Zeolit ​​- Zeolite

Zeolitler , yaygın olarak ticari adsorbanlar ve katalizörler olarak kullanılan mikro gözenekli , alüminosilikat minerallerdir . Terimi zeolit başlangıçta tarafından 1756 yılında icat edildi İsveç mineralog Axel Fredrik Cronstedt bu hızla ısıtılması için gözlenen, inanılan stilbite , olan su buharı, büyük miktarlarda üretilmektedir adsorbe malzeme ile. Buna dayanarak, o malzeme denilen zeolit dan, Yunan ζέω (ZEO) "kaynama noktasına" ve anlamı λίθος (lithos) "taş" anlamına gelen. Alan için klasik referans, Breck'in Zeolit ​​Molecular Sieves: Structure, Chemistry, And Use adlı kitabı olmuştur .

Zeolitler doğal olarak meydana gelirler ancak aynı zamanda endüstriyel olarak büyük ölçekte üretilirler. Aralık 2018 itibariyle, 253 benzersiz zeolit ​​çerçevesi tanımlanmıştır ve 40'ın üzerinde doğal olarak oluşan zeolit ​​çerçevesi bilinmektedir. Elde edilen her yeni zeolit ​​yapısı Uluslararası Zeolit ​​Birliği Yapı Komisyonu tarafından incelenir ve üç harfli bir atama alır.

Özellikler ve oluşum

Hindistan'dan bir tür thomsonit (en nadir zeolitlerden biri)
Dörtyüzlüden bir araya getirilmiş bir zeolit ​​( mordenit ) çerçevesinin mikroskobik yapısı . Sodyum, ekstra çerçeve katyon olarak bulunur (yeşil renkte).

Zeolitler, Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ ve diğerleri gibi çok çeşitli katyonları barındırabilen gözenekli bir yapıya sahiptir . Bu pozitif iyonlar oldukça gevşek bir şekilde tutulur ve bir temas solüsyonunda kolaylıkla başkalarıyla değiştirilebilir. Daha yaygın mineral zeolitlerden bazıları analsim , şabazit , klinoptilolit , heulandit , natrolit , phillipsit ve stilbittir . Bir zeolitin mineral formülüne bir örnek: Na
2
Al
2
Si
3
Ö
10
·2H 2 O, natrolit formülü . Katyon değişimli zeolitler farklı asitliğe sahiptir ve farklı reaksiyonları katalize eder.

Doğal zeolitler, volkanik kayaların ve kül tabakalarının alkali yeraltı suyu ile reaksiyona girdiği yerde oluşur . Zeolitler ayrıca sığ deniz havzalarında binlerce yıldan milyonlarca yıla kadar değişen sürelerde çökelme sonrası ortamlarda kristalleşir. Doğal olarak oluşan zeolitler nadiren saftır ve diğer mineraller, metaller, kuvars veya diğer zeolitler tarafından değişen derecelerde kirlenir . Bu nedenle, doğal olarak oluşan zeolitler, tekdüzelik ve saflığın önemli olduğu birçok önemli ticari uygulamanın dışında tutulur.

Zeolitler olarak alüminosilikat "olarak bilinen mikro-gözenekli katı ailesinin üyeleri moleküler elekler " ve esas olarak, silikon, alüminyum, oksijen oluşur ve M, aşağıdaki genel formüle sahip x Al x Si 1-x O 2 · yH 2 M O olduğu ya bir metal iyonu ya da H + . x'in değeri 0 ile 1 arasındadır ve y, formül birimindeki su moleküllerinin sayısıdır. Çok çeşitli olası yapılar olmasına rağmen, ortak bir nokta, kovalent ağ yapıları oluşturmak üzere AlO 4 ve SiO 4 tetrahedranın köşe oksijen atomlarının bağlanmasıyla oluşturulmuş olmalarıdır .

Terimi, moleküler elek , bir boyut ayırma işlemi öncelikle göre seçici olarak sıralama moleküllere bu malzemelerin belirli bir özelliği, yani, yeteneğini ifade eder. Bu, moleküler boyutların çok düzenli bir gözenek yapısından kaynaklanmaktadır. Bir zeolitin gözeneklerine girebilen moleküler veya iyonik türlerin maksimum boyutu, kanalların boyutları tarafından kontrol edilir. Bunlar geleneksel olarak açıklığın halka boyutuyla tanımlanır, örneğin "sekiz halka" terimi, sekiz tetrahedral olarak koordine edilmiş silikon (veya alüminyum) atomundan ve sekiz oksijen atomundan yapılmış bir kapalı döngüye atıfta bulunur. Bu halkalar, genel yapıyı üretmek için gerekli olan birimler arasındaki bağlanmanın neden olduğu gerilim veya halkaların bazı oksijen atomlarının yapı içindeki katyonlara koordinasyonu gibi çeşitli nedenlerden dolayı her zaman mükemmel simetrik değildir. Bu nedenle, birçok zeolitteki gözenekler silindirik değildir.

Zeolitler altında diğer mineraller dönüşümü ayrışma , hidrotermal alterasyon veya metamorfik koşulları. Bazı örnekler:

Üretme

Endüstriyel olarak önemli zeolitler sentetik olarak üretilir. Tipik prosedürler, sulu alümina ve silika çözeltilerinin sodyum hidroksit ile ısıtılmasını gerektirir . Eşdeğer reaktifler arasında sodyum alüminat ve sodyum silikat bulunur . Diğer varyasyonlar, kuaterner amonyum katyonları gibi yapı yönlendirici ajanların (SDA) kullanımını içerir .

Sentetik zeolitler, doğal analoglarına göre bazı önemli avantajlara sahiptir. Sentetik malzemeler tek tip, faz-saf halde üretilir. Doğada görülmeyen zeolit ​​yapıları da üretmek mümkündür. Zeolit ​​A iyi bilinen bir örnektir. Zeolitleri üretmek için kullanılan başlıca hammaddeler, yeryüzünde en bol bulunan mineral bileşenler arasında yer alan silika ve alümina olduğundan, zeolit ​​sağlama potansiyeli neredeyse sınırsızdır.

Doğal oluşum

Polonya konumundan Natrolit

Doğal zeolitleri çıkarmak için geleneksel açık ocak madenciliği teknikleri kullanılır. Cevhere erişim sağlamak için aşırı yük kaldırılır. Cevher, sökücü bıçaklar ve önden yükleyicilerle donatılmış traktörler kullanılarak işlenmek üzere patlatılabilir veya sıyrılabilir. İşleme sırasında cevher ezilir, kurutulur ve öğütülür. Öğütülmüş cevher, partikül boyutuna göre havada sınıflandırılabilir ve torbalar veya dökme olarak nakledilebilir. Ezilmiş ürün, granül bir ürün gerektiğinde ince malzemeleri çıkarmak için elenebilir ve ince malzemeden bazı pelet haline getirilmiş ürünler üretilir.

2016 itibariyle dünyanın yıllık doğal zeolit ​​üretimi yaklaşık 3 milyon tondur . 2010'daki başlıca üreticiler arasında Çin (2 milyon ton), Güney Kore (210.000 ton), Japonya (150.000 ton), Ürdün (140.000 ton), Türkiye (100.000 ton) Slovakya (85.000 ton) ve Amerika Birleşik Devletleri (59.000 ton) yer aldı. Zeolitçe zengin kayaların düşük maliyetle hazır bulunması ve rakip minerallerin ve kayaların eksikliği, büyük ölçekli kullanımı için muhtemelen en önemli faktörlerdir. Göre ABD Jeolojik Araştırmalar , bazı ülkelerde zeolitler olarak satılan malzeme önemli bir yüzdesi zemin veya kesilmiş volkanik olması muhtemeldir tüf zeolitlerin sadece az miktarda içerir. Bu tür kullanıma bazı örnekler, kesme taşı (değiştirilmiş bir volkanik tüf olarak), hafif agrega , puzolanik çimento ve toprak düzenleyicileri içerir .

yapay sentez

sentetik zeolit

Alkaliler ve organik şablonların mevcudiyetinde bir silika - alümina jelinin yavaş kristalleştirilmesi işlemiyle sentezlenmiş 200'den fazla sentetik zeolit ​​vardır . Bu tür daha birçok yapı teorik olarak yapılabilir. Yapılardaki varyasyonlara ek olarak, zeolitleri kimyasal olarak ilginç ve aktif hale getirmek için içlerinde çeşitli başka atomlarla da yapılabilir. Dahil edilen sözde heteroatomların bazı örnekleri arasında germanyum, demir, galyum, bor, çinko, kalay ve titanyum bulunur. Zeolit ​​sentezini gerçekleştirmek için kullanılan önemli işlemlerden biri sol-jel işlemedir. Ürün özellikleri, reaksiyon karışımı bileşimine, sistemin pH'ına, çalışma sıcaklığına , reaksiyon öncesi 'tohumlama' süresine, reaksiyon süresine ve kullanılan şablonlara bağlıdır. Sol-jel işleminde diğer elementler (metaller, metal oksitler) kolaylıkla dahil edilebilir. Silikalit oluşturduğu sol hidrotermal yöntem çok kararlıdır. Bu işlemi büyütme kolaylığı, onu zeolit ​​sentezi için tercih edilen bir yol haline getirir.

zeolit ​​bilmecesi

Bilgisayar hesaplamaları, milyonlarca varsayımsal zeolit ​​yapısının mümkün olduğunu öngörmüştür. Bununla birlikte, şimdiye kadar bu yapılardan sadece 232 tanesi keşfedilmiş ve sentezlenmiştir, o kadar çok zeolit ​​bilimcisi, neden sadece bu küçük olasılıkların gözlemlendiğini sorgulamaktadır. Bu soruna genellikle "darboğaz sorunu" denir. Şu anda, birkaç teori bu sorunun arkasındaki mantığı açıklamaya çalışıyor.

  1. Zeolit ​​sentezi araştırmaları öncelikle hidrotermal yöntemler üzerinde yoğunlaşmaktadır; bununla birlikte, alternatif yöntemler kullanılarak yeni zeolitler sentezlenebilir. Kullanım kazanmaya başlayan sentez yöntemleri arasında mikrodalga destekli, post-sentetik modifikasyon, buhar yer almaktadır.
  2. Geometrik bilgisayar simülasyonları, keşfedilen zeolit ​​çerçevelerinin "esneklik penceresi" olarak bilinen bir davranışa sahip olduğunu göstermiştir. Bu, zeolit ​​yapısının "esnek" olduğu ve sıkıştırılabileceği ancak çerçeve yapısını koruduğu bir aralığın olduğunu göstermektedir. Bir çerçeve bu özelliğe sahip değilse, o zaman uygulanabilir bir şekilde sentezlenemeyeceği öne sürülmektedir.
  3. Zeolitler yarı kararlı olduğundan, daha kararlı ve enerjik olarak uygun zeolitler oluşacağından çekirdeklenme gerçekleşemeyeceğinden belirli çerçevelere erişilemez olabilir. Bu sorunla ADOR yöntemiyle mücadele etmek için post-sentetik modifikasyon kullanılmıştır, bu sayede çerçeveler katmanlara bölünebilir ve silika bağlarını çıkararak veya bunları dahil ederek tekrar birbirine yapıştırılabilir.

zeolitlerin kullanım alanları

Zeolitler, evsel ve ticari su arıtma , yumuşatma ve diğer uygulamalarda iyon değişim yatakları olarak yaygın olarak kullanılmaktadır . Daha önce, sert suyu yumuşatmak için polifosfatlar kullanıldı. Polifosfatlar, Ca2 + ve Mg2 + gibi metal iyonlarıyla kompleks oluşturarak temizleme işlemine müdahale edememeleri için onları birbirine bağlar. Bununla birlikte, bu fosfat bakımından zengin su ana akış suyuna girdiğinde, su kütlelerinin ötrofikasyonuna neden olur ve bu nedenle polifosfat kullanımı, sentetik bir zeolit ​​kullanımı ile değiştirilir. Kimyada, zeolitler molekülleri ayırmak için (yalnızca belirli boyut ve şekillerdeki moleküller geçebilir) ve moleküllerin analiz edilebilmesi için tuzaklar olarak kullanılır.

Zeolitler ayrıca yaygın olarak katalizör ve sorbent olarak kullanılmaktadır. İyi tanımlanmış gözenek yapıları ve ayarlanabilir asitlikleri, onları çok çeşitli reaksiyonlarda oldukça aktif hale getirir.

Zeolitler, H çıkarılması dahil olmak üzere gazların kesin ve spesifik ayırma sağlama potansiyeline sahip 2 , O, CO 2 , SO 2 düşük dereceli gelen doğal gaz akımları. Diğer ayırmalar içerir asal gazlar , N 2 , O 2 , freon ve formaldehid .

Zeolitler, gümüşün doğal olarak floresan ışıklar veya LED'lerle rekabet edebilecek ışık yaymasına yardımcı olduğu keşfedildi .

Yerleşik oksijen üretme sistemleri (OBOGS) ve oksijen konsantratörleri , yüksek irtifalardaki hava ekiplerine oksijen sağlamak ve ayrıca ev ve taşınabilir oksijen kaynakları sağlamak üzere nitrojeni basınçlı havadan çıkarmak için basınç salınımlı adsorpsiyon ile birlikte zeolitleri kullanır .

sanayi

Diğer gözenekli malzemeler gibi sentetik zeolitler (örneğin, MCM-41 ), yaygın olarak olarak kullanılan katalizörler olarak petrokimya endüstrisi gibi sıvı katalitik olarak, çatlama ve hidro . Zeolitler, molekülleri küçük boşluklara hapseder, bu da yapılarında ve reaktivitesinde değişikliklere neden olur. Hazırlanan zeolitlerin asidik formları genellikle güçlü katı hal katı asitlerdir ve izomerizasyon , alkilasyon ve kraking gibi bir dizi asit katalizli reaksiyonu kolaylaştırır .

Katalitik kırma , bir reaktör ve bir rejeneratör kullanır. Besleme, büyük gaz yağı moleküllerinin daha küçük benzin moleküllerine ve olefinlere ayrıldığı sıcak, akışkanlaştırılmış bir katalizöre enjekte edilir . Buhar fazlı ürünler katalizörden ayrılır ve çeşitli ürünlere damıtılır. Katalizör, parçalama işleminde bir yan ürün olarak oluşan katalizörün yüzeyindeki kokuyu yakmak için havanın kullanıldığı bir rejeneratöre dolaştırılır. Sıcak, rejenere edilmiş katalizör daha sonra döngüsünü tamamlamak için reaktöre geri döndürülür.

Zeolitler, bazı iyonları yakalarken diğerlerinin serbestçe geçmesine izin veren mikro gözenekli yeteneklerinin birçok fisyon ürününün atıktan verimli bir şekilde çıkarılmasına ve kalıcı olarak tutulmasına izin verdiği gelişmiş nükleer atık yeniden işleme yöntemlerini kullanmıştır. Aynı derecede önemli olan, zeolitlerin mineral özellikleridir. Alümino-silikat yapıları son derece dayanıklıdır ve gözenekli formda bile radyasyona karşı dirençlidir. Ek olarak, kapana kısılmış fisyon ürünleri ile yüklendikten sonra, zeolit-atık kombinasyonu sıcak preslenerek son derece dayanıklı bir seramik forma dönüştürülebilir, gözenekleri kapatabilir ve atığı katı bir taş blokta hapsedebilir. Bu, geleneksel yeniden işleme sistemlerine kıyasla tehlikesini büyük ölçüde azaltan bir atık form faktörüdür. Zeolitler ayrıca radyoaktif madde sızıntılarının yönetiminde de kullanılmaktadır. Örneğin, Fukushima Daiichi nükleer felaketinin ardından, yüksek seviyelerde bulunan radyoaktif sezyumu adsorbe etmek için elektrik santralinin yakınındaki deniz suyuna kum torbaları zeolit ​​atıldı .

Alman grubu Fraunhofer eV , sudan dört kat daha fazla yoğunlukta uzun süreli enerji depolaması için biyogaz endüstrisinde kullanılmak üzere bir zeolit ​​maddesi geliştirdiklerini duyurdu . Nihai olarak amaç, ısıyı hem endüstriyel tesislerde hem de daha büyük konut binalarında kullanılanlar gibi küçük kombine ısı ve enerji santrallerinde depolamaktır.

Güneş enerjisi depolama ve kullanımı

Zeolitler termokimyasal hasat güneş ısı depolamak için kullanılabilen termal güneş kolektörleri 1978 ve ilk Guerra gösterdiği gibi adsorpsiyon soğutma ilk 1974'te TCHERNEV gösterdiği gibi, bu uygulamalarda, bir yüksek ısı adsorpsiyon ve yeteneği hidrat ve dihidrat süre yapısal istikrarın korunmasından yararlanılır. Bu higroskopik özellik , susuz halden hidratlı forma geçerken doğal bir ekzotermik (enerji salan) reaksiyonla birleştiğinde, doğal zeolitleri atık ısı ve güneş ısısı enerjisinin hasat edilmesinde faydalı hale getirir.

Ticari ve yurtiçi

Zeolitler de olarak kullanılan moleküler elek olarak cryosorption tarzı vakum pompaları .

Zeolit ​​için en büyük tek kullanım, küresel çamaşır deterjanı pazarıdır. Zeolitler, çamaşır deterjanında su yumuşatıcı olarak kullanılır, aksi takdirde çözeltiden çökelecek olan Ca2 + ve Mg2 + iyonlarını uzaklaştırır . İyonlar , çözeltiye Na + iyonları salan zeolitler tarafından tutulur ve çamaşır deterjanının sert su bulunan alanlarda etkili olmasını sağlar.

Topaklanmayan kedi kumu genellikle zeolit ​​veya diatomitten yapılır .

Sentetik zeolitler, ılık karışım asfalt betonu üretim sürecinde katkı maddesi olarak kullanılmaktadır . Bu uygulamanın gelişimi 1990'larda Almanya'da başladı. Asfalt betonunun üretimi ve döşenmesi sırasında sıcaklık seviyesini düşürerek daha az fosil yakıt tüketimine neden olarak daha az karbondioksit , aerosol ve buhar salarak yardımcı olurlar . Sıcak karışımlı asfaltta sentetik zeolitlerin kullanılması daha kolay sıkıştırmaya yol açar ve bir dereceye kadar soğuk havalarda serme ve daha uzun mesafeler sağlar.

Portland çimentosuna puzolan olarak eklendiklerinde klorür geçirgenliğini azaltabilir ve işlenebilirliği iyileştirebilirler. Ağırlığı azaltırlar ve su içeriğinin ılımlı olmasına yardımcı olurken daha yavaş kuruma sağlarlar, bu da kopma mukavemetini artırır. Kireç harçlarına ve kireç-metakaolin harçlarına eklendiğinde , sentetik zeolit ​​peletleri aynı anda hem puzolanik malzeme hem de su deposu görevi görebilir.

Bir ürün depolama ve muhafaza ürünü olan Debbie Meyer Green Bags , aktif bileşeni olarak bir tür zeolit ​​kullanır. Torbalar , olgunlaşma sürecini yavaşlatması ve torbalarda saklanan ürünlerin raf ömrünü uzatması amaçlanan etileni adsorbe etmek için zeolit ​​ile kaplanmıştır .

Değerli taşlar

cilalı thomsonit

Thomsonites , nadir zeolit mineralleri olarak toplanmıştır taşlar bir dizi lav boyunca akar Lake Superior de Minnesota'da içinde, daha az oranda ve Michigan . Bu bölgelerden Thomsonite nodüller gelmiş aşınmış gelen bazalt lav akıntıları ve plajlarda ve Lake Superior tüplü dalgıçlar tarafından toplanır.

Bu thomsonite nodülleri, renk kombinasyonlarında eşmerkezli halkalara sahiptir: siyah, beyaz, turuncu, pembe, mor, kırmızı ve yeşilin birçok tonu. Bazı nodüllerde bakır kapanımları vardır ve nadiren bakır "gözler" bulunur. Bir taş ustası tarafından parlatıldığında , thomsonitler bazen bir "kedi gözü" etkisi ( chatoyancy ) gösterir.

Biyolojik

Basınç salınımlı adsorpsiyonun animasyonu, (1) ve (2) alternatif adsorpsiyon ve desorpsiyon gösteren
ben basınçlı hava girişi A adsorpsiyon
Ö oksijen çıkışı NS desorpsiyon
E egzoz

Zeolitlerin, özellikle de doğal olarak oluşan heulandit , klinoptilolit ve şabazit türlerinin birçok biyokimyasal ve biyomedikal uygulamalarının araştırılması ve geliştirilmesi devam etmektedir.

Zeolit ​​bazlı oksijen yoğunlaştırıcı sistemler, tıbbi kalitede oksijen üretmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Zeolit, yüksek oranda saflaştırılmış oksijen ve %5'e kadar argon bırakarak nitrojenin adsorpsiyonunu içeren bir işlemde, safsızlıkları yakalama kabiliyetini kullanarak havadan saflaştırılmış oksijen oluşturmak için moleküler bir elek olarak kullanılır.

Şiddetli kanamayı durdurmak için kullanılan QuikClot marka hemostatik ajan , kaolin kilinde bulunan kalsiyum yüklü bir zeolit ​​formu içerir .

Tarımda, toprak işleme olarak klinoptilolit (doğal olarak oluşan bir zeolit) kullanılır. Yavaş salınan potasyum kaynağı sağlar . Daha önce amonyum ile yüklenmişse , zeolit azotun yavaş salınmasında benzer bir işlev görebilir . Zeolitler ayrıca, sudaki ağırlıklarının %55'ini emecekleri ve bitkinin talebi doğrultusunda yavaş yavaş salacakları su moderatörleri olarak da hareket edebilirler. Bu özellik kök çürüklüğünü önleyebilir ve orta derecede kuraklık döngülerini önleyebilir.

Klinoptilolit tavuk yemlerine de eklenmiştir: zeolit ​​tarafından su ve amonyağın emilmesi, kuşların dışkılarını daha kuru ve daha az kokulu hale getirdi, dolayısıyla kullanımı daha kolay oldu.

Evcil hayvan dükkanları , amonyak ve diğer azotlu bileşikleri adsorbe etmek için kullanılabilecekleri akvaryumlarda filtre katkı maddeleri olarak kullanılmak üzere zeolitleri pazarlar . Özellikle su kimyasına ve sıcaklığa duyarlı hassas tropik mercanlarda biraz dikkatli kullanılmalıdır. Bazı zeolitlerin kalsiyuma yüksek afinitesi nedeniyle sert suda daha az etkili olabilirler ve kalsiyumu tüketebilirler. Zeolit ​​filtrasyonu aynı zamanda bazı deniz akvaryumlarında besin konsantrasyonlarını düşük tutmak için besin değeri tükenmiş sulara adapte edilmiş mercanların yararına kullanılır.

Zeolitin nerede ve nasıl oluştuğu akvaryum uygulamaları için önemli bir husustur. Çoğu Kuzey yarımkürede, doğal zeolit, erimiş lav deniz suyuyla temas ettiğinde oluştu, böylece zeoliti Na (sodyum) kurban iyonlarıyla "yükliyor". Mekanizma kimyagerler tarafından iyon değişimi olarak iyi bilinmektedir . Bu sodyum iyonları, çözeltideki diğer iyonlarla değiştirilebilir, böylece sodyum salınımı ile amonyak içindeki nitrojen alınır. Güney Idaho'da Bear River yakınlarındaki bir tortu , bir tatlı su çeşididir (Na < %0.05). Güney yarım küre zeolitler tipik olarak tatlı suda oluşur ve yüksek kalsiyum içeriğine sahiptir.

Zeolit ​​mineral türleri

Dört zeolit ​​türünün kombinasyon örneği. Yayılan natrolit kristalleri, ilişkili stilbit ile bir cepte korunur. Cebin etrafındaki ve üstündeki matris, küçük, pembe renkli laumontit kristalleri ile kaplanmıştır. Heulandite ayrıca arka tarafta kristal bir küme olarak bulunur

Zeolit ​​yapısal grubu ( Nikel-Strunz sınıflandırması ) şunları içerir:

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar