Сүрөттөмө
Цеолит деген эмне? Бул - өзгөрмө тетраэдрик бирдиктерден турган үч өлчөмдүү шарекеттик түзүлүштөгү суу камтыган алюмосиликат минералдарынын тобу. Ар бир тетраэдр борбордук атом (кремний же алюминий) менен төрт кычкыл атомун камтыйт. Бул көмүртекке түрдүү көп катарлуу түзүлүштөрдүн негизги белги болуп саналат, алардын молекулалык түрдүү тануу касиетине ээ болушун камсыз кылат. Цеолиттердин бул өзгөчө касиети, аларды өнөр жайда кенен колдонууга мүмкүнчүлүк берет. Цеолиттердин пордук өлчөмү 0,3-1,0 нанометрди түзөт жана молекулалардын өлчөмүнө жана зарядына ылайык келет.
Цеолиттин геологиялык түзүлүшү жана табигый булактары
Табигый цеолиттер белгилүү температура жана басым шарттарында алюминий силликат материалдардын суу эрүүсү менен аракеттешүүсүнөн геологиялык процесстердин натыйжасында пайда болот. Эң жөнгө салыштырмалуу түзүлүш шарттарына вулкандык аймактар, чөкмө кен басейндер жана гидротермалдык көздөр кирет. Мисалы, вулкандык аймактарда цеолиттер вулкандык чач (негизинен шыршы алюмосиликаттардан турат) мыңдаган жана миллиондогон жылдар бою суу астындагы суу же деңиз суусу менен аракеттешкенде пайда болот. Бул процесстин өзү «диагенез» деп аталат, бул жылтырак чач кристаллданып цеолит минералдарына айланып, алюминий менен кремний атомдору тетраэдралдык структурага кайра иштеп чыгат, ал эми суу молекулалары «гидратация суусу» катары пораларга камалып калат.
Негизги табигый цеолит минералдарына клиноптилолит, морденит, чабазит, эрионит жана филипсит кирет, алар структуралык түзүлүшүндө, пора өлчөмүндө жана химиялык түзүлүшүндө айырмачылык көрсөтөт. Клиноптилолит - эң көп таралган жана кеңири колдонулган табигый цеолиттердин бири, ал жогорку ион алмашуу сыйымдуулугу жана термалдык туруктуулугу менен белгиленет. Табигый цеолиттердин чоң кен орду бүтүндөй дүйнө жүзүндө кездешет, айрыкча Америка Кошмо Штаттарында (Идахо, Орегон жана Калифорния штаттарында), Кытайда, Японияда, Түркияда, Грекияда жана Австралияда маанилүү запастар бар. Америка Кошмо Штаттарында Идахо батолит аймагы клиноптилолиттин чоң кен ордунун болушу менен таанымал, ал Третичдүү доорго таалуктуу вулкандык чачактардын калдыгынан пайда болгон. Кытайда цеолит запастары Жэжан, Жилинь провинцияларында жана Ички Монголияда топтолгон, анда цеолиттин чөккүн кен ордун көнүнку көл түп жерлери менен вулкандык аракеттер байланышкан.
Табигый цеолиттердин чыгарылышы ачык карьер жана жер астындагы кен карьерлору сыяктуу жалпы кенинен колдонулуучу кен чыгаруу усулдарын камтыйт, бул кен ордуна жана тереңдигине байланыштуу. Чыгарылгандан кийин, калың цеолит кендерин бир тектүү фракциялык өлчөмгө чейин уруу жана жылтыратуу үчүн киргизет, андан кийин киргитилген кирди (балкүл, кварц жана полевой шпат) алуу үчүн байытуу процесстерине киргизет. Байытуу процесстерине көбүнчө тыгыздыгы же бетинин касиеттеринин айырмасына негизделген шекер сеялка, гравитациялык же көбүк флотациясы кирет. Натыйжада алынган материал кургатылат, анткени анын чөптүү структурасынын бүтүндүгүн сактоо жана кийинки колдонууларда бирдемелүү иштөөнү камсыз кылуу үчүн.
