Təsvir
Zeolit hidratlaşmış alüminosilikat minerallərinin müxtəlif qrupunu təmsil edir və bu mineralların üç ölçülü tetraedrik vahidlərdən ibarət olan xüsusi gözenəkli strukturu ilə xarakterizə olunur. Hər bir tetraedr silisium (Si) və ya alüminiumun (Al) mərkəzi atomundan və dörd oksigen (O) atomuna birləşmiş halda, sərt, qəfəsvari strukturu və əlaqəli kanallar və boşluqları yaradır. Bu struktur zeolitlərin təyinedici xüsusiyyətidir və onlara yüksək sorbsiya, ion mübadiləsi və katalitik xassələr verərək müxtəlif sənaye sektorlarında qiymətli vasitələr halına gətirir. Bir çox digər minerallardan fərqli olaraq zeolitlərin 0,3-dən 1,0 nanometrə qədər olan yaxşı müəyyən edilmiş gözenək ölçüləri var ki, bu da onların molekulyar süzgəc kimi işləməsinə səbəb olur və ölçüsünə və ya yükünə əsasən molekulları seçici şəkildə tutmasına və ya buraxmasına imkan verir.
Zeolitin Geoloji Formasiyası və Təbii Mənbələri
Təbii zeolitlər müəyyən temperatur və təzyiq şəraitində alüminosilikat materiallarının suda məhlullarla qarşılıqlı təsiri nəticəsində baş verən geoloji proseslər nəticəsində əmələ gəlir. Ən çox yayılmış əmələgəlmə mühitlərinə vulkanik ərazilər, çöküntü çanqları və hidrotermal quyular daxildir. Məsələn, vulkanik rayonlarda zeolitlər vulkan tüstüsü (əsasən şüşə alüminosilikatlarından ibarət) yeraltı və ya dəniz suyu ilə min illər ərzində reaksiyaya girdikdə inkişaf edir. Bu prosesə "diaqenez" deyilir, bu da şüşə tüstünün alüminium və silisium atomlarının xarakterik tetraedrik strukturuna çevrilməsi və su molekullarının "hidratasiya suyu" kimi porlarda hapsolması ilə zeolit minerallarına kristallaşmasına səbəb olur.
Əsas təbii zeolit minerallarına klinoptilolit, mordenit, çabazit, erionit və filipsit daxildir; onlar struktur çərçivəsi, gözenək ölçüsü və kimyəvi tərkibinə görə fərqlənirlər. Klinoptilolit ən çox yayılmış və istifadə edilən təbii zeolitlərdən biridir; yüksək ion mübadilə tutumu və termal sabitliyi ilə seçilir. Təbii zeolitlərin əsas yataqları dünyanın müxtəlif yerlərində yerləşir; əhəmiyyətli ehtiyatları ABŞ-da (xüsusilə İdaхо, Oreqon və Kaliforniyada), Çin, Yaponiya, Türkiyə, Yunanıstan və Avstraliyada mövcuddur. ABŞ-da İdaхо Batholit rayonu böyük klinoptilolit yataqları ilə məşhurdur; bu yataqlar Tretin dövrünə aid vulkan külünün çöküntülərindən əmələ gəlmişdir. Çində zeolit ehtiyatları Zheciан, Jilin və Daxili Moнqoliya kimi əyalətlərdə qərarlaşmışdır; burada çöküntü zeolit yataqları qədim göl çöküntüləri və vulkanik fəaliyyətlərlə əlaqəlidir.
Təbii zeolitlərin çıxarılması açıq və ya yeraltı yataqların dərinliyindən və yerləşməsindən asılı olaraq açıq və ya yeraltı qazma üsullarını əhatə edir. Bir dəfə çıxarılan zeolit filizləri eyni hissəcik ölçüsünə gətirmək üçün əvvəlcə qırılır və ya əzilir, sonra isə gil, kvarts və feldşpat kimi qarışıqların aradan qaldırılması üçün zənginləşdirmə prosesindən keçirilir. Zənginləşdirmə əsasən həcm sıxlığı və ya səth xassələri fərqlərini nəzərə alaraq zeolit fraksiyalarının ayrılması üçün səbələmə, qravitasiya ayırma və ya köpüklə yüzdürmə üsullarını əhatə edir. Nəticədə alınan məhsulun artıq rütubəti qurutma prosesində aradan qaldırılır, bu da zeolitin por strukturunun bütövlüyünü saxlayaraq sonrakı tətbiq sahələrində sabit işləməsini təmin edir.
