Українська
English
Русский
Пропозиції імпорту
Цеоліт-це сімейство кількох мікропористих кристалічних алюмосилікатних матеріалів, які зазвичай використовуються як промислові адсорбенти та Каталізатори.[1] вони в основному складаються з кремнію, алюмінію, кисню і мають загальну формулу Mn+1/n(AlO2)−(SiO2)x･yh2o, де Mn+1/n – це іон металу або H+. Ці позитивні іони можуть бути замінені іншими в розчині електроліту, з яким вони контактують. Н + – це цеоліти, які особливо корисні як тверді кислотні Каталізатори.
Цей термін був вперше введений в 1756 році шведським мінералогом Акселем Фредріком Кронштедтом, який зауважив, що швидке нагрівання матеріалу, імовірно стильбіта, виробляє велику кількість пари з води, яка адсорбувалася цим матеріалом. Виходячи з цього, він назвав матеріал цеолітом, від грецького ζέω (zéō), що означає «кипіти», і λίθος (líthos), що означає «Камінь».
Цеоліти зустрічаються в природі, але також виробляються промисловим способом у великих обсягах. Станом на грудень 2018 року було виявлено 253 унікальних цеолітних каркасів, і відомо понад 40 природних цеолітних каркасів. Кожна нова цеолітна структура, яка отримується в результаті синтезу, досліджується комісією зі структури міжнародної цеолітної асоціації (IZA-SC) і отримує позначення з трьох букв.
Мікроскопічна структура цеоліту (морденіту) являє собою каркас з SiO4 тетраедрів, з’єднаних вершинами. Натрій присутній у вигляді позакаркасного катіону (зеленого кольору). Атоми кремнію можуть бути частково заміщені алюмінієм або іншими чотиривалентними металами. Цеоліти – це білі тверді речовини, з якими можна поводитися звичайним способом, як і з багатьма іншими алюмосилікатними мінералами, такими як польовий шпат. Вони мають загальну формулу MAlO2) (SiO2)x (H2O) y де M+ зазвичай є H+ і Na+. Співвідношення Si / Al варіюється, що дозволяє регулювати властивості. Цеоліти зі співвідношенням Si / Al більше 3 класифікуються як висококремнеземні цеоліти, які, як правило, більш гідрофобні. H+ і Na + можуть бути заміщені різними катіонами, оскільки цеоліти мають іонообмінні властивості. Природа катіонів впливає на пористість цеолітів.
Цеоліти мають мікропористу структуру з типовим діаметром пір 0,3-0,8 нм. Подібно до більшості алюмосилікатів, каркас формується за рахунок зв’язування атомів алюмінію і кремнію оксидами. Це зв’язування призводить до утворення тривимірної мережі зв’язків Si-O-Al, Si-O-si та Al-O-Al. Атомні центри алюмінію заряджені негативно, що вимагає наявності супутніх катіонів. Ці катіони гідратуються в процесі утворення матеріалів. Гідратовані катіони порушують щільну мережу Зв’язків Si-O-Al, Si-O-si і Al-O-Al, що призводить до утворення порожнин, заповнених водою. Через пористість цеоліту вода може виходити з матеріалу через канали. Через жорсткість каркаса цеоліту втрата води не призводить до руйнування порожнин і каналів. Цей аспект-здатність утворювати порожнечі всередині твердого матеріалу-лежить в основі здатності цеолітів функціонувати як каталізатори. Вони мають високу фізичну та хімічну стабільність завдяки великому внеску ковалентних зв’язків. Вони мають чудову гідрофобність і підходять для адсорбції великих, гідрофобних молекул, таких як вуглеводні. Крім того, висококремнеземні цеоліти є Н+ обмінними, на відміну від природних цеолітів, і використовуються як тверді кислотні Каталізатори. Кислотність досить висока, щоб протонувати вуглеводні, і висококремнеземні цеоліти використовуються в процесах кислотного каталізу, таких як каталітичний крекінг в нафтохімічній промисловості.
Були визначені структури сотень різних цеолітів. Більшість з них не зустрічається в природі. Для кожної структури Міжнародна цеолітна Асоціація (IZA) призначає трибуквенний код, який називається кодом типу структури (FTC). Наприклад, основні молекулярні сита 3А, 4а і 5а відносяться до типу LTA (Лінде, тип А). Більшість комерційно доступних природних цеолітів належать до типів MOR, HEU або ANA.
