مفاهیم زئولیت

زئولیت چیست؟

آلودگیها و کمبود منابع آبی، خاکی و غذایی و الزام تامین غذای سالم و کافی برای جمعیت در حال رشد جهان از مهم ترین چالشهای پیش رو برای انسان عصر حاضر است. این مشکلات همراه با گسترش روزافزون بسیاری بیماریها به دنبال این آلودگیها و همچنین استفاده از مواد صنعتی و مصنوعی، در دهه های گذشته منجر به افزایش تقاضا برای کاربرد مواد طبیعی شده است. از جمله مواد طبیعی که بواسطه ویژگیهای منحصر بفردش می تواند نقش بسزایی در کمک به حل بسیاری از این مشکلات ایفاء کند زئولیتهای طبیعی است. این کانی در حوزه های بسیاری از جمله کشاورزی، دام و طیور، بهداشت، آب و فاضلاب، محیط زیست و بسیاری صنایع مانند صنعت نفت، کاغذ، صنایع شیمیایی و پتروشیمی، مصالح ساختمانی و تولید انواع خاص سیمان، سرامیک و کاشی، صنایع غذایی و دارویی مورد استفاده قرار می گیرد و استفاده از آن روزافزون است تا جائیکه از آن بعنوان کانی جادویی نام برده می شود. هر چند استفاده از زئولیتها سابقه بیش از هزار ساله دارد ولی تاریخچه مکتوب آن به سال 1756 که در آن معدن شناس سوئدی بنام کرونستد اولین کانی زئولیتی (استیلبیت) را کشف کرد بر می گردد. او متوجه شد گروهی از مواد معدنی در هنگام حرارت دادن از خود بخار آب ساطع می کنند به همین دلیل آنها را زئولیت که یک کلمه با ریشه یونانی به معنی سنگ جوشان است نامگداری کرد. زئولیتها کانیهای آلومینوسیلیکاته فلزات قلیایی و قلیایی خاکی آبداری هستند که همانند کانی کوارتز از خانواده تکتوسیلیکاته محسوب می شوند. فرمول شیمیایی کلی زئولیتها را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

MxDy[Alx+2ySi n-(x+2y)O2n].mH2O

M= Na, Ka, or other monovalent cations

D= Mg, Ca, Sr, Ba, and other divalent cations.

گرچه M و D اغلب شامل فلزات قلیایی و قلیایی خاکی در زئولیتهای طبیعی هستند اما سایر کاتیونهای یک و یا دو طرفیتی ممکن است جایگزین آنها شود. علاوه بر Al برخی از کاتیونهای دیگر نیز مانند Fe+3 می توانند جایگزین Si در ساختار این کانی شوند.

ساختار این کانی متشکل از چهاروجهی هایی است که اکسیژن در رئوس این چهار وجهی اطراف یک کاتیون مرکزی قرار گرفته و این اکسیژن را با چهار وجهی های مجاور به اشتراک میگذارد. کاتیون مرکزی Si است که تا حدودی با Al و گاهی برخی کاتیونهای سه ظرفیتی دیگر جایگزین می شود.

جایگزینی Si توسط کاتیونهای با بار منفی سبب ایجاد بار شبکه منفی می شود این بار منفی اضافی می تواند از طریق کاتیونهای یک یا دو ظرفیتی که در حفرات زئولیتها از طریق پیوندهای شیمیایی ضعیف تر قرار گرفته اند خنثی شود. به دلیل سست بودن این پیوند جابجایی و تبادل این کاتیونها به راحتی انجام می شود و این ویژگی تبادل یونی زیاد، بدون در هم ریختن ساختار بلور سبب استفاده از این کانیها در برخی صنایع می شود. کاتیونهای یک یا دو ظرفیتی غالب در ساختار زئولیتها کاتیونهای سدیم، پتاسیم و کلسیم هستند.

