Апісанне
Цеаліты з'яўляюцца прадстаўнікамі шырокай групы гідраваных алюмінасілікатных мінералаў, якія характарызуюцца характэрнай паразістай структурай, якая складаецца з трохмернага каркасу тэтраэдрычных адзінак. Кожны тэтраэдр утрымлівае цэнтральны атам — ці то крэмній (Si), ці то алюміній (Al) — і чатыры атамы кіслароду (O), што стварае жорсткую, пустую структуру з узаемасувязанымі каналамі і порамі. Такая канструкцыя з'яўляецца вызначальным прыкметай цеалітаў, што дазваляе ім паказваць выдатныя ўласцівасці ў асіміляцыі, іённым абмене і як каталізатары, што чыніць іх незаменнайі ў шырокай галіне прамыленнасці. На адрозненне ад шырокага кола іншых мінералаў, цеаліты маюць добра вызначаны размер пораў, які звычайна вагаецца ад 0,3 да 1,0 нанаметра, што дазваляе ім сэлектыўна захопліваць або высвабоджваць малекулы паводле іх памеру і зараду — гэтая асаблівасць называецца «малекулярным сітам».
Геалагічнае фарміраванне і прыродныя крыніцы цеалітаў
Прыродныя цеаліты ўтвораюцца ў выніку геалагічных працэсаў, якія ўключаюць узаемадзеянне алмінасілікатных матэрыялаў з воднымі растварамі ў пэўных тэмпературных і ціскавых умовах. Найбольш распаўсюджаныя ўмовы фарміравання ўключаюць вулканічныя раёны, асадкавыя басейны і гідратэрмальныя крыніцы. У вулканічных раёнах, напрыклад, цеаліты ўтвораюцца, калі вулканічная гарачка (што складаецца пераважна з шкляных алмінасілікатаў) узаемадзейнічае з грунтавой ці марскай вадой на працягу тысячагоддзяў. Гэты працэс, які называецца «дыягenezis», прыводзіць да таго, што шкляная гарачка крышталізуецца ў цеалітавыя мінералы, калі алюміній і атамы крэмнію пераафармляюцца ў характэрную тэтраэдрычную структуру, пры гэтым малекулы вады трапляюць у пары як «вада гідрацыі».
Асноўныя мінералы прыродных цеалітаў уключаюць кліноптылоліт, мордэніт, чабазіт, эрыёніт і філіпсіт, кожны з якіх адрозніваецца структурай асноўнай масівы, памерам пор і хімічным саставам. Кліноптылоліт з'яўляецца адным з самых распаўсюджаных і шырока выкарыстоўваных прыродных цеалітаў, які цаніцца за высокую ёмістасць іённага абмену і тэрмічную стабільнасць. Асноўныя радовішчы прыродных цеалітаў знаходзяцца па ўсёй зямной кулі, з прыкметнымі запасамі ў Злучаных Штатах (асабліва ў Айда-хо, Орэгоне і Каліфорніі), Кітаі, Японіі, Турцыі, Грэцыі і Аўстраліі. У Злучаных Штатах вобласць Айда-Баталіт вядомая вялікімі радовішчамі кліноптылоліту, якія ўтворыліся з паветкавых адкладаў вулканічнага пеплу, што датуюцца тэрцыяравым перыядам. У Кітаі радовішчы цеалітаў засяроджаны ў правінцыях, такіх як Чжэцзян, Цзілінь і Унутраная Манголія, дзе асадавыя радовішчы цеалітаў сувязаныя з старажытнымі возерамі і вулканічнай актыўнасцю.
Дабычa прыродных цеалітаў уключае традыцыйныя метады дабычы, у тым ліку адкрыты і падземны спосабы, у залежнасці ад глыбіні і месцазнаходжання радовішча. Пасля дабычы сыравы цеаліт падвяргаецца драбленню і памолу для атрымання аднолькавых памераў часціц, а затым працэсам збагачэння для выдалення зайвых прымесей, такіх як гліна, кварц і палёвы шпат. Збагачэнне, як правіла, уключае прасеіванне, гравітацыйнае або флотацыйнае падзяленне, якія выкарыстоўваюць розніцу ў шчыльнасці або паверхневых уласцівасцях для атрымання высокай ступені чыстага цеаліту. Атрыманы матэрыял высушваюць для выдалення зайвай вільгаці, каб захаваць цэласнасць яго паристай структуры і забяспечыць стабільнасць характарыстык у далейшым выкарыстанні.
