
https://books.google.com/books?hl=en&lr=&id=iIi08k1iF4gC&oi=fnd&pg=PR3&dq=Handbook+of+Zeolite+Science+and+Technology.&ots=H2qTxXTjj9&sig=zwTTGRi19lR9GjPbySxFlgkzd7s#v=onepage&q=Handbook%20of%20Zeolite%20Science%20and%20Technology.&f=false