Хоча відомо понад 200 типів цеолітів, доступно лише близько 100 типів алюмосилікатів. Крім того, існує лише кілька типів, які можуть бути синтезовані промислово можливим способом і мають достатню термічну стабільність, щоб відповідати вимогам промислового використання. Зокрема, типи FAU (фаужазит, USY), * BEA (бета), MOR (морденіт з високим вмістом кремнію), MFI (ZSM-5) і FER (феррієрит з високим вмістом кремнію) називаються великою п’ятіркою цеолітів з високим вмістом кремнію, і були розроблені методи промислового виробництва.
Термін “молекулярне сито” відноситься до особливої властивості цих матеріалів, а саме до здатності вибірково Сортувати молекули, грунтуючись в першу чергу на процесі виключення за розміром. Це відбувається через дуже впорядковану структуру пір молекулярних розмірів. Максимальний розмір молекул або іонів, які можуть проникнути в пори цеоліту, контролюється розмірами каналів. Вони зазвичай визначаються розміром кільця діафрагми, де, наприклад, термін «восьмикільцевий» відноситься до замкнутого контуру, що складається з восьми тетраедрично координованих атомів кремнію (або алюмінію) та восьми атомів кисню. Ці кільця не завжди ідеально симетричні через безліч причин, включаючи деформацію, викликану зв’язком між елементами, які необхідні для створення загальної структури або координації деяких атомів кисню в кільцях з катіонами всередині структури. Тому пори в багатьох цеолітах не мають циліндричної форми.
Ізоморфне заміщення кремнію в цеолітах можливе для деяких гетероатомів, таких як титан, цинк і германій. Атоми алюмінію в цеолітах також можуть бути структурно заміщені на бор і галій.
Відомий силікоалюмофосфатний тип (молекулярне сито AlPO), в якому Si ізоморфний Al і p, а Al ізоморфний Si, а також галогерманат та інші.
Деякі з найпоширеніших мінеральних цеолітів-анальцим, чабазит, кліноптилоліт, геуландит, натроліт, філіпсит та стильбіт. Приклад хімічної формули цеоліту: Na2Al2Si3O10 * 2H2O-формула натроліту.
Природні цеоліти утворюються там, де вулканічні породи і шари попелу вступають в реакцію з лужними грунтовими водами. Цеоліти також кристалізуються в постседиментаційних середовищах протягом декількох тисяч-мільйонів років у мілководних морських басейнах. Природні цеоліти рідко бувають чистими і в різному ступені містять домішки інших мінералів, металів, кварцу або інших цеолітів. З цієї причини природні цеоліти не використовуються у багатьох важливих комерційних сферах, де однорідність та чистота важливі.
Цеоліти перетворюються на інші мінерали в результаті вивітрювання, гідротермальних змін або метаморфічних перетворень. Ось кілька прикладів:
Послідовність утворення багатих кремнеземом вулканічних порід зазвичай виглядає наступним чином:
глина → кварц → морденіт-геуландіт → епістильбіт → стильбіт → томсоніт → мезоліт → сколецит → чабазит → кальцит.
Послідовність збіднених кремнеземом вулканічних порід зазвичай виглядає наступним чином:
Коулезит → левініт → оффретит → анальцит → томсоніт → мезоліт → сколецит → чабазит → кальцит.
Томсоніти, один з найрідкісніших видів цеолітових мінералів, були зібрані у вигляді дорогоцінних каменів із серії лавових потоків уздовж озера Верхнє в штаті Міннесота і, меншою мірою, в Мічигані. Томсонітові конкреції з цих районів вимивалися з базальтових потоків лави і збиралися на пляжах і аквалангістами в озері Верхнє.
Ці томсонітові конкреції мають концентричні кільця різних кольорів: чорного, білого, оранжевого, рожевого, фіолетового, червоного і безліч відтінків зеленого. Деякі конкреції містять включення міді і рідко зустрічаються з “очками” з міді. Після полірування гранільщиком на поверхні томсоніта іноді проявляється ефект “котячого ока” (іризація).
Про відкриття першої синтетичної структури повідомив Річард Баррер. Промислово важливі види цеолітів отримують синтетичним шляхом. Типові процедури включають нагрівання водних розчинів оксиду алюмінію та кремнезему з гідроксидом натрію. Подібними реагентами є алюмінат натрію та силікат натрію. Інші варіанти включають використання структуроутворюючих агентів (SDA), таких як катіони четвертинного амонію.
Синтетичні цеоліти мають деякі ключові переваги в порівнянні зі своїми природними аналогами. Синтетичні матеріали виробляються в однорідному, чистому за фазовим складом стані. Також можливе отримання цеолітних структур, які не зустрічаються в природі. Цеоліт а є добре відомим прикладом. Оскільки основною сировиною, що використовується для виробництва цеолітів, є кремнезем і глинозем, які входять до числа найбільш поширених мінеральних компонентів на Землі, потенціал виробництва цеолітів практично необмежений.