Синтетикалык цеолиттер: Өндүрүү жана артыкчылыктары
Жаратылыштык цеолиттердин бир нече он жыл мурун пайдаланылганы менен, синтездүү цеолиттердин түзүлүшү алардын пайдалуу мүмкүнчүлүктөрүн кенейтти, анткени структура, пора өлчөмү жана химиялык түзүлүшүн так башкарууга мүмкүнчүлүк берет. Синтездүү цеолиттер гидротермалдык синтездөө жолу менен өнөр жайда даярдалат, бул процесс цеолиттердин табигый түзүлүшүн көчүрөт, бирок бул лаборатория же завод шарттарында башкарылуу астында болот. Синтез процесстеринин башталышында кремний (натрий силикаты же кремнезем гелдери сымал), алюминий (натрий алюминаты сымал) жана түзүлүштүрүүчү агент (көбүнчө органикалык молекула же катион) бар «гел» даярдоодон башталат. Бул гел андан ысымы 80°C ден 200°C чейинки температурада бир нече сааттан бир нече күнгө чейинкы кысылган реактордо (автоклав) кыздырылат, цеолит түзүлүшүнүн кристаллданышын жакшыртат.
Моделдөөчү агент синтетикалык цеолитттин структурасын аныктоодо маанилүү роль ойнойт, анткени ал кристаллизация учурунда тирегичтин ичиндеги бос орундарды ээлейт жана кийин алынып ташталат (жогорку температурада күйүтүү же күйтүрүү аркылуу), керектүү пораларды түзүү үчүн. Моделдөөчү агенттин түрү менен концентрациясын, шарттардын температурасын, басымын жана синтез процесстеринин pH деңгээлин өзгөртүү менен цеолиттерди иштетүүчүлөр керектүү өзгөчөлүктөргө ээ цеолиттерди даярдай алышат — мисалы, белгилүү поралардын өлчөмдөрүн, ион алмашуу сыйымдуулугун же каталитикалык активдүүлүктү, өнөр жайда колдонууга ылайык. Мисалы, синтетикалык цеолит Y нефтьди тазалоодо кенен пайдаланылат, анткени анын чоң поралары (приблизительно 0.74 нанометр) улут катмарлуу углеводород молекулаларын камсыз кылат, ал эми цеолит ZSM-5 кичине пораларга (приблизительно 0.55 нанометр) ээ, бул метанол сыяктуу кичине молекулалар менен реакцияларды катализдөөгө жарашкан.
Синтетикалык цеолиттердин табигый цеолиттерге карата бир нече артыкчылыктарынын бири - жогорку тазалык жана бирдемдүүлүктүн болушу. Табигый цеолиттерде көбүнчө керексиз коспалар камтылган, ал эми синтетикалык цеолиттер минималдуу киргизүүлөр менен алынат, демек, колдонуу жөндөмдүү жана болжолдоого мүмкүн болгон натыйжаларды камсыз кылат. Ошондой эле синтетикалык цеолиттерди табигый цеолиттерде жок касиеттерге ээ болгондой кылып иштеп чыгууга болот, ошентип, алардын колдонуу ареалын кенейтет. Мисалы, бир нече синтетикалык цеолиттер жылуулук туралуу төзүмдүүлүккө ээ болуш үчүн жасалып, катализатордук жарылуу колонналары сыяктуу жогорку температурада иштөөчү транспортто колдонулса, башкалары жогорку адсорбция сыйымдуулугу үчүн оптималдаштырылган, демек, газ ажыратуу процесстеринде эффективдүү болуп эсептелет.
Цеолиттердин негизги касиеттери: адсорбция, ион алмашуу жана катализ
Цеолиттердин пайдалуу касиеттери адсорбция, ион алмашуу жана катализ деп аталган үч негизги касиеттен келип чыгат жана булардын бардыгы алардын поралуу структурасы менен байланыштуу.
