معرفی،خواص وکاربردهای زئولیت ها
معرفی،خواص وکاربردهای زئولیت ها
از نظر شیمیدان ها زئولیت ساختمانی است از پلیمر های معدنی که دارای اندامی چهار وجهی است ، ساختمان کلی این چهار وجهی به صورت TO4 است که در آنها ممکن است T یک عنصر سه ظرفیتی مانند Al وB وGa و یا چهار وجهی نظیر Ge و Si و یا پنج ظرفیتی مثل P باشد و کلیه این چهار وجهی ها از طریق اکسیژن مشترک به یکدیگر متصل می شوند .
درواقع زئولیت، آلومینو سیلیکات های بلوری و هیدراته فلزات قلیایی و قلیایی خاکی (عناصر گروه اول ودوم اصلی (IIA,IA ) )بویژه سدیم ؛ کلسیم ، منیزیم ، استرانسیم و باریم هستندکه شبکه ها ی سه بعدی متشکل از چهار وجهی های [SiO4]4- و[AlO4]4- دارند. این مواد برای نخستین بار در سال 1756 توسط یک معدن شناس سوئدی به نام فردیک کرونستد شناسایی شده اند و زئولیت نام گرفته اند.
طبقه بندی زئولیت
زئولیت ها معمولاً به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می شوند. موارد استفاده زئولیت‌های مصنوعی و طبیعی از خواص فیزیکی و شیمیایی آنها منشا می‌گیرد که خود آن هم به نوبه خود تابعی از ساختمان بلوری و ترکیب شیمیایی زئولیت‌ها است. کاربرد زئولیت های مصنوعی در صنعت بیشتر است. با توجه به درخواست های فزاینده تجاری برای مصرف این نوع زئولیت ها مطالعات بیشماری بر روی آنها در حال انجام است. امـروزه بالغ بر 50 نوع زئولیت طبیعی کشف و 150 نوع زئولیت مصنوعی تولید شده است. با وجود کشف ذخایر عظیمی از انواع کانی های زئولیت طبیعی در جهان هنوز این ماده معدنی ارزشمند نتوانسته است جایگزین زئولیت های مصنوعی شود.
زئولیت های طبیعی
این مواد در ابتدا به صورت یک جزء فرعی اما به صورت گسترده در حفره های بازالتی شناسایی شدند و استفاده از آنها به این صورت معرفی،خواص وکاربردهای زئولیت ها(1)، در مقیاس های صنعتی عملی سخت و طاقت فرسا بوده است. تشکیل زئولیت ها تنها به ماتریس بازالتی محدود نشده است .بلکه رسوبات متنوعی در چند دهه گذشته شناسایی شده اند ، زئولیت های طبیعی فراوان بوده و بعضی از رسوبات حاوی زئولیت دارای یک فاز زئولیتی خاص با خلوص 90% می باشد . از بین زئولیت‌های طبیعی فقط 9 نوع به مقدار زیاد در طبیعت یافت می‌شوند.خواص فیزیکی و شیمیایی زئولیت‌های طبیعی متفاوت بوده و در بین نمونه‌های مختلف یک نوع خاص از زئولیت نیز تفاوت‌هایی در خواص فیزیکی (اندازه منفذ، اندازه بلور، ظرفیت تبادل یونی و ظرفیت جذبی) و ترکیب شیمیایی وجود دارد. تعدادی از زئولیت‌های طبیعی عبارتند از:
Analcime Chabazite – Clinoptilolite – Erionite – Faujasite –: Ferrierite – Laumontite – Mordenite – Pillipsite – Heulandit
به طورکلی عواملی نظیرساختمان، بافت، ترکیب شیمیایی و نیز ارزش اقتصادی زئولیت های طبیعی و فرمهای اصلاح شده، آنها را منابع بالقوهای در زمینه های گوناگون ساخته است که از جمله آنها می توان به این موارد اشاره کر د: استفاده به عنوان کاتالیست در صنایع نفت و پتروشیمی، صنایع آتش نشانی، صنایع کشاورزی به عنوان حاصل خیز کننده و افزاینده رطوبت خاک، پاکسازی فاضلابهای شهری، صنعتی و هسته ای از آلاینده های مضری نظیرفلزات سنگین و سمی، جذب و واجذب گازها و نظایر آ ن.
در مورد شرایط و علل تشکیل زئولیت ها در طبیعت ، نظریه های گوناگونی ارائه شده است که یک نمونه از آنها به شرح زیر است :
الف : زئولیت ها اغلب در لایه های رسوبی ، بعد از تشکیل و دفن رسوبات در اثر واکنش آلومینیم سیلیکات با آب حفره ها ، در درزها و شکستگی ها تشکیل شده اند .
ب: شیشه های آتشفشانی سیلیسی را می توان مواد اولیه ( آلومینیم سیلیکات ) مورد نیاز برای تشکیل زئولیت ها در طبیعت دانست.
ج: تمام کانی های گروه زئولیت که تا به حال در حدود 60 نوع آن شناسایی شده اند ، کانی های ثانوی بوده و از تخریب یا دگرسانی کانی های اولیه ای نظیر فلدسپات و فلدسپاتوئید ها ،رس ها و در نهایت از ژلهای سیلیکاته ی طبیعی به وجود می آیند.