Сінтэтычныя цеаліты: вытворчасць і перавагі
Хоць што прыродныя цеаліты ўжываюцца ўжо дзесяцігоддзямі, распрацоўка сінтэтычных цеалітаў пашырыла іх карыснасць дзякуючы магчымасці дакладнага кантролю над структурай, памерамі пароў і хімічным складам. Сінтэтычныя цеаліты вырабляюцца на прамысловых прадпрыемствах праз гідратэрмальны сінтэз — працэс, які імітуе прыроднае фармаванне цеалітаў, але адбываецца ў кантраваных лабараторных ці фабрычных умовах. Працэс сінтэзу пачынаецца з падрыхтоўкі «гелю», які ўтрымлівае крыніцы крэмнію (напрыклад, натрыевы сілікат або сілікагель), аллюмінію (напрыклад, натрыевы алюмінат) і шаблонную рэчыву (часта арганічную малекулу ці катыён). Пасля гэтага гель награваюць у герметычным рэактары (аўтакляў) пры тэмпературах ад 80°C да 200°C некалькі гадзін ці нават дзён, чым стымулюецца крышталізацыя структуры цеаліту.
Шаблонны агент адыгрывае ключавую ролю ў вызначэнні структуры сінтэтычнага цеаліту, бо ён займае пустыні ўнутры асновы падчас крышталізацыі, а затым выдаляецца (шляхам выпякання ці награвання да высокай тэмпературы) для стварэння патрэбных пароў. Змяняючы тып і канцэнтрацыю шаблоннага агента, а таксама тэмпературу, ціск і pH працэсу сінтэзу, вытворцы могуць атрымліваць цеаліты з зададзенымі ўласцівасцямі — такімі як пэўны памер пароў, ёмістасць іённага абмену ці каталітычная актыўнасць — якія адпавядаюць канкрэтным прамысловым патрэбам. Напрыклад, сінтэтычны цеаліт Y шырока выкарыстоўваецца пры перапрацоўцы нафты з-за свайго вялікага памеру пароў (прыблізна 0,74 нанаметра), што дазваляе яму прымаць буйныя малекулы вуглевадародаў, у той час як цеаліт ZSM-5 мае меншыя пары (прыблізна 0,55 нанаметра), што робіць яго ідэальным для каталізу рэакцыяў з удзелам меншых малекул, такіх як метанол.
Адзін з галоўных пераваг сінтэтычных цеалітаў над прыроднымі — гэта іх большая чысціня і сувязнасць. Прыродныя цеаліты часта змяшчаюць загрязненні, якія могуць паўплываць на іх эфектыўнасць, тады як сінтэтычныя цеаліты вырабляюць з мінімальнай колькасцю забруджвачаў, што забяспечвае надзейныя і прадказальныя вынікі ў прымяненні. Акрамя таго, сінтэтычныя цеаліты можна распрацоўваць так, каб яны мелі пэўныя ўласцівасці, якіх няма ў прыродных цеалітаў, што пашырае іх вобласці выкарыстання. Напрыклад, некаторыя сінтэтычныя цеаліты ствараюцца з высокай цеплавой стойкасцю, што дазваляе ім працаваць у высокатэмпературных акалічнасцях, такіх як каталітычныя крэкінг-устаноўкі на нафтаперапрацоўчых заводах, а іншыя аптымізаваны для высокай утворвальнасці, што робіць іх эфектыўнымі ў працэсах падзелу газаў.
Ключавыя ўласцівасці цеалітаў: утварэнне, іённы абмен і католіз
Карысныя ўласцівасці цеалітаў вынікаюць з трох асноўных характарыстык: утварэння, іённага абмену і католізу — усе гэтыя характарыстыкі непасрэдна звязаны з іх порыстай структурай.
Адсорбцыя
Адсорбцыя — гэта працэс, пры якім малекулы (адсорбаты) прыцягваюцца і нагромаджаюцца на паверхні цвёрдага матэрыялу (адсорбэнта). Цеаліты добра справляюцца з адсорбцыяй дзякуючы вялікай унутранай паверхні — некаторыя цеаліты маюць плошчу паверхні больш за 700 квадратных метраў на грам — і наяўнасці палюсных месцаў у іх структуры. Палюсныя атамы кіслароду ў тэтраэдрычных адзінках ствараюць электрастатычныя сілы, якія прыцягваюць палюсныя малекулы, такія як вада, аміяк ці вуглякіслы газ, у той жа час памер пораў дазваляе выбарачае адсорбцыю малекул у залежнасці ад іх дыяметра. Гэтая выбарачая адсорбцыя, або малекулярнае сітаванне, з'яўляецца ключавой асаблівасцю цеалітаў. Напрыклад, у прыкладаннях падзелу газаў цеаліты могуць падзяляць азот ад кіслароду ў паветры, таму што малекулы азоту (якія маюць большы дыяметр, чым малекулы кіслароду) моцней адсорбуюцца структурай цеаліту, што дазваляе кіслароду праходзіць праз. Аналагічна, цеаліты выкарыстоўваюцца ў прыкладаннях сушэння для выдалення вадзянога пару з газаў або вадкасцей, паколькі малекулы вады дастаткова малыя, каб увайсці ў поры, і моцна прыцягваюцца да палюсных месцаў кіслароду.
Іённы абмен
Іённы абмен — гэта працэс, пры якім катыёны (іёны з дадатным зарадам) у структуры цеаліту замяняюцца на іншыя катыёны ў навакольным раствары. Цеаліты маюць адмоўна зараджаную структуру з-за падстаноўкі атамаў крэмнію алюмініем — кожны атам алюмінія прыносіць адзін адмоўны зарад, які кампенсуецца катыёнамі (такімі як натрый, калій, кальцыюм ці магній), якія знаходзяцца ўнутры пар. Гэтыя катыёны слаба звязаныя і могуць абменвацца з іншымі катыёнамі ў раствары, што робіць цеаліты эфектыўнымі іённымі абменнікамі. Іённаабменная ёмістасць (IEC) цеаліту з'яўляецца мерай яго здольнасці абменвацца іёнамі, звычайна выяўляецца ў міліэквівалентах на грам (meq/g). Напрыклад, кліноптылоліт мае IEC прыблізна 2,0–2,5 meq/g, што робіць яго падыходным для прымянення, напрыклад, для памякчэння вады, дзе іёны кальцыюму і магнію (якія выклікаюць жорсткасць вады) абменваюцца на іёны натрыю з цеаліту. Іённы абмен таксама адыгрывае ролю ў ачыстцы сцёкавых вод, дзе цеаліты могуць выдаляць цяжкія металы (такія як алоў, кадмій і нікель) з забруджанай вады, абменваючы іх на бяспечныя катыёны, такія як натрый ці калій.
Каталіз
Каталіз — гэта працэс, пры якім матэрыял (каталізатар) паскарае хімічную рэакцыю, не спажываючыся пры гэтым. Цеаліты з'яўляюцца эфектыўнымі каталізатарамі дзякуючы спалучэнню пароў-падобнай структуры, кіслых бакоў і здатнасці да іённага абмену. Кіслыя бокі ў цеалітах утвораныя наяўнасцю пратонаў (іёнаў H⁺), якія замяняюць катыёны ў структуры — гэтыя пратоны выконваюць ролю актыўных цэнтраў для каталітычных рэакцыяў. Поры-падобная структура цеалітаў забяспечвае лёгкую дастаўку малекул рэчываў да актыўных цэнтраў, а памер пароў кантралюе, якія малекулы могуць дасягнуць гэтых цэнтраў, што прыводзіць да высокай выбарачнасці. Напрыклад, у петралейнай перапрацоўцы цеаліты выкарыстоўваюцца ў якасці каталізатараў пры каталітычным крыкінгу — працэсе, які раскладае вялікія малекулы вуглевадародаў (напрыклад, тыя, што ёсць у сырай нафце) на меншыя, больш карысныя малекулы (такія як бензін і дызельнае паліва). Цеаліт ZSM-5 асабліва эфектыўны ў гэтай галіне, бо ягоныя вельмі маленькія пары абмяжоўваюць доступ вялікіх малекул, прадухіляючы непажаданыя пабочныя рэакцыі і павялічваючы выход жаданых прадуктаў. Цеаліты таксама выкарыстоўваюцца пры вытворчасці хімічных рэчываў, такіх як метанолу ў алкены (MTO), дзе яны каталізуюць пераўтварэнне метанолу ў этылен і пропілен — ключавыя элементы для вытворчасці пласцмас і іншых прамысловых хімічных рэчываў.
Прамыя прамыя выкарыстанне цеалітаў
Цеаліты знаходзяць прамыя прамыя выкарыстанне ў шырокім дыяпазоне галін прамыя прамыя выкарыстанне, што абумоўлена іх унікальнымі ўласцівасцямі. Ніжэй прыведзены некаторыя з найбольш істотных прамыя прамыя выкарыстанне, згрупаваныя па сектарах.
Ачыстка вады і сцёк
Адзіны з самых вялікіх прамы прыкладання цеалітаў — гэта апрацоўка вады і сцёкавых вод, дзе іх іёнабменныя і асарбцыяныя ўласцівасці выкарыстоўваюцца для выдалення забруджвачаў. У камунальнай апрацоўцы вады цеаліты выкарыстоўваюцца для памякчэння вады, замяняючы іёны кальцыю і магнію на іёны натрыю, каб прадухіліць утварэнне накіпу ў трубах і прыборах. Іх таксама выкарыстоўваюць для выдалення аміяка з сцёкавых вод — аміяк з'яўляецца распаўсюджаным забруджвачам у камунальных і прамысловых сцёкавых водах (з крыніц, як то апрацоўка харчавання і хімічная вытворчасць) і можа быць токсічным для вадных жывёл, калі яны выбрасваюцца без апрацоўкі. Цеаліты асарбуюць малекулы аміяка ў свае пары, эфектыўна выдаляючы іх з вады. Акрамя таго, цеаліты выкарыстоўваюцца для выдалення цяжкіх металаў з прамысловых сцёкавых вод. Напрыклад, пры гірнай дабычы цеаліты могуць выдаляць іёны алоўа, цынку і медзі з сцёкавых вод, а пры вытворчасці электронікі — іёны кадмію і ртуці. Высокая селектыўнасць і рэгенераванне цеалітаў (іх можна выкарыстоўваць некалькі разоў, прамываючы канцэнтраваным саліны раствор для дэсорбцыі забруджвачаў) робяць іх кошт-эфектыўным рашэннем для апрацоўкі вады.
Патролейнае рафінаванне і петрахімія
Нафтаперапрацоўчая і нафтахімічная прамыя з'яўляюцца істотнымі спажыўцамі цеалітаў, перш за ўсё для каталітычных працэсаў. Адзіны з найбольш важных прыкладанняў — гэта каталітычнае расшчапленне — цеаліты замяняюць традыцыйныя каталізатары (такія як глыня) таму, што яны прапануюць больш высокую актыўнасць і выбарачнасць, у выніку чаго павялічваецца выход бензіну і іншых лёгкіх вуглевадародаў. Цеаліт Y з'яўляецца найбольш распаўсюджаным каталізатарам у працэсе флюіднага каталітычнага расшчэплення (FCC), які забяспечвае значную частку сусветнага вытворчасці бензіну. Цеаліты таксама выкарыстоўваюцца ў гідракрэкінгу — гэта працэс пераўтварэння цяжкіх вуглевадародаў ў лёгкія прадукты ў умовах высокага ціску і тэмпературы, а таксама ў ізамерызацыі, якая пераўтварае прамаланцугова-ланцуговыя вуглевадароды ў галінаваныя, каб паляпшыць актанавае лічбы бензіну. У нафтахімічнай прамы цеаліты выкарыстоўваюцца для вытворчасці алкенаў (этылену і прапілену) праз працэс MTO, а таксама для вытворчасці араматычных рэчываў (бензолу, талуолу і ксілола) праз каталітычнае рэформаванне. Здольнасць цеалітаў кантраляваць памер і форму прадуктаў (з-за іх порыстай структуры) робіць іх неабходнымі для вытворчасці высокачыстых хімічных рэчываў.
Падзел і ачыстка газу
Цеаліты шырока ўжываюцца ў газавай сепарацыі і ачыстцы дзякуючы іх молекулярным сітавым уласцівасцям. Адною з найбольш распаўсюджаных галіней з'яўляецца паветраная сепарацыя, дзе цеаліты выкарыстоўваюцца для атрымання азоту або паветра, абагачанага кіслародам. Асноўнай тэхналогіяй, якая выкарыстоўваецца для гэтай мэты, з'яўляецца адсорбцыя пры пераменным ціску (PSA) — паветра прапускаецца праз пласт цеалітаў пры высокім ціску, пры гэтым малекулы азоту адсарбуюцца, што дазваляе атрымаць паветра, абагачанае кіслародам. Пласт цеалітаў затым рэгенеруецца шляхам зніжэння ціску, што прыводзіць да высвабоджання адсарбаванага азоту. Гэты працэс выкарыстоўваецца ў прамысловасці, напрыклад, у харчовай (для стварэння азотнай атмасферы, якая падоўжвае тэрмін захавання) і ў медыцынскіх мэтах (для атрымання кіслароду для дыхання). Цеаліты таксама ўжываюцца для ачысткі прыроднага газу ад вуглякіслага газу — прыродны газ часта змяшчае вуглякіслы газ, які зніжае яго цеплавую каштоўнасць і можа выклікаць каразію ў трубаправодах. Цеаліты адсарбуюць вуглякіслы газ, чым чысцяць прыродны газ, робячы яго прыдатным для выкарыстання як паліва. Акрамя таго, цеаліты ўжываюцца для ачысткі вадароду, выдаляючы домешкі, такія як аксід вугляроду, метан і вадкія выпарамі, з вадароднага газу, атрыманага шляхам паравай рэформы метану або электролізу. Вадарод ужываецца ў паліўных элементах і прамысловых працэсах (напрыклад, для вытворчасці аміяку), чым забяспечваецца высокая чысціня для аптымальнай працы.
Сродкі для чысткі і прамыя вырабы
Цеаліты з'яўляюцца ключовым кампанентам пры стыранні пракаўнікаў з 1970-х гадоў, замяняючы фасфаты, якія былі прычынай эўтрофікацыі (надмернага росту водарасцей) у вадаёмах. У пракаўніках цеаліты выконваюць функцыю пабудоўнікаў, памякчаючы ваду шляхам абмену іонамі кальцыю і магнію на іоны натрыю, што перашкаджае ўтварэнню мыльнага налёт і палепшвае якасць чысткі пракаўніка. Найбольш распаўсюджаны тып цеаліта для пракаўнікаў — цеаліт А, сінтэтычны цеаліт з невялікім памерам пароў (прыкладна 0,4 нанаметра) і высокай ёмістасцю іоннага абмену. Цеаліт А з'яўляецца пераважным, бо ён ненятоксічны, біялагічна разкладзены і сумяшчальны з іншымі кампанентамі пракаўніка. Ён таксама дапамагае падтрымліваць загрязненні ў прамыяй вадзе, папярэджваючы іх паўторнае асаценьванне на вопратку. Акрамя прамыяў, цеаліты выкарыстоўваюцца ў пракаўніках для мыцця посуду і прамыльных прамыльных прадуктах, дзе іх уласцівасці памякчэння вады і падтрымання загрязнення маюць аднолькавае значэнне.
Будаўнічыя і архітэктурныя матэрыялы
Цеаліты ўсё больш выкарыстоўваюцца ў будаўнічых матэрыялах для паляпшэння іх характарыстык і стойкасці. Пры вытворчасці цэменту цеаліты дадаюць як пуццаланавы матэрыял, узаемадзейнічаючы з гідраксыдам кальцыю (падзельным прадуктам гідрацыі цэменту) для утворэння дадатковых цэментных злучэнняў, такіх як гідросілікат кальцыю (CSH). Гэтая рэакцыя паляпшае міцнасць і трываласць бетону, змяншае цеплавы эфект гідрацыі (што можа выклікаць трэшчыны ў вялікіх бетонных канструкцыях) і зніжае вугляродны след вытворчасці цэменту — цеаліты могуць замяніць частку партландцэменту, вытворчасць якога патрабуе шмат энергіі. Цеаліты таксама выкарыстоўваюцца ў якасці лёгкага напаўніцеля для бетону, бо іх паравая структура змяншае шчыльнасць напаўніцеля, што прыводзіць да атрымання больш лёгкага бетону, які прасцей транспарціраваць і ўстанаўліваць. Акрамя таго, цеаліты выкарыстоўваюцца ў матэрыялах для гучазахавання — іх паравая структура ўваходзіць у сабе хвалі гуку, скарачаючы пранікненне шуму ў будынкі. Яны таксама выкарыстоўваюцца ў матэрыялах, якія рэгулююць вільготнасць, напрыклад, у панэлях для стэн і патолкаў, дзе яны ўваюць зайвую вільготнасць з паветра і выдзяляюць яе, калі паветра сухое, што паляпшае якасць паветра ў памяшканні і павялічвае камфорт.
Акалічныя і экалагічныя меркаванні
Паколькі попыт на цеаліты павялічваецца, усё больш увагі звяртаецца на іх акалічны ўплыў і сталасць. Прыродныя цеаліты з'яўляюцца аднаўляемым рэсурсам у доўгай перспектыве, але іх дабыча можа мець экалагічныя наступствы, такія як знішчэнне месцаў абытання, эрозія глебы і забруджванне вады, калі яна не кіруецца належным чынам. Каб вырашыць гэтыя пытанні, многія гірнічыя кампаніі ўхвалілі сталыя метады дабычы, напрыклад, рэкламацыю здабытых земляў (вяртанне іх у першапачатковы ці прыдатны стан), паўторнае выкарыстанне вады (паўторнае выкарыстанне вады, што выкарыстоўваецца пры дабычы і апрацоўцы), а таксама выкарыстанне абсталявання для дабычы з нізкім уплывам. Акрамя таго, працэс абагачэння прыродных цеалітаў з'яўляецца адносна энергаэфектыўным у параўнанні з іншымі мінеральнымі аперацыямі, паколькі ён не патрабуе высокіх тэмператураў ці токсічных хімічных рэчываў.
Штучныя цеаліты, хоць і маюць перавагі ў чысціне і эфектыўнасці, з'яўляюцца больш энерганастойкімі ў вытворчасці з-за гідратэрмічнага сінтэзу, які патрабуе цепла і ціску. Але паспехі ў тэхналогіі сінтэзу зніжаюць уплыў на навакольнае асяроддзе штучных цеалітаў. Напрыклад, некаторыя вытворцы выкарыстоўваюць аднаўляльныя крыніцы энергіі (такія як сонечная ці ветравая энергія) для абагрэвання аўтакляў, у той час як іншыя распрацоўваюць працэсы сінтэзу пры нізкай тэмпературы, якія патрабуюць менш энергіі. Акрамя таго, шаблонныя рэчывы, якія выкарыстоўваюцца пры вытворчасці штучных цеалітаў, усё часта замяняюцца на біялагічна разкладныя ці патрэбныя для перапрацоўкі матэрыялы, што скарачае колькасць адходаў.
Яшчэ адзін важны пытанне стойкасці — гэта здатнасць цеалітаў да перапрацоўкі. У многіх выпадках цеаліты можна аднаўляць і выкарыстоўваць некалькі разоў, што змяншае патрэбу ў вытворчасці новых цеалітаў. Напрыклад, у водалечанні цеаліты, якія выкарыстоўваюцца для выдалення цяжкіх металаў, можна аднаўляць шляхам прамывання саляным растварам, які дэсорбуе цяжкія металы, што дазваляе паўторна выкарыстоўваць цеаліт. Пры падзеле газаў цеаліты, якія выкарыстоўваюцца ў ПСА-сістэмах, аднаўляюцца шляхам зніжэння ціску, працэс, які патрабуе мінімальнай энергіі. Магчымасць аднаўлення цеалітаў не толькі змяншае колькасць адкідаў, але і зніжае кошт іх выкарыстання ў прамысловых прыкладаннях.
×