Адсорбция
Адсорбция – молекулалар (адсорбаттар) катуу материалдын (адсорбент) бетине тартылып, анын бетинде топтолушу менен болуп өткөн процесстин бири. Зеолиттер өзүнүн чоң ички бет аянты (баарынан 700 м²/г чейинки бет аянты бар зеолиттер бар) жана түзүлүшүндөгү полярдык сайттардын болушу менен адсорбциялоого өте жакшы. Тетраэдрдик бирдиктердеги күчсүз оттек атомдору полярдык молекулаларды, мисалы, суу, аммиак же углерод диоксидин тартуучу электрстатикалык күчтөрдү түзөт, ал эми поралардын өлчөмү молекулалардын диаметрине ылайык изилдөөчү адсорбциялоого мүмкүнчүлүк берет. Бул изилдөөчү адсорбция же молекулалык тозоктоо зеолиттердин негизги касиети болуп саналат. Мисалы, газды бөлүү боюнча колдонулуштарда зеолиттер абанын ичинен азотту ойду ажыратып чыгара алышат, анткени азот молекулалары (ойдо молекулалардан чоңураак диаметрге ээ) зеолиттик түзүлүш тарабынан күчтүүрөк адсорбцияланып, ойдо өткөрүп берилет. Ушундай эле зеолиттер газдар же суюктуктардан суу буусун алуу үчүн кептүрүү колдонулуштарында пайдаланылат, анткени суу молекулалары пораларга кирүүчө кичине болуп, күчсүз оттек сайттары тарабынан күчтүүрөк тартылат.
Ион алмашуу
Ион алмашуу – бул цеолиттин түзүлүшүндөгү катиондор (оң заряддуу иондор) чөйрөгө тез чейинки эрүүчү катиондор менен алмаштырылып турган процесстин бири. Цеолиттердин терс заряддуу түзүлүшү кремний атомдорунун алюминий атомдору менен алмашуусунан улам пайда болот – ар бир алюминий атом бир терс заряд берет, ал эми поралардын ичинде жайгашкан катиондор (натрий, калий, кальций же магний сыяктуу) бул зарядды тең салыштырат. Бул катиондор жабык эмес байланышкан жана эрүүдөгү башка катиондор менен алмаша алышат, цеолиттерди ион алмаштыргыч катары эффективдүү кылат. Цеолиттин ион алмашуу сыйымдуулугу (ИАС) – бул иондорду алмаштыруу өзгөчөлүгүнүн өлчөмү, адатта грамм боюнча миллиэквивалент (meq/g) менен туюнтулат. Мисалы, клиноптилолиттин ИАС 2,0–2,5 meq/g чамасында болуп, судун катуулугун төмөндөтүү үчүн көрсөтүлгөн – бул жерде кальций жана магний иондору (суунун катуулугун түзгөн иондор) цеолиттен келген натрий иондору менен алмаштырылат. Ион алмашуу тазалоо процесстеринде да мааниге ээ, мындай цеолиттер кургак суудан эркин металл катиондорун (мыкты, кадмий жана никель сыяктуу) зыянсыз катиондор менен алмаштырып, суудан алып таштайт.
Катализ
Каталсиз - бул материал (каталызатор) процессте түзүлүүсүз химиялык реацияны ылдыйткан процес. Зеолиттер пористүү структурасынын, кислоталуу сайттарынын жана ион алмашуу мүмкүнчүлүгүнүн аркасында эффективдүү катализатор болуп саналат. Зеолиттердеги кислоталуу сайттар тармактагы катиондорду алмаштырган протондордун (Н⁺ иондору) болушу менен түзүлөт - бул протондор каталитикалык реациялар үчүн активдүү сайттар болуп эсептелет. Зеолиттердин пористүү структурасы реакцияга кирген молекулалардын активдүү сайттарга жеңил түрдө ташылуусун камсыз кылат, анын эми пораларынын өлчөмү кайсы молекулалар сайттарга жетүүгө мүмкүнчүлүк алат, дагы ошондон селективдүүлүк жогору болот. Мисалы, нефтьди рафинациялоодо зеолиттер каталитикалык крекингде катализатор катары колдонулат, бул процессте чоң гидрокарбон молекулалары (мунайда болгондой) кичине, кымбат молекулаларга (бензин жана дизель отуну) чейин кыймылдатулат. Зеолит ZSM-5 бул колдонууда эрекше эффективдүү, анткени анын кичине поралары чоң молекулалардын кирүүсүн чектейт, керексиз жан жеңилдетүүчү реацияларды болтурбайт жана тилектүү өнімдердин чыгымын көбөйтөт. Зеолиттер метанолду олефинге (MTO) айландыруу сыяктуу химиялык өнімдөр өндүрүүдө да колдонулат, анда алар метанолду этилен менен пропиленге айландырууну катализдейт - бул пластмасса жана башка өнөр жай химиялык заттар үчүн негизги курулуш блоктору.
Зеолиттердин өнөр жай тармагындагы колдонулушу
Зеолиттер өзүнүн уникалдуу касиеттерине байланыштуу кенен өнөр жайларда колдонулат. Төмөндө тармак боюнча топтолгон эң маанилүү колдонулуш түрлөрү келтирилген.
Суу жана канализациялык тазалоо
Цеолиттердин суу менен чыгат сууларды даярдоо боюнча ири индустриялык колдонулуштардын бири болуп саналат, анткени алардын ион алмашуу жана адсорбция касиеттери чирлерди жок кылуу үчүн колдонулат. Шаардык суу даярдоодо цеолиттер сууну жумшартуу үчүн колдонулат, кальций жана магний иондорун натрий иондору менен алмаштырып, курал-жабдыктарда жана трубаларда кабак түзүлүшүн алдын алат. Алар чыгат суулардан аммиакты жок кылуу үчүн да колдонулат — аммиак шаардык жана өнөр жай чыгат сууларында (азык-түлүк өнөр жайы жана химиялык өндүрүш сыяктуу булагдардан) жай загрязнитель болуп саналат жана аны даярдоо безге сууга түшүүсү суу жаныбарлары үчүн уруксат болушу мүмкүн. Цеолиттер суудан аммиак молекулаларын өз пораларына сиңирип, аларды түгөй жок кылат. Ошондой эле цеолиттер өнөр жай чыгат сууларынан авыр металлдарды жок кылуу үчүн колдонулат. Мисалы, кен кароо иштеринде цеолиттер чыгат суулардан кургак, цинк жана мыс иондорун жок кылат, ал эми электроника чыгарууда — кадмий жана сынап иондорун жок кылат. Цеолиттердин жогорку тандалгычтыгы жана регенерациялануусу (концентрлешкен туз эртмеси менен чайкап, чирлерди адсорбциялоо аркылуу бир нече жолу кайра колдонуу мүмкүнчүлүгү) аларды суу даярдоо боюнча чыгымдар тиимдүү чечимге айлантып берет.
Нефть ректификациялоо жана петрохимия
Нефть реформалоо жана петрохимиялык өнөмдөр зеолиттердин негизги түкөмчүлөрү болуп саналат, алар негизинен каталитикалык процесстер үчүн колдонулат. Каталитикалык трещинка - эң маанилүү колдонуу түрлөрүнүн бири болуп саналат. Зеолиттер традициондук каталитиктердин (балзак сыяктуулар) ордуна колдонулат, анткени алар жогорку активдүүлүк жана селективдүүлүккө ээ, бул бензин жана башка жеңил углеводороддордун жогорку чыгымына алып келет. Зеолит Y - бул кыймылдуу каталитикалык кыркылуу процесстеринде (FCC) эң көп колдонула турган каталитик, бул процесстин натыйжасында дүйнө жүзүндө бензиндин чоң бөлүгү алынат. Зеолиттер жогорку басым астында жана температурада жеңил өнөмдөргө айлануучу оор углеводороддорду айлантып чыгаруу процесстеринде жана бензиндин октандык сапатын жакшытуу үчүн түз сызыктуу углеводороддорду тармакталган углеводороддорго айландыруу процесстеринде да колдонулат. Петрохимиялык өнөмдө зеолиттер этилен жана пропилен сыяктуу олефиндерди алуу үчүн MTO процесстеринде, ошондой эле каталитикалык реформалоо аркылуу ароматикалык заттарды (бензол, толуол, ксилол) алуу үчүн колдонулат. Зеолиттер продукттардын өлчөмүн жана формасын башкаруугө мүмкүнчүлүк берет (чөпчөгүнүн курамынан улам), бул жогорку тазалыктагы химиялык заттарды чыгаруу үчүн маанилүү.
Газды бөлүү жана тазалоо
Зеолиттер молекулалык түрдүн касиеттеринен улам газды бөлүү жана тазалоо үчүн кенен пайдаланылат. Эң жөнгү колдонуу түрлөрүнүн бири аба бөлүүсүндө, анда зеолиттер азот же кычкылтек менен байыткан абаны алуу үчүн колдонулат. Басымдын термелүүсүнө негизделген адсорбция (PSA) - бул максат үчүн негизги технология. Жогорку басым астында зеолиттин төшөгү аркылуу аба өткөрүлөт, анда азот молекулалары адсорбцияланат, натыйжада кычкылтек менен байыткан аба жыйналып алынат. Басымды төмөндөтүү аркылуу зеолит төшөгү кайра калыбына келет, адсорбцияланган азот бошотулат. Бул процесстин натыйжасында тамак-аш секторунда (азот атмосферасын түзүү менен сактоо мөөнөтүн узартуу үчүн) жана медициналык колдонууларда (тын алуу үчүн кычкылтек алуу үчүн) пайдаланылат. Зеолиттер табигый газдан көмүртек диоксидин бөлүү үчүн да колдонулат. Табигый газ көмүртек диоксидин камтышы мүмкүн, ал жылуулук маанисин төмөндөтөт жана трубопроводдордо коррозияга алып келет. Зеолиттер көмүртек диоксидин адсорбциялап, табигый газды тазалап, аны отун катары пайдаланууга жарамдуу кылат. Ошондой эле зеолиттер сутек газын тазалоодо колдонулат, алардан парник газы, метан жана суу буусу сыяктуу коспаларды ажыратып алат. Сутек электролиз же булак метан реформдалуусу аркылуу алынат, жогорку тазалыкты талап кылат.
Тазалоо жана чистка продукттери
Зеолиттер 1970-жылдардан бери кийим жуугуч күрөттөрдүн негизги компоненти болуп келген, алар суудагы фосфаттардын көбөйүшүнө (алглардын ашыкча өсүшүнө) алып келгендиги үчүн аларды фосфаттардын ордуна колдонушкан. Күрөттөрдө зеолиттер сууну жумшартуу үчүн курам түзүүчү катары иштешет, кальций жана магний иондорун натрий иондору менен алмаштырат, бул сабын күрөттүн түзүлүшүн алдын алат жана күрөттүн тазалоо эффективдүүлүгүн арттырат. Күрөттөрдө эң көп колдонулган зеолит - бул А зеолити, ал синтетикалык зеолит болуп саналат, анын пордорунун өлчөмү кичине (приблизительно 0,4 нанометр) жана ион алмаштыруу сыйымдуулугу жогорку. А зеолити токсикалык эмес, биологиялык чиригич, башка күрөт компоненттери менен уюшатканы үчүн аны колдонушкан. Ошондой эле бул күрөт кийимге тийгизилбеген чачак бөлүндөрдү сууга тосмолойт. Кийим жуугуч күрөттөрдөн тышкары зеолиттер табак жуугуч күрөттөр жана өнөр жай тазалоо буюмдарында да колдонулат, анткени алардын сууну жумшартуу жана чачак бөлүндөрдү тосмолоо касиеттери бирдей маанилүү.