Станом на 2016 рік щорічне світове виробництво природного цеоліту становило близько 3 мільйонів тонн. Найбільшими виробниками в 2010 році були Китай (2 мільйони тонн), Південна Корея (210 000 т), Японія (150 000 т), Йорданія (140 000 т), Туреччина (100 000 т), Словаччина (85 000 т) і Сполучені Штати (59 000 т). Широка доступність багатих цеолітом гірських порід за низькою ціною та дефіцит конкуруючих мінералів та гірських порід, ймовірно, є найважливішими факторами для її широкомасштабного використання. За даними Геологічної служби США, цілком ймовірно, що значна частина матеріалу, що продається як цеоліти в деяких країнах, є подрібненим або розпиляним вулканічним туфом, що містить лише невелику кількість цеолітів. Ці матеріали використовуються в будівництві, наприклад, в якості облицювального каменю (як змінений вулканічний туф), легкого заповнювача, пуццоланового цементу і грунтових кондиціонерів.
Повідомляється про більш ніж 200 видах синтетичних цеолітів. Більшість цеолітів є алюмосилікатними каркасами, але деякі містять германій, залізо, галій, бор, цинк, олово та титан. Синтез цеоліту включає в себе золь-гель-подібні процеси. Властивості продукту залежать від складу реакційної суміші, рН системи, робочої температури, часу попередньої реакції, часу реакції, а також від використовуваних шаблонів. В процесі золь-гель можна легко вводити інші елементи (метали, оксиди металів).
Цеоліти широко використовуються як каталізатори та сорбенти. Їх чітко виражена пориста структура і регульована кислотність роблять їх високоактивними в безлічі різних реакцій. У хімії цеоліти використовуються як мембрани для розділення молекул (через них можуть проходити лише молекули певного розміру та форми) та як пастки для молекул для їх аналізу.
Тривають дослідження та розробки в галузі біохімічних та біомедичних застосувань цеолітів, особливо природних видів геуландиту, кліноптилоліту та чабазиту.
У синтетичній хімії гомогенні Каталізатори віддають перевагу через їх доступність, низьку вартість та чудову каталітичну активність, оскільки всі каталітичні центри легко доступні. Однак у цих однорідних каталізаторів є кілька недоліків, таких як неможливість повторного використання, потреба в кількості, що перевищує стехіометричну, а також складність відокремлення та відновлення. До інших недоліків їх використання можна віднести потенційну небезпеку при поводженні з ними, токсичність, корозійну природу і проблеми з утилізацією через кислотних стоків. Крім того, гідроліз і очищення отриманого в результаті комплексу призводять до утворення корозійно-активних побічних продуктів. В даний час ведуться дослідження альтернативних твердих гетерогенних каталізаторів, які були б стабільними, придатними для повторного використання та безпечними для навколишнього середовища, а також дозволяли б краще обробляти продукти реакції. Серед цих різних твердих каталізаторів цеоліти виявилися кращими завдяки їх селективності за формою, термічної стабільності і можливості повторного використання.
Алкілування і ацилювання по Фріделю-Крафтсу з використанням цеолітів в якості каталізатора широко застосовуються в органічному синтезі.
Цеоліти широко використовуються в якості іонообмінних фільтрів в побутових і промислових системах очищення води, для її пом’якшення і в інших цілях.
Докази найдавнішої відомої системи фільтрації води з використанням цеоліту були знайдені в незайманих відкладах водосховища Коррієнталь у місті Тікаль, що належить до цивілізації майя, на півночі Гватемали.
Раніше для пом’якшення жорсткої води використовувалися поліфосфати. Поліфосфати утворюють сполуки з іонами металів, такими як Ca2+ і Mg2+, зв’язуючи їх таким чином, щоб вони не заважали процесу очищення. Однак, коли насичена фосфатами вода потрапляє в основний потік, це призводить до евтрофікації водойм і, отже, використання поліфосфату було замінено застосуванням синтетичного цеоліту.
Найбільше застосування цеоліт знаходить на світовому ринку миючих засобів для прання. Цеоліти використовуються в мийних засобах для прання як пом’якшувачі води, видаляючи іони Ca2+ і Mg2+, які в іншому випадку випадали б в осад з розчину. Іони утримуються цеолітами, які виділяють в розчин іони Na+, дозволяючи миючому засобу для прання ефективно діяти в районах з жорсткою водою.
Синтетичні цеоліти, як і інші мезопористі матеріали (наприклад, MCM-41), широко використовуються як каталізатори в нафтохімічній промисловості, наприклад, при каталітичному крекінгу та гідрокрекінгу. Цеоліти утримують молекули в невеликих порожнинах, що призводить до зміни їх структури і реакційної здатності. Підготовлені кислотні форми цеолітів часто є потужними твердими кислотами в твердому стані, що сприяють проведенню багатьох реакцій, каталізованих кислотами, таких як ізомеризація, алкілування та крекінг.
В процесі каталітичного крекінгу використовуються реактор і регенератор. Вихідна сировина впорскується в гарячий псевдозріджений каталізатор, де великі молекули газойлю розщеплюються на більш дрібні молекули бензину і олефіни. Парогазові продукти відокремлюються від каталізатора і переганяються в різні продукти. Каталізатор циркулює в регенераторі, де повітря використовується для спалювання коксу, що утворюється на поверхні каталізатора в процесі крекінгу. Потім Гарячий регенерований каталізатор повертається в реактор для завершення циклу.
Цеоліти, що містять наночастинки кобальту, знаходять застосування в переробній промисловості як каталізатор для розщеплення поліетилену та поліпропілену, двох широко використовуваних пластмас, на пропан.
Дослідник Національної лабораторії Sandia вивчає флакони SOMS (октаедричний молекулярний сит Sandia), цеоліт, який може бути використаний для очищення радіоактивних відходів та промислових металів.
Цеоліти використовуються в передових методах переробки ядерного палива, де їх мікропориста структура, що дозволяє вловлювати одні іони і вільно пропускати інші, дозволяє ефективно видаляти багато продуктів поділу з відходів і надійно їх ізолювати. Не менш важливі і мінеральні властивості цеолітів. Їх алюмосилікатна структура надзвичайно міцна і стійка до радіації, навіть у пористій формі. Крім того, після того, як вони будуть заповнені захопленими продуктами поділу, суміш цеоліту з відходами може бути піддана гарячому пресуванню в надзвичайно міцну керамічну форму, що закриває пори і утримує відходи в твердому кам’яному блоці. Така форма відходів значно знижує їх небезпеку в порівнянні зі звичайними системами переробки. Цеоліти також використовуються для усунення витоків радіоактивних матеріалів. Наприклад, після аварії на АЕС Фукусіма-1 мішки з цеолітом були скинуті в морську воду поблизу електростанції для поглинання радіоактивного цезію-137, вміст якого був високим.
Цеоліти мають здатність забезпечувати точне і специфічне розділення газів, включаючи видалення H2O, CO2 і SO2 з низькоякісних потоків природного газу. Інші види поділу включають інертні гази, N2, O2, фреон та формальдегід.
Бортові системи виробництва кисню (OBOGS) і кисневі концентратори використовують цеоліти в поєднанні з адсорбцією при змінному тиску для видалення азоту з стисненого повітря з метою подачі кисню екіпажам повітряних суден на великих висотах, а також для постачання киснем в домашніх умовах і в портативних пристроях.
Системи кисневих концентраторів на основі цеоліту широко використовуються для виробництва медичного кисню. Цеоліт застосовується в якості молекулярного сита для отримання очищеного кисню з повітря з використанням його здатності вловлювати домішки в процесі адсорбції азоту, в результаті чого виходить високоочищений кисень і до 5% аргону.
Німецька група Fraunhofer e. v.оголосила про те, що вони розробили цеолітну речовину для використання в промисловості з виробництва біогазу для довгострокового зберігання енергії з щільністю в чотири рази більшою, ніж у води. Кінцевою метою є збереження тепла як в промислових установках, так і на невеликих комбінованих теплоелектростанціях, таких як ті, що використовуються у великих житлових будинках.
Зелені мішки для зберігання і консервації продуктів Debbie Meyer в якості активного інгредієнта містять цеоліт. Мішки зсередини вистелені цеолітом для поглинання етилену, який уповільнює процес дозрівання і збільшує термін зберігання продуктів, які розташовані у мішках.
Клиноптилоліт також додавали в корм для курчат: вбираючи воду і аміак, цеоліт робив пташиний послід більш сухим і менш смердючим, що полегшувало його утилізацію.
Цеоліти також використовуються як молекулярне сито у вакуумних насосах типу кріосорбції. Це дуже важливо.
Цеоліти можна використовувати для термохімічного акумулювання сонячного тепла, одержуваного від сонячних теплових колекторів, що вперше було продемонстровано Геррою в 1978 році і для адсорбційного охолодження, що вперше було продемонстровано Черневим в 1974 році. У цих областях застосування використовується їх висока теплота адсорбції і здатність до гідратації і дегідратації при збереженні структурної стабільності. Це гігроскопічне властивість в поєднанні з властивою їм екзотермічної (виділяє енергію) реакцією при переході з дегидратированной форми в гідратовану робить природні цеоліти придатними для утилізації відпрацьованого тепла і сонячної теплової енергії.
Синтетичні цеоліти використовуються в якості добавки в процесі виробництва асфальтобетонної суміші з підігрівом. Розробка цього методу почалася в Німеччині в 1990-х роках. Вони сприяють зниженню температури при виробництві і укладанні асфальтобетонної суміші, що призводить до зменшення витрати викопного палива і, як наслідок, до зниження викидів вуглекислого газу, аерозолів і парів. Використання синтетичних цеолітів в гарячій асфальтобетонної суміші призводить до більш легкого ущільнення і, певною мірою, дозволяє укладати асфальт в холодну погоду і перевозити його на великі відстані.
При додаванні в портландцемент як пуццолан вони можуть знизити проникність для хлоридів і поліпшити легкоукладальність. Вони знижують вагу і сприяють помірному поглинанню води, забезпечуючи при цьому більш повільне висихання, що підвищує міцність на розрив. При додаванні в вапняні розчини і вапняно-метакаолінові розчини синтетичні гранули цеоліту можуть одночасно бути у якості пуццоланового матеріалу та резервуару для води.
Підстилка для котячих туалетів, що не злипається, часто виготовляється з цеоліту (або діатоміту), одна з форм якого, винайдена в Массачусетському технологічному інституті, здатна захоплювати парниковий газ метан з атмосфери.
Оригінальний склад гемостатичного засобу марки QuikClot, який використовується для зупинки сильної кровотечі, містив гранули цеоліту. При контакті з кров’ю гранули швидко поглинали воду з плазми крові, викликаючи екзотермічну реакцію, яка призводила до виділення тепла. Поглинання води також сприяло концентрації факторів згортання крові, присутніх у крові, внаслідок чого процес утворення згустків відбувався набагато швидше, ніж у звичайних умовах, як було показано in vitro.
У складі QuikClot, випущеному в 2022 році, використовується нетканий матеріал, просочений каоліном, неорганічним мінералом, що активує фактор XII, який, в свою чергу, прискорює природний процес згортання крові. На відміну від початкового складу цеоліту, каолін не володіє термогенними властивостями.
Змішайте компостовані відходи виноробного виробництва з цеолітами для обробки грунту. Входить до складу грунту мікропориста структура цеолітів стабілізує вивільнення води і рівень pH. У сільському господарстві клиноптилоліт (природний цеоліт) використовується в якості добрива для грунту. Він служить джерелом повільно вивільняється калію. Якщо цеоліт раніше був насичений амонієм, то він може виконувати аналогічну функцію при повільному вивільненні азоту.
Цеоліти також можуть діяти як регулятори вологості, вбираючи до 55% води від своєї ваги і повільно віддаючи її в міру необхідності рослинам. Ця властивість може запобігти загниванню коренів і пом’якшити цикли посухи.
Зоомагазини продають цеоліти для використання в якості фільтруючих добавок в акваріумах, де їх можна використовувати для поглинання аміаку та інших азотистих сполук. Їх слід застосовувати з обережністю, особливо для ніжних тропічних коралів, які чутливі до хімії води та температури. Через високу спорідненість деяких цеолітів до кальцію вони можуть бути менш ефективними у жорсткій воді та можуть виснажувати запаси кальцію. Фільтрація з використанням цеоліту також застосовується в деяких морських акваріумах для підтримки низької концентрації поживних речовин на користь коралів, адаптованих до води з низьким вмістом поживних речовин.
Важливим фактором при використанні цеоліту в акваріумістиці є те, де і як він був утворений. Більшість природних цеолітів Північної півкулі утворилися, коли розплавлена лава стикалася з морською водою, тим самим “насичуючи” цеоліт іонами натрію (натрій-катіонами). Цей механізм добре відомий хімікам як іонний обмін. Ці іони натрію можуть бути замінені іншими іонами в розчині, що призводить до поглинання азоту у вигляді аміаку та вивільнення натрію. Відкладення поблизу річки ведмідь у південному штаті Айдахо є різновидом прісної води (na < 0,05%). Цеоліти Південної півкулі, як правило, утворюються в прісній воді і мають високий вміст кальцію.
Відгуки
Відгуків немає, поки що.