زئولیت

زئولیت به همراه حفره های ۶ و ۱۲

زئولیت ها

زئولیت‌ها در اصل مواد آلومینوسیلیکاتی هستند که با فرمول کلی زیر مشخص می‌ گردند:

[(M+, M2+0.5) AlO2] x. [SiO2] y. [H2O] z

  M+: کاتیون‌های فلز قلیایی

M2+ : کاتیون‌های قلیایی خاکی

ساختار زئولیت ها
ساختار زئولیت ها

زئولیت‌های طبیعی در بیشتر نقاط زمین و از جمله در اعماق دریاها یافت می‌شوند. در طول سال‌های اخیر استفاده از پراش اشعه X نشان داده است که زئولیت‌ها در اثر دگرگونی خاکسترهای آتشفشانی در محیط‌های قلیایی تشکیل شده‌اند. در حال حاضر بیش از ۱۵۰ نوع زئولیت مصنوعی ساخته شده است و بیش از ۶۰ نوع زئولیت  طبیعی یافت شده اند که فقط تعدادی از آنها از اهمیت صنعتی برخوردارند.

تعداد اندکی از زئولیت‌های طبیعی را می توان در ذخایر عظیم و با خلوص بالا که قابلیت کاربرد صنعتی داشته باشند یافت. از لحاظ صنعتی، مهمترین زئولیت‌های طبیعی عبارتند از: کلینوپتیلولیت، موردنیت، چابازیت و اریونیت، فیلیپسیت و آنالسیم. ذخایر این مواد بیشتر در کشورهایی نظیر آمریکا، ژاپن، روسیه، بریتانیا، ایتالیا و ایران قرار دارند. کلینوپتیلولیت فراوان ترین زئولیتی است که بصورت طبیعی یافت می‌شود.

از لحاظ شیمیایی زئولیت‌ها با نسبت Si/Al موجود در چارچوب یونی آنها از یکدیگر متمایز میشوند. این نسبت بین ۱ (در زئولیت نوع A) و بینهایت در سیلیکالیت (یک نوع سیلیکای بلوری اصلاح شده عاری از آلومینیوم) متغیر است. از لحاظ صنعتی به غیر از زئولیت نوع A، زئولیتهای X وY مهمترین زئولیت‌های مصنوعی به شمار می‌آیند. همچنین زئولیت‌هایی با نسبت بسیار بالای سیلیکا مانند ZSM-5 و ZSM -11 نیز ساخته شده‌اند. مقاومت اسیدی و پایداری گرمایی زئولیتها با افزایش نسبت Si/Al افزایش می‌یابد.

ساختار نمادین زئولیت‌ها

زئولیت‌ها در ساختارهای متعددی وجود دارند. واحدهای پایه معمولا چهاروجهی‌های[۱] SiO4 و AlO4 هستند که به‌وسیله اتم‌های اکسیژن اشتراکی به هم متصل شده اند.

فضاهای خالی در شبکه کریستالی با مولکول آب اشغال شده‌اند. دی‌هیدراتاسیون زئولیت‌ها که به منظور از دست دادن آب هیدراته موجود در شبکه آنها صورت می‌گیرد باعث ایجاد کریستال در هم پیچیده‌ای با کانال‌هایی متشکل از مولکول‌ها میشود که سطح مخصوص بسیار گسترده‌ای برای جذب مولکول‌های خارجی دارند.

شکل زیر ساختار زئولیت‌های A و X(Y) را نشان می‌دهد. این زئولیت‌ها از سطوح هشت‌وجهی و مکعبی[۲]  قفس‌های بتا[۳]  همراه با چهاروجهی های SiO4 و AlO4 در گوشه‌های آنها ساخته شده‌اند. ماهیت زئولیت‌ها از روی سیستم حفره‌های موجود در چارچوب آنها مشخص میگردد. بطوری که حجم این حفره‌ها مشخصه نوع زئولیت خواهد بود. این حفره‌ها توسط منافذی به هم مرتبط شده‌اند که قطر این منافذنیز از مشخصه‌های نوع زئولیت می‌باشد.  در جدول ۱٫ ۲ قطر بر حسب nm و حجم منفذ برحسب درصد برای چند نوع مختلف زئولیت ارائه شده است و در شکل زیر نیز قطر بر حسب nm برای دونوع زئولیت آورده شده است.