Курулуш жана курулуш материалдары
Цеолиттердин курулуш жана курулуш материалдарында пайдаланылышы жакшылоо жана карунардуулукту арттыруу үчүн арттырылып жатат. Цемент өндүрүүдө цеолиттерди пуццолан материал катары кошуп, цементтин гидратациясынын жанаша өнүмү болгон кальций гидроксиди менен реакцияга киргизип, кальций силикат гидраты (CSH) сыяктуу цемент түзгүч компоненттерди түзүү үчүн пайдаланышат. Бул реация бетондун беркин жана узундугун жакшытайт, гидратациянын жылын төмөндөтөт (бул чоң бетон конструкцияларда трещина пайда болушуна алып келет), ошондой эле цемент өндүрүүнүн карбон паясын төмөндөтөт — цеолиттер портландцементтин бир бөлүгүн алмаштыра алышат, аны өндүрүү энергияга чоң суроо коят. Ошондой эле цеолиттерди бетон үчүн жеңилдетилген агрегаттарда пайдаланышат — алардын пористик структурасы агрегаттын тыгыздыгын төмөндөтүп, ташып коюуга же орнотууга жеңил болгон жеңил бетон алууга мүмкүнчүлүк берет. Шаң-шыр азайтуучу материалдарда да цеолиттер пайдаланылат — алардын пористик структурасы дууга толкундарды жутуп, имараттарда дуу таралышын кемитет. Ошондой эле цеолиттерди намытты реттөөчү материалдарда, мисалы, жаба панелдер менен тавандык плита менен, аба күрөң болгондо артык намытты жутуп, аба кепчүн болгондо аны кайра чыгарат, бул ичинки абанын сапатын жана ыңгайлуулукту жакшылат.
Табигый жана тургундуу турмуш боюнча маселелер
Зеолиттерге суроо арткан сайын, алардын табигый орточо мүнөзү жана тургундуулугу боюнча көбүрөөк көңүл бөрүлүүдө. Табигый зеолиттер узак мөөнөттө кайта калыбына келтирилген ресурстар болуп саналат, бирок алардын кен орундарын пайдалануу табигый орточо чөйрөгө зыян келтири мүмкүн, мисалы, табигый жашоо ортосунун бузулушу, эрозия, суу чыгышы жана башкалар. Бул маселелерди чечүү үчүн, көптөгөн кен казуу компаниялары тургундуу кен казуу усулдарын кабыл алышты, мисалы, кен казылган жерлердин кайта калыбына келтирилиши (алгачкы же пайдаланууга ылайык кылуу), сууну кайта пайдалануу (кен казуу жана кен иштетүүдө колдонулган сууну кайта пайдалануу), төмөнкү таасир этүүчү кен казуу техникаларын колдонуу. Космос табигый зеолиттер үчүн байлыкты арттыруу процеси башка минералдарды иштетүү операциялары менен салыштырганда салыштырмалуу энергия эффективдүүлүгүнө ээ, анткени жогорку температура же улаштуу химиялык заттар керек эмес.
Пайдалануу тазалыгы жана иштөө жакшы болгон менен, гидротермалдык синтез процесстерине жылуу жана басым керектелгендиктен, синтетикалык цеолиттерди өндүрүү энергияга чоң суроо келтirет. Бирок синтез технологиясындагы жетишкендиктер синтетикалык цеолиттердин чевре таасирин азайтуда. Мисалы, айрым өндүрүүчүлөр автоклавдарды жылытуу үчүн жарык жана далай энергияны пайдаланса, башкалары энергияны аз талап кылуучу төмөнкү температурадагы синтез процесстерин иштеп чыгышат. Ошондой эле, синтетикалык цеолит өндүрүүдө колдонулуучу түрдүү катализаторлор бүтүндөй айланган же кайра кабыл алуучу материалдар менен алмаштырылып жатат, уруксат берилген калдыктардын айтарлык дарежеде азайтат.
Бир дагы негизги убакыттык сактоо маселеси - цеолиттердин кайра иштетилүү мүмкүнчүлүгү. Көптөгөн колдонулуштарда цеолиттерди бир нече жолу кайра иштетүү жана кайра колдонуу мүмкүн, бул цеолиттердин жаңы өндүрүлүшүнө муктаждыкты азайтат. Мисалы, суу иштетүүдө цеолиттер металл иондорун жутуп алуу үчүн колдонулса, туз эртмеси менен жуу аркылуу кайра иштетүү мүмкүн, бул металл иондорун чыгарып, цеолитти кайра колдонууга мүмкүнчүлүк берет. Газды бөлүүдө PSA системаларында колдонулган цеолиттер басымды төмөндөтүү аркылуу кайра иштетилет, бул процес энергиянын аз мөөнөтүн талап кылат. Цеолиттерди кайра иштетүү мүмкүнчүлүгү отходдорду азайтпай эле, аларды сапаттуу колдонуунун да чыгымдарын төмөндөтөт.