زئولیتها از دگرسانی مواد اولیه مانند کانیهای فلدسپار، فلدسپاتویید، کانیهای رسی و یا خود زئولیتها و یا مواد غیر متبلور مانند شیشه های آتشفشانی به وجود میایند. شیشه آتشفشانی بخاطر واکنش پذیری بالا، مشابهت در ترکیب شیمیایی با زئولیتها و همچنین گسترش زمانی و مکانی، مناسب ترین مواد برای تبدیل به زئولیتها هستند. قرار گیری این مواد اولیه در محیطهای شور و قلیایی سبب تبدیل آنها به کانی های زئولیتی می شود. کانیهای همراه با کانیهای زئولیتی اغلب شامل رس، گاهی کلسیت، هالیت (نمک)، فلدسپارها و انواع متفاوتی از پلی مرفهای کوارتز مانند آپال، کوارتز آلفا و حتی شیشه های آتشفشانی هستند. گرچه بیش از 45 نوع زئولیت طبیعی تا کنون شناخته شده است تنها کانیهای آنالسیم، شابازیت، کلینوپتیلولیت، فیلپسیت، اریونیت، هیولاندیت و موردنیت به فراوانی در طبیعت یافت می شوند و از میان این کانیها نیز کلینوپتیلولیت فراوانترین زئولیت طبیعی شناخته شده است. زئولیت غالب در ذخایر کشور ما نیز از این نوع است گرچه در برخی مناطق به مقدار کمتر آنالیسم هم دیده شده است. وجود کانیهای همراه متفاوت و فراوانی متغییر آنها، میزان فراوانی کانی کلینوپتیلولیت و نوع کانی کلینوپتیلولیت از ویژگیهایی هستند که در انتخاب این ماده معدنی برای کاربرد در حوزه های مختلف بسیار تاثیرگذار هستند و یک انتخاب مناسب نیاز به دانش فنی تخصصی در این زمینه دارد. برای نمونه برخی مطالعات نشان داده است که حضور برخی کانی های فرعی به دلیل فعال کردن طبیعی زئولیتها سبب افزایش سطح ویژه و تخلخل بالاتر در زئولیتهای برخی مناطق می شود در نتیجه کارایی این ماده معدنی را در مواردی مانند جذب گازهایی مانند آمونیاک و سولفید هیدروژن که در حوزه های کاربردی مانند شیلات، تصفیه آب و فاضلاب، جداسازی گازها و … دارای اهمیت ویژه هستند افزایش می دهد..

این کانی با نسبت سیلسیم به آلومینیم بیش از 4 از کانیهای زئولیتی خانواده هیولاندیت است و در واقع در زمره زئولیتهای پر سیلسیم طبقه بندی می شود که از دگرسانی توفها و توفیتها با ترکیب ریولیتی و ریوداسیتی بوجود می آید. زئولیتهایی با نسبت بالای سیلسیم به آلومینیم بیشتر تمایل به جذب کاتیونهای تک ظرفیتی دارند..

بر اساس کاتیون غالب موجود در ساختار کلینوپتیلولیت می توان سه نوع کلینوپتیلولیت سدیمی، پتاسیمی و کلسیمی در طبیعت مشاهده کرد. به دلیل اینکه ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی این کاتیونها با یکدیگر متفاوت است ویژگیهای حرارتی و شیمیایی سه نوع کلینوپتیلولیت نیز تا حدودی با یکدیگر فرق دارد و در هنگام انتخاب کلینو مناسب باید این نکته نیز در کنار سایر نکات مورد توجه جدی قرار گیرد. برای نمونه مطالعات نشان داده است که کلینوپتیلولیتهای پتاسیمی پایداری حرارتی بالاتری دارند و یا هنگام واکنش با کانی آپاتیت برای آزادسازی فسفر مورد نیاز در خاکهای کشاورزی این نوع کلینو عملکرد بهتری نسبت به انواع دیگر به ویژه کلسیمی دارد. زئولیتهای شرکت افرازند اغلب از نوع پتاسیمی است..

در ایران به دلیل فعالیتهای آتشفشانی بسیار وسیع و گسترده در دوره ائوسن و همچنین شرایط اقلیمی مناسب برای تبدیل شدن این شیشه های آتشفشانی به زئولیت نوع کلینوپتیلولیت ذخایر بسیارعظیمی از این کانی وجود دارد.

ویژگی های اصلی زئولیتها

مهم ترین ویژگیهای زئولیتها که سبب توسعه کاربرد آنها در حوزه های مختلف مانند کشاورزی، دام وطیور، محیط زیست، آب و فاضلاب و صنایع شده است را می توان بصورت زیر خلاصه کرد:

توان بالای تبادل کاتیونی که سبب خواص کاتالیسشتی و جذب برخی فلزات سنگینی همچون Cd,As, Pb, Hg, … می شود
توان جذب برخی آنیونها مانند فلوئور، نیترات و ….
سطح ویژه وسیع که سبب جذب سطحی بالا و خواص کاتالیزوری قوی می شود.
پایداری بالای حرارتی، شیمیایی و مکانیکی
وجود حفرات و منافذ نانومتری با قطر معین در ساختار کانی
ذخیره و رها سازی آب و سیالات بدون برهم ریختن شبکه کانی

شناسایی و انتخاب زئولیت مناسب

با توجه به اينكه ذخـائر معدني اقتصادي كلينوپتيلوليت از سـنگ هاي رسـوبي حاوي آن بدست مي آيد و بديهي است هر يك از اين ذخائر داراي ژنز و كيفـيتهاي متفـاوت و ناخالصي هاي مختـص خـود هستند. بنابراین انتخاب و تشخيص زئوليت مـورد نياز به طريق آناليزي و ظاهــري با دقـت مناسـب بايد صورت پذيرد . چنانچه قبلاً ذكر شد كلينوپتيلوليت كاني هيدرو آلومينيوسيليكاته با كاتيونهاي اصلی سديم و پتاسيم و سایر کاتیونهای فرعی است كه خلوص آن مي تواند در حدود متوسط 80% باشد و البته بهتر است اين ميزان از 60% كمتر نباشد . ناخالصي هاي همراه زئوليت (كلينوپتيلوليت ) در ايران غالباً شامل گچ CaSO4 ، آهك CaCO3 ، خاك رس ( كائولن ،‌ مونت موريونيت يا بنتونيت ) ، موردنيـت ، سولفات سـديم ، نمك ، انواع فلدسـپار و همچـنين سيليس آزاد به صورت كوارتز يا كريستوباليت و … است كه بايد مورد توجه قرار گيرند.
كلينوپتيلوليت به رنگ سفيد، کرم، سبز و حتی قرمز و قهوه ای ميباشد دانه هاي آن به رطوبت حساسند و براحتي به زبان مي چسبند ولی بر اثر قرار گرفتن در معرض آب و رطــوبت از آنها بوي گِل كه نشـان دهنده وجـود رس اسـت سـاطـع نمي شود . زئوليـت، سـبـك و داراي شكست صدفي و سطح آن صاف و بدون خاكه است . مقاومت مكانيكي زئوليت با توجه به سخـتي 5/5 ـ 5 در اشل مــوس نسبتاً زياد اســت و به آساني در بين انگشتان يا با فشار خــرد نمي شود . ميــزان SiO2 حـدود 67% و LOI حدود 12-10% و مجـموع Na2O ، K2O و CaO بين 9-6% از مهـمترين عوامل تجربه شده آناليز آن هستند .

اینها ساده ترین روشهای تجربی شناسایی زئولیتها است موارد بسیاری از قبیل مشخصات ساختاری، شیمیایی و میکروسکپی نیز وجود دارد.

برای این منظور و در صورت نیاز به مشورت حتما با ما تماس بگیرید.