ساختار زئولیت‌های A و X(Y)
ساختار زئولیت‌های A و X(Y)

ارقام ارائه شده در جدول، مربوط به فرم سدیم زئولیت‌ها می‌باشند. کاتیون‌ها در ساختار زئولیت متحرک هستند و می‌توانند مبادله شوند. در اثر تبادل کاتیون‌های سدیم در زئولیت A با یون‌های پتاسیم قطر منفذ به nm3/0 کاهش می‌یابد. این تبادل کاتیونی بر روی سایر خواص زئولیت نیز تاثیر می‌گذارد.

قطر(nm) و حجم (%) منافذ موجود در انواع زئولیت

ZSM-5

موردنیت مصنوعی

Y

X

A

۰٫۶

۰٫۶۷-۰٫۷*

۰٫۷۴

۰٫۷۴

۰٫۴۲

قطر منفذ

۲۸

۴۸

۵۰

۴۷

حجم منفذ

*منفذ بصورت گرد نیست.

مساحت سطح داخلی = ۸۰۰-۱۲۰۰ m2/gr(BET)

برخی از کاربردهای زئولیت‌ها

در مورد زئولیت‌ها ، سه فاکتور فعالیت اسیدی، پایداری حرارتی و تخلخل اهمیت بسیار زیادی داشته و بهبود این خواص موجب افزایش کاربرد زئولیت ها می‌گردد. برخی از مهمترین کاربردهای زئولیت ها را به صورت زیر می توان برشمرد:

  • به عنوان تبادلگر یونی: در شبکه زئولیتی، سیلیسیوم و آلومینیوم از طریق اکسیژن به یکدیگر متصلند. واحدهای SiO4 خنثی هستند. اما بار منفی واحدهای AlO4- به‌وسیله کاتیونهای موجود، در طی سنتز جبران می‌شود. از این خاصیت در صنعت کشاورزی و تصفیه آب استفاده می‌شود. در کشاورزی از قدرت جذب یونهای آمونیوم، پتاسیم، منیزیم و کلسیم به کمک زئولیت‌ها استفاده می‌شود که باعث غنی شدن خاک می‌گردد.

کلینوپتیلولیت به علت گزینش پذیری بالا نسبت به یون آمونیوم و قابلیت بازیافت آن، در خروج یونهای آمونیوم از پسابها بسیار موثر است. بطوری که می‌تواند مقدار یون آمونیوم را در آب به کمتر از ppm 10  که بی ضرر است برساند. همچنین قابلیت زئولیت ‌A برای تبادل یونهای سدیم با کلسیم و به مقدار کمتر با یونهای منیزیم از محلولهای آبی، اهمیت صنعتی قابل توجهی دارد.

  • به عنوان جاذب: مولکول‌هایی که برای نفوذ به درون زئولیت‌ها به اندازه کافی کوچک باشند، می‌توانند بر روی زئولیت‌ها جذب شوند. این مساله به‌ویژه در مورد آب و سایر مولکول‌های قطبی و نیمه قطبی کوچک صدق می‌کند و اساس کاربرد این مواد به عنوان خشک کننده یا تمیز کننده برای گازهایی نظیر گاز طبیعی یا هوا قبل از مایع شدن را تشکیل می‌دهد. به علاوه از زئولیت‌ها برای خارج نمودن آب از مدارهای بسته مایع (مثلا در واحدهای منجمد سازی جهت جذب آب و جذب حلال باقی مانده در فضای بین شیشه پنجره‌های دوجداره به منظور جلوگیری از چگالش) نیز استفاده میشود. علاوه بر خروج آب، زئولیت‌ها بصورت صنعتی جهت خارج کردن دی اکسید کربن، سولفید هیدروژن، مرکاپتانها و … از مخلوط‌های گازی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

  • به عنوان غربال‌های مولکولی: در فضاهای خالی زئولیت‌ها، میدان‌های الکترواستاتیکی شدیدی وجود دارد. از این رو جذب نیتروژن که دارای خاصیت قطبی شدن است در زئولیت‌ها (زئولیت A یا X تبادل شده با کلسیم) به مراتب بیشتر از اکسیژن می‌باشد. به کمک چرخه‌های چند مرحله‌ای جذب – دفع تحت فشار، امکان تولید هوای غنی از اکسیژن وجود دارد که میتواند در تاسیسات تصفیه پسابها یا فولادکاری استفاده شود. مخلوط‌های n-  و ایزو- آلکانها را می‌توان توسط زئولیت A اصلاح شده با کلسیم جداسازی نمود. (اثر غربال مولکولی) زیرا فقط n- آلکانها امکان نفوذ به درون حفره های زئولیت را دارند.

  • به عنوان کاتالیست :در زئولیت‌ها، فعالیت کاتالیستی عموماً در حفره‌های درون کریستالی[۴] رخ می‌دهد. اندازه روزنه و سیستم کانال باعث نفوذ و هدایت واکنشگرها، حد واسط ها و محصولات می‌گردد.

بطور خاص در واکنش‌های هیدروکربن‌ها، زئولیت‌هایی با قطر حفره بزرگتر ترجیح داده می‌شوند که شامل موردنیت و زئولیت‌های  L، Y و امگا می‌باشند. فعالیت کاتالیستی زئولیت‌های اسیدی برجسته‌تر از انواع زئولیت‌های دیگر است.

چند نمونه از فرآیندهای مهمی که در آنها زئولیت‌ها به عنوان کاتالیست مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از:

  • در کراکینگ کاتالیزوری محصول تقطیر نفت خام برای تولید سوخت از کاتالیست‌های زئولیت‌دار، زئولیت X یا Y (با غلظت حدود ۱۵% بر یک پایه بی اثر) همراه با کاتیون خاکهای کمیاب استفاده می‌شود. زئولیت Y‌ به تنهایی در فرایند FCC تقریبا نزدیک به ۹۵% مصرف جهانی را به عنوان کاتالیست به خود اختصاص داده است.

  • هیدروکراکینگ (تبدیل برش‌های نفت خام به بنزین در حضور هیدروژن) ترجیحا زئولیت Y نوع H که بصورت انتخابی با کلسیم، منیزیم یا یونهای فلزی مناسب دیگر تبادل شده است مورد استفاده قرار می‌گیرد.

  • در ایزومریزاسیون n- آلکانها به ایزو- آلکانها برای مصارف سوختی از زئولیت Y نوع H حاوی Pt یا Pd به عنوان کاتالیست استفاده می‌شود.

  • در تولید سوخت‌ها، آلکن‌ها از متانول، موم‌زدایی آلکان‌ها، آلکیل‌دار کردن بنزن و تبدیل آن به اتیل بنزن از ZSM-5 استفاده می‌شود.

  • هیدروژن‌گیری، هیدروژن‌دهی، اکسیداسیون H2S، اکسیداسیون CO و … .

به جز موارد ذکر شده، زئولیت ها کاربردهای متنوع دیگری نیز دارند. از جمله اینکه مقادیر زیادی از سنگ‌های آتشفشانی زئولیت‌دار در کشورهای مختلف تحت فرآوری قرار گرفته و در تولید سیمان، ملاتها و بلوک‌های سبک ساختمانی بکار گرفته می‌شوند. در ژاپن از زئولیت‌های طبیعی به عنوان پرکننده در صنعت کاغذ استفاده می‌گردد.

کاربرد زئولیت به عنوان غشا

کاربرد زئولیت به عنوان غشا
کاربرد زئولیت به عنوان غشا

 

زئولیت به همراه حفره های ۶ و ۱۲
زئولیت به همراه حفره های ۶ و ۱۲

[۱] tetrahedron

[۲] Cubo-Octahedra

[۳] Beta-Cages

[۴] intracrystalline

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *