мини|Зеолит изложен во Естонскиот музеј за природна историја Зеолитот е група од неколку микропорозни материјали, кристални алумосиликатни минерали кои најчесто се користат како комерцијални адсорбенти и катализатори. Тие главно се состојат од силициум, алуминиум, кислород и ја имаат општата формула ･y каде е или метален јон или H+.
Терминот првично бил измислен во 1756 година од шведскиот минералог Аксел Фредрик Кронштет, кој забележал дека брзото загревање на материјалот, за кој се верува дека бил стилбит, произведувал големи количини на пареа од водата што била адсорбирана од материјалот. Врз основа на ова, тој го нарекол материјалот зеолит, од грчкиот , што значи „да се вари“ и , што значи „камен“.
Зеолитите се јавуваат природно, но се произведуваат и индустриски во голем обем. Од декември 2018 година идентификувани се 253 уникатни зеолитни рамки, а познати се над 40 природни зеолитни рамки. Секоја нова структура на зеолит што се добива се испитува од страна на Меѓународната комисија за структурата на асоцијацијата на зеолит (IZA-SC) и добива ознака со три букви.
Карактеристики
Својства мини|458x458пкс| Микроскопска структура на рамка од зеолит ( морденит ), составена од со делење агол тетраедри. Натриумот е присутен како екстра-рамковен катјон (во зелена боја). Атомите на Si може делумно да се заменат со Al или други четиривалентни метали. Зеолитите се бели цврсти материи со обични својства на ракување, како многу рутински алумосиликатни минерали, на пр. фелдспат. Тие ја имаат општата формула каде што M+ е обично H+ и Na+ . Односот Si/Al е променлив, што обезбедува средство за прилагодување на својствата. Зеолитите со сооднос Si/Al повисок од околу 3 се класифицирани како високосилициумски зеолити, кои имаат тенденција да бидат похидрофобни. H+ и Na+ може да се заменат со различни катјони, бидејќи зеолитите имаат својства за размена на јони. Природата на катјоните влијае на порозноста на зеолитите.
Зеолитите имаат микропорозни структури со типичен дијаметар од 0,3–0,8 нм. Како и повеќето алумосиликати, рамката се формира со поврзување на атоми на алуминиум и силициум со оксиди. Ова поврзување води до 3-димензионална мрежа на врски Si-O-Al, Si-O-Si и Al-O-Al. Алуминиумските центри се негативно наелектризирани, што бара придружен катјон. Овие катјони се хидрирани за време на формирањето на материјалите. Хидрираните катјони ја прекинуваат инаку густата мрежа на поврзување Si-O-Al, Si-O-Si и Al-O-Al, што доведува до редовни шуплини исполнети со вода. Поради порозноста на зеолитот, водата може да излезе од материјалот преку канали. Поради ригидноста на рамката на зеолитот, загубата на вода не резултира со колапс на шуплините и каналите. Овој аспект - способноста да се генерираат празнини во цврстиот материјал - ја поткрепува способноста на зеолитите да функционираат како катализатори. Тие поседуваат високаа физичка и хемиска стабилност поради големиот придонес на ковалентно поврзување. Тие имаат одлична хидрофобност и се погодни за адсорпција на гломазни, хидрофобни молекули како што се јаглеводородите. дополнително на тоа, зеолитите со висока содржина на силициум диоксид се како цврсти киселински катализатори. Киселоста е доволно силна за да се протонираат јаглеводородите, а зеолитите со висока силициум диоксид се користат во процесите на кисела катализа, како што е течното каталитичко пукање во петрохемиската индустрија. мини|Зеолит Морденит со некои атоми Si супституирани со атоми на Al.
Рамковна структура мини|350x350пкс| Три начини да се претстави кислородната 4-члена структура на прстен на силикатни соединенија. мини|350x350пкс| Споредба на рамковни структури на зеолит од типот LTA (лево) и зеолит од типот FAU (десно) Утврдени се структурите на стотици зеолити. Повеќето не се јавуваат природно. За секоја структура, Меѓународната асоцијаза тип на рамка (FTC). На пример, главните молекуларни сита, 3A, 4A и 5A, се сите LTA (Linde Type A). Повеќето комерцијално достапни природни зеолити се од типовите MOR, HEU или ANA.
Пример за означување на структурата на прстенот на зеолит и други силикатни материјали е прикажан на горната десна слика. Средната слика покажува заедничка нотација користејќи структурна формула. Левата фигура ја нагласува тетраедарската структура на SiO. Поврзувањето на атоми на кислород заедно создава четиричлен прстен од кислород (сина задебелена линија). Всушност, таквата потструктура на прстенот се нарекува четиричлен прстен или едноставно четири-прстен. Сликата од десната страна покажуваат 4-прстен со атоми Si поврзани едни со други, што е најчестиот начин за изразување на топологијата на рамката.
Сликата од десната страна ги споредува типичните рамковни структури на LTA (лево) и FAU (десно). Двата зеолити ја делат скратената октаедрална структура (кафез содалит) (виолетова линија). Меѓутоа, начинот на таквото поврзување (жолта линија) е различен: во LTA, четиричлените прстени на кафезот се поврзани еден со друг за да формираат скелет, додека кај FAU, шестчлените прстени се поврзани едни со други. Како резултат на тоа, влезот на порите на LTA е 8-прстен (0,41 nm ) и припаѓа на зеолит со мали пори, додека влезот на порите на FAU е 12-прстен (0,74 nm ) и припаѓа на зеолит со големи пори, соодветно. Материјалите со 10-прстен се нарекуваат зеолити со средна пора, типичен пример е ZSM-5 (MFI).
Иако се познати повеќе од 200 видови зеолити, достапни се само околу 100 видови на алумосиликат. Покрај тоа, постојат само неколку типови кои можат да се синтетизираат на индустриски изводлив начин и имаат доволна топлинска стабилност за да ги задоволат барањата за индустриска употреба. Особено, тип висока содржина на силициум диоксид), MFI (ZSM-5) и FER (фериерит со висока содржина на силициум диоксид) се нарекуваат големата петорка на високо силициум зеолити, и се воспоставени методи на индустриско производство.
Порозност Терминот молекуларно сито се однесува на одредена особина на оовие материјали т.е. способност за селективност на молекулите врз основа првенствено на процес на исклучување на големината. Ова се должи на многу редовна структура на порите со молекуларни димензии. Максималната големина на молекуларните или јонските видови кои можат да навлезат во порите на зеолитот се контролира со димензиите на каналите. Тие се конвенционално дефинирани со големината на прстенот на отворот, каде што, на пример, терминот „осум прстен“ се однесува на затворена јамка која е изградена од осум тетраедрално координирани силициум (или алуминиум) атоми и осум атоми кислород. Овие прстени не се секогаш совршено симетрични поради различни причини, вклучително и напрегање предизвикано од поврзувањето помеѓу единиците кои се потребни за да се произведе целокупната структура или координација на некои од атомите на кислород на прстените на катјоните во структурата. Затоа, порите во многу зеолити не се цилиндрични.
Изоморфна замена Изоморфна замена на Si во зеолити може да биде можна за некои хетероатоми како што се титаниум, цинк и германиум. Атомите на Al во зеолитите можат структурно да се заменат со бор и галиум.
Силикоалуминофосфатниот тип (AlPO молекуларно сито), во кој Si е изоморфен со Al и P и Al е изоморфен со Si, а познати се галогерманатот и други.
Природна појава лево|мини| Форма на томсонит (еден од најретките зеолити) од Индија Некои од почестите минерални зеолити се аналцим, хабазит, клиноптилолит, хеуландит, натролит, филипсит и стилбит. Пример за минералната формула на зеолит е: · 2H2O, формулата за натролит.
Природните зеолити се формираат каде вулканските карпи и слоевите вулкански пепел реагираат со алкалните подземни води. Зеолитите исто така се кристализираат во средини по таложење во периоди кои се движат од илјадници до милиони години во плитки морски басени. Природните зеолити ретко се чисти и се контаминирани во различен степен со други минерали, метали, кварц или други зеолити. Поради оваа причина, природните зеолити се исклучени од многу важни комерцијални апликации каде униформноста и чистотата се од суштинско значење.
Зеолитите се трансформираат во други минерали при атмосферски влијанија, хидротермални промени или метаморфни услови. Некои примери:
Редоследот на вулканските карпи богати со силициум диоксид најчесто напредува од: Глина → кварц → морденит – хеуландит → епистилбит → стилбит → томсонит → мезолит → сколецит → хабазит → калцит. Редоследот на вулкански карпи сиромашни со силициум диоксид најчесто напредува од: Каулзит → левин → офретит → аналцим → томсонит → мезолит → сколецит → хабазит → калцит.
Скапоцени камења мини|Полиран томсонит Томсонитите, еден од поретките минерали на зеолит, се собрани како скапоцени камења од низа текови на лава долж Горно езеро во Минесота и, во помал степен, во Мичиген. Нодулите од томсонит од овие области еродирале од тековите на базалтната лава и се собираат на плажите и од нуркачите во Горно езеро.
Овие томсонитни јазли имаат концентрични прстени во комбинации на бои: црна, бела, портокалова, розова, виолетова, црвена и многу нијанси на зелена боја. Некои нодули имаат бакарни подмножества и ретко ќе се најдат со бакарни „очи“. Кога се полира со лапидар, томсонитите понекогаш покажуваат ефект на „мачкино око“ (чатојанство).
Производство Првата синтетичка структура била пријавена од Ричард Барер. Индустриски важните зеолити се произведуваат синтетички. Вообичаените постапки подразбираат загревање на водените раствори на алуминиум и силициум диоксид со натриум хидроксид . Еквивалентни реагенси вклучуваат натриум алуминат и натриум силикат. Понатамошни варијации вклучуваат употреба на агенси за насочување на структурата (SDA) како што се кватернерните амониумски катјони.
Синтетичките зеолити имаат некои клучни предности во однос на нивните природни аналози. Синтетичките материјали се произведени во униформа, фазна чиста состојба. Исто така, можно е да се произведат зеолитни структури кои не се појавуваат во природата. Зеолитот А е добро познат пример. Бидејќи главните суровини што се користат за производство на зеолити се силициум диоксид и алуминиум, кои се меѓу најзастапените минерални компоненти на земјата, потенцијалот за снабдување со зеолити е практично неограничен.
Ископ на руда мини|Натролит од Полска
Синтеза лево|мини| Синтетички зеолит Пријавени се над 200 синтетички зеолити. Повеќето зеолити имаат алумосиликатни рамки, но некои вклучуваат германиум, железо, галиум, бор, цинк, калај и титан. Синтезата на зеолит вклучува процеси слични на сол-гел. Карактеристиките на производот зависат од составот на реакционата смеса, рН на системот, работната температура, времето на „сеење“ пред реакцијата, времето на реакција, како и употребените шаблони. Во процесот на сол-гел, лесно може да се вградат и други елементи (метали, метални оксиди).
Апликации Зеолитите се широко користени како катализатори и сорбенти. Во хемијата, зеолитите се користат како мембрани за одвојување на молекулите (само молекули со одредени големини и форми можат да поминат низ), и како замки за молекулите за да можат да се анализираат.
Истражувањето и развојот на многуте биохемиски и биомедицински примени на зеолитите, особено природните видови хеуланит, клиноптилолит и шабазит се во тек.
Јон-размена, прочистување на водата и омекнување Зеолитите се широко користени како кревети за размена на јони во домашни и комерцијални прочистувања на вода, омекнување и други апликации.
Доказите за најстариот познат систем за филтрација за прочистување на водата со зеолит се јавуваат во непречените седименти на резервоарот Кориентал во градот Тикал на Маите, во северна Гватемала.
Претходно, полифосфатите се користеле за омекнување на тврда вода. Полифосфатите формираат комплекс со метални јони како Ca2+ и Mg2+ за да ги врзат за да не можат да се мешаат во процесот на чистење. Меѓутоа, кога оваа вода богата со фосфати оди во главните текови, тоа резултира со еутрофикација на водните тела и оттука употребата на полифосфат била заменета со употреба на синтетички зеолит.