Sintetik Zeolitlər: İstehsalı və Üstünlükləri
Təbii zeolitlərdən onillər əvvəl istifadə edilməsinə baxmayaraq, sintetik zeolitlərin hazırlanması onların istifadəsini struktur, dəlik ölçüsü və kimyəvi tərkib nəzarəti hesabına genişləndirib. Sintetik zeolitlər hidrotremal sintez yolu ilə sənaye müəssisələrində istehsal olunur, bu proses zeolitlərin təbii əmələ gəlməsini təqlid edir, lakin laboratoriya və ya zavod şəraitində nəzarətli şəkildə baş verir. Sintez prosesi silisium mənbələri (natrium silikat və ya silika jeli kimi), alüminium (natrium alüminat kimi) və şablon agenti (tez-tez üzvi molekula və ya kation kimi) ehtiva edən «jel» hazırlanması ilə başlayır. Daha sonra bu jel 80°C-dən 200°C-ə qədər temperaturlarda bir neçə saatdan bir neçə günə qədər müddət ərzində qapalı reaktorda (avtoklav) qızdırılır və zeolit strukturunun kristallaşması təmin edilir.
Şablon agent sintetik zeolit strukturasının müəyyən edilməsində mühüm rol oynayır, çünki o, kristallaşma zamanı konstruksiya daxilində olan boşluqları tutur və sonradan aradan qaldırılır (kalsinasiya, yaxud yüksək temperaturda qızdırmaqla), istənilən porları yaratmaq üçün. Şablon agentin növünü və konsentrasiyasını, həmçinin sintez prosesinin temperaturunu, təzyiqini və pH-nı dəyişdirərək istehsalçılar müəyyən sənaye ehtiyaclarına uyğun xassələrə malik zeolitlər – məsələn, müəyyən por ölçüləri, ion mübadiləsi tutumu və ya katalitik aktivliklər – istehsal edə bilərlər. Məsələn, sintetik Y zeoliti böyük por ölçüsünə (təxminən 0,74 nanometr) malik olduğu üçün neft emalında geniş istifadə olunur, bu da onun böyük hidrokarbon molekullarını yerləşdirməsinə imkan verir, ZSM-5 zeoliti isə metanol kimi kiçik molekullarla reaksiyaların katalizlənməsi üçün ideal olan kiçik porlara (təxminən 0,55 nanometr) malikdir.
Sintetik zeolitlərin əsas üstünlüklərindən biri daha yüksək təmizliyinə və sabitliyinə malik olmasıdır. Təbii zeolitlər tez-tez performansını təsir edən qeyri-təmizliklərə malik olur, sintetik zeolitlər isə minimal qirlərlə istehsal olunur ki, bu da tətbiqlərdə etibarlı və proqnozlaşdırıla bilən nəticələr əldə edilməsini təmin edir. Əlavə olaraq, sintetik zeolitlər təbii zeolitlərdə olmayan xüsusiyyətlərə malik olmaq üçün hazırlanmışdır, istifadə sahələrini genişləndirir. Məsələn, bəzi sintetik zeolitlər yüksək termal sabitliyə malik olmaq üçün hazırlanmışdır ki, bu da onları neft emalı zavodlarında katalitik qrınləmə ünitlərində kimi yüksək temperatur mühitlərində işləməyə imkan verir, digərləri isə yüksək sorbsiya həcmi üçün optimallaşdırılmışdır, bu da onları qaz ayırma proseslərində effektiv edir.
Zeolitlərin Əsas Xüsusiyyətləri: Sorbsiya, Ion Mübadiləsi və Kataliz
Zeolitlərin faydalılığı onların porlu strukturuna birbaşa bağlı olan sorbsiya, ion mübadiləsi və kataliz olmaqla üç əsas xüsusiyyətindən irəli gəlir.
Adsorbsiya
Adsorbsiya, molekulların (adsorbentlərin) bir bərk maddənin (adsorbentin) səthində cəmlənməsi və səthə cəzb olunması prosesidir. Zeolitlər böyük daxili səth sahəsinə — bəzi zeolitlərin qramına 700 kvadrat metrdən artıq səth sahəsi düşür — və onların strukturunda yerləşən qütb molekullarına görə adsorbsiyaya üstünlük verir. Tetraedrik vahidlərdəki qütb oksigen atomları elektrostatik qüvvələr yaradır ki, bu da su, ammonyak və ya karbon dioksid kimi qütb molekullarını cəzb etsin, eyni zamanda dəliklərin ölçüsü molekulların diametrlərinə əsasən seçici adsorbsiyaya imkan verir. Bu seçici adsorbsiya, yaxud molekulyar süzgəc effekti, zeolitlərin əsas xüsusiyyətidir. Məsələn, qazın ayrılması tətbiqlərində zeolitlər hava içərisindəki azotu oksigendən ayırə bilir, çünki azot molekulları (oksigen molekullarından daha böyük diametrə malikdirlər) zeolit strukturu tərəfindən daha güclü şəkildə adsorblanır və oksigenin keçidinə imkan verilir. Eyni şəkildə, zeolitlər qazlardan və ya mayelərdən su buxarının çıxarılması üçün qurutma tətbiqlərində istifadə olunur, çünki su molekulları dəliklərə daxil olmaq üçün kifayət qədər kiçikdirlər və qütb oksigen yerlərinə güclü şəkildə cəzb olunurlar.
İon mübadiləsi
İon mübadiləsi, zeolit tərəfindən saxlanılan kationların (mənfi yüklü ionlar) ətraf məhluldakı digər kationlarla əvəzlənməsi prosesidir. Zeolitlərin tərkibində silisium atomlarının alüminium atomları ilə yer dəyişməsi nəticəsində çərçivəsi mənfi yüklü olur - hər bir alüminium atomu bir mənfi yük qatqısı verir və bu yük, zeolitin daxili boşluqlarında yerləşən kationlar (natrium, kalium, kalsium və ya maqnezium kimi) tərəfindən tarazlaşdırılır. Bu kationlar yüngül bağlanmışdır və məhluldakı digər kationlarla mübadilə edilə bilər, bu da zeolitləri səmərəli ion mübadiləsi edən maddələr edir. Zeolitin ion mübadiləsi tutumu (IEC), ion mübadiləsi qabiliyyətini ölçən göstəricidir və adətən milli-ekvivalentlər qramla (meq/q) ifadə olunur. Məsələn, klinoptilolit 2,0–2,5 meq/q IEC-ə malikdir və bu da onu suyun yumşaldılması kimi tətbiq sahələri üçün uyğun edir, burada su sərtliyinə səbəb olan kalsium və maqnezium ionları zeolitdən gələn natrium ionları ilə mübadilə edilir. Ion mübadiləsi həmçinin tullantı sularının təmizlənməsində də rol oynayır, burada zeolitlər zərərli kationları (qurğuşun, kadmiy və nikeldən kimi) su sistemindən çıxarmaq üçün natrium və ya kalium kimi zərərsiz kationlarla mübadilə edilir.
Kataliz
Kataliz, materialın (katalizatorun) kimyəvi reaksiyanı təbii olaraq istehlak etmədən sürətləndirdiyi prosesdir. Zeolitlər porşürlü quruluşlarının, turşu yerlərinin və ion mübadiləsi qabiliyyətinin birləşməsi səbəbindən effektiv katalizatorlardır. Zeolitlərdə turşu yerləri, onların tərkibindəki protonların (H⁺ ionlarının) şəbəkədəki kationları əvəz etməsi nəticəsində yaranır – bu protonlar katalitik reaksiyalar üçün aktiv yerlər kimi çıxış edir. Zeolitlərin porşürlü quruluşu reaktiv molekulların aktiv yerlərə nəqli üçün şərait yaradır, eyni zamanda por ölçüləri hansı molekulların bu yerlərə daxil olmasına icazə verildiyini müəyyən edir ki, bu da yüksək seçiciliyə səbəb olur. Məsələn, neft emalında zeolitlər katalitik çatlamada katalizator kimi istifadə olunur; bu proses böyük hidrokarbon molekullarını (neftin tərkibində olanları) daha kiçik və dəyərli molekullara (benzin və dizel kimi) parçalayır. Zeolit ZSM-5 bu sahədə xüsusilə effektivdir, çünki onun kiçik porları böyük molekulların daxilinə mane olur, istənilməyən yan reaksiyaları qadağan edir və istənilən məhsulların çıxımını artırır. Zeolitlər həmçinin metanolun olefinlərə (MTO) çevrilməsi kimi kimyəvi maddələrin istehsalında istifadə olunur, burada onlar metanolun etilen və propilenə çevrilməsinə kataliz edir – plastik və digər sənaye kimyəvi maddələri üçün əsas tikinti blokları.
Zeolitlərin Sənaye Tətbiqləri
Zeolitlər unikal xassələri ilə müəyyən edilən bir çox sənaye sahələrində istifadə olunur. Aşağıda sektoral olaraq təşkil edilmiş ən əhəmiyyətli tətbiq sahələri göstərilmişdir.
Təmizsu və Tullantı Sularının Təmizlənməsi
Zeolitlərin ən böyük sənaye tətbiqlərindən biri su və tullantı sularının təmizlənməsidir, burada onların ion mübadiləsi və sorbsiya xassələrindən çirkləndiriciləri aradan qaldırmaq üçün istifadə olunur. Mənzil su təmizləməsində zeolitlər suyun yumşaldılması üçün istifadə olunur, kalsium və maqnezium ionlarını natrium ionları ilə əvəz edərək borular və məişət cihazlarında miqyasın yığılmasını qadağan edir. Zeolitlər tullantı sulardan ammonyakın aradan qaldırılması üçün də istifadə olunur – ammonyak mənzil və sənaye tullantı sularında (qida emalı və kimya sənayesi kimi mənbələrdən) yayılmış çirkləndirici maddədir və təmizlənmədən buraxıldığında su mühitində yaşayan mühit üçün zəhərlidir. Zeolitlər ammonyak molekullarını öz dəliklərinə sorbsiya edərək onları sudan effektiv şəkildə aradan qaldırır. Əlavə olaraq, zeolitlər sənaye tullantı sularından ağır metalların aradan qaldırılması üçün istifadə olunur. Məsələn, yataqçı qazıntılarında zeolitlər tullantı sudan qurğuşun, sink və mis ionlarını aradan qaldırır, elektronika istehsalında isə kadmiy və civə ionlarını aradan qaldırır. Zeolitlərin yüksək seçiciliyi və bərpa edilməsi (çirkləndiriciləri desorbsiya etmək üçün yüksək duzlu məhlul ilə yuyaraq bir neçə dəfə təkrar istifadə etmək mümkündür) onları su təmizləmə üçün səmərəli həll edir.
Neftin emalı və petrokimya sənayesi
Neft emalı və neft-kimya sənayesi zeolitlərin əsas istehlakçılarıdır, əsasən katalitik proseslər üçün. Katalitik krəking ən vacib tətbiq sahələrindən biridir - zeolitlər daha yüksək aktivlik və seçiciliyə malik olduqları üçün ənənəvi katalizatorları (məsələn, gil) əvəz edir və bu da benzinin və digər yüngül hidrokarbonların daha yüksək hasilatına səbəb olur. Y zeoliti ən çox istifadə olunan katalizatordur, bu isə qlobal benzini istehsalın əhəmiyyətli hissəsini təşkil edən maye katalitik krəking (FCC) prosesində istifadə olunur. Zeolitlər həmçinin hidrokrəkingdə, ağır hidrokarbonları yüksək təzyiq və temperatur şəraitində yüngül məhsullara çevirən prosesdə və isomerləşdirmədə istifadə olunur, bu da düz zəncirli hidrokarbonları izomerləşdirərək benzinin oktan ədədini artırmağa kömək edir. Neft-kimya sənayesində olefinlərin (etilen və propilen) MTO prosesi ilə istehsalında, həmçinin katalitik reforminq yolu ilə aromatik maddələrin (benzin, toluol və ksilol) istehsalında zeolitlərdən istifadə olunur. Zeolitlərin məhsulların ölçüsünü və formasını nəzarət etmə qabiliyyəti (gözenək strukturlarına görə) yüksək təmizlikli kimyəvi maddələrin istehsalı üçün vacibdir.
Qazın Ayrılması və Təmizlənməsi
Zeolitlər molekulyar süzgəc xassələrinə görə qazların ayrılması və təmizlənməsində geniş istifadə olunur. Ən yayılmış tətbiqlərdən biri hava ayrılmasıdır, burada zeolitlər azot və ya oksigenlə zənginləşdirilmiş hava istehsalı üçün istifadə olunur. Bu məqsədlə əsas texnologiya kimi təzyiq dəyişkənliyi adsorbsiyası (PSA) tətbiq olunur — yüksək təzyiq altında zeolit qatından hava keçirilir, burada azot molekulları adsorbsiya olunur və oksigenlə zənginləşdirilmiş hava toplanılır. Zeolit qatı daha sonra təzyiq azaldılaraq regenerasiya olunur və adsorbsiya olunmuş azot buraxılır. Bu proses qida sənayesində (rəf müddətini uzatmaq üçün azot mühitinin yaradılmasında) və tibbi tətbiqlərdə (nəfəs almaq üçün oksigen istehsalında) istifadə olunur. Zeolitlər təbii qazdan karbon dioksidin ayrılmasında da istifadə olunur — təbii qaz tez-tez karbon dioksid ehtiva edir ki, bu da onun istilik dəyərini azaldır və kərpic borularda korroziyaya səbəb olur. Zeolitlər karbon dioksidin adsorbsiyasını həyata keçirərək təbii qazı təmizləyir və onu yanacaq kimi istifadəyə yararlı hala gətirir. Əlavə olaraq, zeolitlər hidrogen təmizlənməsində də istifadə olunur, bu isə buxar metan reforminqi və ya elektroliz nəticəsində istehsal olunan hidrogen qazından karbonmonoksid, metan və su buxarı kimi qarışıqları aradan qaldırır. Hidrogen yanacaq elementlərində və sənaye proseslərində (məsələn, ammoniak istehsalında) istifadə olunur və yüksək təmizlik tələb olunur ki, bu da optimal performansı təmin edir.
Təmizləyici vasitələr və təmizlik məhsulları
Zeolitlər 1970-ci illərdən bəri təmizlik vasitələrinin əsas komponenti olmuşdur. Onlar su hövzələrində eutrofikasiyaya (yosunların artıq artmasına) səbəb olduğu üçün fosfatları əvəz etmişdir. Təmizlik vasitələrində zeolitlər suyu yumşaldan kimi çıxış edir, kalsium və maqnezium ionlarını natrium ionları ilə əvəz edir, bu da sabun çöküntüsünün əmələ gəlməsini qarşısını alır və təmizlik vasitəsinin təmizləmə effektivliyini artırır. Təmizlik vasitələrində ən çox istifadə olunan zeolit A-zeolitidir. Bu, kiçik dəlik ölçüsünə (təxminən 0,4 nanometr) və yüksək ion mübadiləsi tutumuna malik süni zeolitdir. Zeolit A toksik olmayan, bioloji parçalanma qabiliyyətinə malik və digər təmizlik vasitələri ilə uyğun olan maddə kimi üstünlük verilir. Həmçinin, o, yuyucu suya toz hissəciklərinin asılı qalmasına kömək edir və onların paltar üzərinə yenidən çökərək çöküntü əmələ gətirməsini qarşısını alır. Zeolitlər yuyucu vasitələrə əlavə olaraq, qab yuyucu vasitələrində və sənaye təmizlik məhsullarında da istifadə olunur, belə ki, onların suyumşaldıcı və tozu həll edən xassələri eyni dərəcədə qiymətlidir.
İnşaat və Tikinti Materialları
Zeolitlər bina və tikinti materiallarında məhsuldarlığın və davamlılığın artırılması üçün istifadə olunur. Sement istehsalında zeolitlər puçzolan material kimi əlavə olunur, sementin hidratasiyasının tərəvəz məhsulu olan kalsium hidroksidlə reaksiyaya daxil olur və kalsium silikat hidratı (CSH) kimi əlavə sement əmələ gətirən birləşmələr yaradır. Bu reaksiya betonun möhkəmliyini və dayanıqlılığını artırır, hidratasiya istiliyini azaldır (bu böyük beton konstruksiyalarda çatlamalara səbəb ola bilər), həmçinin sement istehsalının karbon izini azaldır - zeolitlər enerjiyə daha çox ehtiyac olan Portland sementinin bir hissəsini əvəz edə bilər. Zeolitlər həmçinin beton üçün yüngül agregatlarda istifadə olunur, onların porlu strukturu agregatın sıxlığını azaldır, nəticədə daşınması və quraşdırılması daha asan olan yüngül beton alınır. Əlavə olaraq, zeolitlər səs izolyasiya materiallarında istifadə olunur - onların porlu strukturu səs dalğalarını udur, binalarda səs keçiriciliyini azaldır. Onlar həmçinin divar paneli və tavan lövhələri kimi nəmliyi tənzimləyən materiallarda istifadə olunur, burada onlar havadakı artıq nəmliyi udur və havanın quruması zamanı onu buraxır, daxili hava keyfiyyətini və komfortu artırır.
Ətraf mühit və davamlılıq nəzərdə tutmaları
Zeolitlərə tələbatın artması ilə onların ətraf mühitə təsiri və davamlılığına dair narahatlıq artır. Təbii zeolitlər uzun müddətdə bərpa olunan resursdur, lakin onların çıxarılması düzgün idarə edilmədikdə habitatların məhv edilməsi, torpaq eroziyası və su çirklənməsi kimi ətraf mühit problemlərinə səbəb ola bilər. Bu məsələləri həll etmək üçün bir çox qazıntı şirkətləri torpaqların reklamasiyası (istifadə olunmuş sahələri bərpa etmək və ya istifadə edilə bilən vəziyyətə gətirmək), suyun təkrar emalı (qazma və emal prosesində istifadə edilən suyu təkrar istifadə etmək) və aşağı təsirli qazma avadanlıqlarından istifadə kimi davamlı qazıntı tədbirlərini qəbul etmişlər. Əlavə olaraq, təbii zeolitlərin zənginləşdirilməsi prosesi digər mineral emal prosesləri ilə müqayisədə nisbətən enerji səmərəliliyi ilə seçilir, çünki yüksək temperatur və ya zəhərli kimyəvi maddələr tələb olunmur.
Təmizlik və performans baxımından üstünlüklər təqdim etsələr də, hidrotərmal sintez prosesi üçün istilik və təzyiq tələb olunduğu üçün sintetik zeolitlərin istehsalı daha enerjiyə tələbkardır. Bununla belə, sintez texnologiyasında olan irəliləyişlər sintetik zeolitlərin ətraf mühitə təsirini azaldır. Məsələn, bəzi istehsalçılar avtoklavları qızdırmaq üçün günəş və ya külək enerjisi kimi bərpa olunan enerji mənbələrindən istifadə edir, digərləri isə daha az enerji tələb edən aşağı temperaturlu sintez proseslərini inkişaf etdirir. Əlavə olaraq, sintetik zeolit istehsalında istifadə edilən şablon agentləri artırılmış şəkildə bioloji parçalanmağa uğrayan və ya təkrar emal olunan materiallarla əvəz edilir ki, bu da yaranan tullantıların miqdarını azaldır.
Digər əsas davamlılıq aspekti zeolitlərin təkrar emalı imkanıdır. Bir çox tətbiqlərdə zeolitləri təkrar istifadə etmək mümkündür, bu da yeni zeolit istehsalına olan ehtiyacı azaldır. Məsələn, su təmizlənməsində ağır metalları udmaq üçün istifadə edilən zeolitlər duz məhlulu ilə yuyulararaq təkrar emal edilə bilər, bu ağır metalları udulmuş vəziyyətdən çıxarır və zeolitin təkrar istifadəsinə imkan verir. Qaz ayırmaqda isə PSA sistemlərində istifadə edilən zeolitlər təzyiqin azaldılması yolu ilə təkrar emal edilir, bu proses isə minimal enerji tələb edir. Zeolitlərin təkrar emalı yalnız tullantıların azalmasına deyil, həm də sənaye tətbiqlərində onların istifadəsinin dəyərinin aşağı salmasına kömək edir.