کلمه زئولیت(zeolite) مشتق از دو کلمه یونانی است که با هم به معنای سنگ جوشان می باشد (ریشه یونایی "زین " به معنای جوشیدن و "لیتوس" به معنای سنگ است )و این نام مبتنی بر این واقعیت است که در هنگام حرارت دادن زئولیت ، مقدار زیادی آب، به صورت بخار خارج می شود
ایران پتاسیل بسیار بالایی در این زمینه دارا می باشد . کانسارهای زئولیت ایران در نواحی دماوند ، سمنان ، کرمان ، گردنه نعل شکن ( جاده ی قم – تهران ) کوه های جنوبی تهران ( کوه مره ) و اطراف حوض سلطان شناسایی شده اند . مساعد ترین نواحی ، جنوب دماوند ، اطراف ورامین ، سمنان در جنوب کوه های طلحه و همچین سر کویر رشم سمنان می باشد.
از نظر صنعتی زئولیت های طبیعی دارای کاربردهای کمی می باشند که دلیل اصلی آن یکنواخت نبودن خواص آنها است .همچنین ساختمان بلورین این زئولیت ها از نظر اندازه ی حفره ها برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب نمی باشند.
زئولیت های طبیعی به طرق مختلف تقسیم شده اند از آن جمله:
زئولیت های طبیعی به طرق مختلف تقسیم شده اند از آن جمله:
الف: تقسیم بندی بر اساس محیط پیدایش ( هیدروترمال، رسوبی، هوازدگی)
ب: تقسیم بندی بر اساس کانی شناسی ( بر مبنای دانسیته شبکه ساختمانی، نوع فضاهای خالی و کانال ها
ج: تقسیم بندی بر اساس خصوصیات فیزیکی و شیمیایی ( مانند جذب و دفع مایعات و گازها، توانایی تبادل یونی و ..... )
در بین زئولیت های طبیعی تنها 8 نوع به وفور در رسوبات و به میزان اقتصادی یافت می شود که این 8 نوع عبارتند از آنالیسم، شابازیت، کلینوپتیلولایت، اریونیت، هولاندیت، لامونیت، موردنیت و فیلیپیست در این میان کلینوپتیلولایت فراوانترین زئولیت طبیعی است.
زئولیت های مصنوعی
زئولیت های مصنوعی مواد شیمیایی ویژه ای با خلوص بالا هستند که دامنه ی کاربرد وسیعی دارند. محققین پیش از سال 1950 جهت تولید زئولیت ها در صدد تشکیل طبیعی و ژئوشیمیایی کانی های شناخته شده بودند و تصور می کردند که تشکیل زئولیت ها مستلزم ایجاد درجه حرارتی در حدود 200 تا 400 درجه سانتیگراد و دهها اتمسفر فشار می باشد .اما در سال 1957 شیمیدان ها موفق شدند زئولیت هایی در دمای پایین(100درجه سانتیگراد) و در مقیاس صنعتی تهیه نمایند.
خصوصیات زئولیت:
خصوصیات اصلی فیزیکی و شیمیایی زئولیت ها مربوط به ترکیب شیمیایی و ساختمان بلورین آنهاست به عبارت دیگر خواص آنها به معرفی،خواص وکاربردهای زئولیت ها(1)طبیعت شیمی و فیزیکی آب موجود در ساختمان زئولیت ها و همچنین به نحوه قرار گرفتن آب درون شبکه های مولکولی بستگی دارد.وجود فلزات قلیایی و قلیایی خاکی و وجود فضاهای خالی و مواد معدنی متعدد به هم مرتبط در آنها از دیگر دلایل تنوع خواص زئولیت هاست.همان طور که گفتیم کاربرد زئولیت ها در صنایع محتلف بستگی به خواص فیزیکی و شیمیایی دارد. برخی از این خصوصیات عبارتند از: چگالی، اندازه، شکل، تخلخل و سختی، جذب سطحی و تبادل کاتیونی.
به طور کلی زئولیت ها دارای خصوصیات زیر می باشند:
*میزان آبگیری زیاد
* چگالی کم و حجم خالی زیاد هنگامی که آبگیری می شوند .
* ثبات ساختمان بلوری در هنگام آبگیری
*توانایی تبادل یونی
*وجود کانالهای مولکولی یکنواخت در بلورهای آبگیری شده
* توانایی جذب گازها و بخارها
* خواص کاتالیزوری
*هدایت الکتریکی
وزن مخصوص زئولیت ها کم و حداکثر تا 2/5 و سختی آنها بین 3 تا 5/5 است.
زئولیت ها در حالت خالص، بی رنگ و یا مات و خاکستری و در صورت داشتن هیدروکسیدهای آهن به رنگ زرد، قهوه ای تا قرمز هستند.زئولیت ها در اثر حرارت کف می کنند و نسبتاً آسان ذوب می شوند. به وسیله اسیدها به ویژه اسید کلریدریک با جداشدن سیلیس، ژله مانند و تجزیه می شوند. مقاومت آنها در مقابل حرارت متغیر می باشد.