زئولیت – خرید ، خواص ، انواع و کاربردهای آن
در این مقاله می خوانید:
۱- مقدمه
واژه زئولیت در زبان یونانی از معنای سنگ جوشان اقتباس شده است زیرا هنگامی که در برابر فوتک کانی شناسی قرار می گیرد و گرم می شود، آب آن به صورت بخار بیرون می آید و منظره ای مانند جوشیدن پدید می آورد.
این کانی از نظر ترکیب و محل پیدایش با همدیگر همسانی چشمگیر دارند. این کانی ها دربردارنده مقدار زیادی آب هستند و سختی آن ها از ۳.۵ تا ۵.۵ و جرم حجمی آن ها از ۲ تا ۲.۴ گرم بر سانتی متر مکعب متغیر است.
این کانی ها بزرگترین گروه تکتوسیلیکات ها را تشکیل می دهند و ۳۵ نوع توپولوژی مختلف در آن ها شناسایی شده است که احتمالا انواع بیشتری نیز وجود خواهد داشت. تاکنون بیش از ۴۰ نوع زئولیت طبیعی و بیش از ۱۵۰ نوع مصنوعی شناخته یا ساخته شده است.
انواع مختلف زئولیت در ساختمان شبکه سه بعدی سیلیکات های آب دار نوع داربستی (تکتو سیلیکات) متبلور می شوند. زئولیت ها کانی های آلومینوسیلیکات آب دار که دارای عناصر فلزی قلیایی و یا قلیایی خاکی به ویژه سدیم، پتاسیم، منیزیم، کلسیم، استرانسیم و باریم است. این کانی ها ارتباط تنگاتنگی با فلدسپات ها و فلدسپاتوئیدها دارند. در ذیل برخی از کانی های خانواده زئولیت لیست شده اند.
خواص فیزیکی و شیمیایی این کانی های طبیعی متفاوت بوده و در بین نمونه های مختلف یک نوع خاص از زئولیت نیز تفاوت هایی در خواص فیزیکی (اندازه منفذ، اندازه بلور، ظرفیت تبادل یونی و ظرفیت جذبی) و ترکیب شیمیایی وجود دارد.
۲- نحوه تشکیل
- زئولیت های طبیعی که شامل تشکیل زئولیت در دریاچه های قلیایی و نمکی، سیستم های باز آب های زیر زمینی، خاک های محیط های قلیایی و رسوبات عمیق دریایی است.
- تولید به روش مصنوعی: ابتدا سه مولکول آب و یک مولکول آلومینیم اکسید را در محلول داغ سدیم هیدروکسید حل و سپس با سیلیکات سدیم مخلوط می نمایند، مخلوط حاصل به مخازن ویژه تشکیل ژل منتقل می شود. بلورهای زئولیت در حدود دمای ۹۴ درجه سانتی گراد از محلول ژل شروع به تبلور می نماید.
- روش دیگر آلتراسیون کائولین است که ابتدا کائولین حرارت داده می شود تا به متاکائولین تبدیل شود بعد آن را کلسینه نموده و سپس با استفاده از محلول اسیدی مقداری از سیلیس آن را آزد نموده و محصول را با NaOH شستشو می دهند.
۳- طبقه بندی زئولیت ها
چند نوع طبقه بندی برای زئولیت ها انجام شده است. یک طبقه بندی قدیمی بر اساس شکل بلور است. در این طبقه بندی زئولیت ها به بلور های رشته ای، ستونی و مختلط تقسیم بندی می شوند. یک نوع طبقه بندی دیگر بر اساس منشا شکل گیری آن ها است. که از این نظر زئولیت ها به دو دسته رسوبی و آتش فشانی تقسیم بندی می شوند.
زئولیت های موجود در ایران رسوبی هستند در حالی که اکثر گونه های طبیعی موجود در جهان از نوع آتش فشانی هستند. نوع سوم طبقه بندی بر اساس خواص اسیدی یا بازی زئولیت ها بنا شده است. در این تقسیم بندی زئولیت هایی که نسبت آلومینیوم به سیلیسیم در آن ها در دامنه ۰.۸ به بالا باشند جز زئولیت های اسیدی و آن هایی که نسبت بین ۰.۵ تا ۰.۶ و کمتر باشد جز زئولیت های قلیایی محسوب می شوند.
۴- خواص زئولیت ها
به طور کلی تراکم زئولیت های طبیعی در دامنه ۱.۹ تا ۲.۲ میلی گرم در متر مکعب است. با وجود این تراکم زئولیت هایی که مقادیر زیادی باریم و استرانسیم دارند، ممکن است در حدود ۲.۵ تا ۲.۸ میلی گرم در متر مکعل باشند. اکثر مواد زئولیتی بی رنگ یا سفید هستند با این حال بعضی از آن ها که حاوی مقادیر جزئی یا کم آهن هستند به رنگ زرد کم رنگ یا قهوه ای مایل به قرمز دیده می شوند. زئولیت ها در حالت تعلیق باعث به وجود آوردن PH های ۹.۵ تا ۱۰.۵ شده و در نتیجه تجزیه کامل یا نسب موجب ایجاد PH های بالاتری نیز می گردند.
اگرچه اغلب زئولیت های حاوی سیلیسیم Si کم یا متوسط (نسبت Si به Al به ترتیب برابر ۱.۵ به ۱ و ۲ به ۱.۵) در محلول های اسیدی با PH پایین تر از ۳ متلاشی می شوند. بعضی گونه های حاوی Si زیاد مثل کلینوپتیلولیت و موردنیت در PH حدود ۲ نیز پایدار می باشند.
۵- مشخصه های اصلی زئولیت
۱- درجه بالای آبدار (هیدراته) شدن
۲- در زمان بی آب (دهیدراته) شدن، تراکم پایین و فضاهای خالی بالایی دارند.
۳- ساختمان بلوری اغلب زئولیت ها موقع بی آب شدن، پایدار می ماند.
۴- دارای خاصیت تبادل کاتیونی هستند.
۵- بلور دهیدراته دارای کانال های یکنواختی از نظر مولکولی و اندازه می باشد.
۶- خواص فیزیکی متنوعی از قبیل هدایت الکتریکی، خواص کاتالیتیکی، جذب و شبکه یونی دارند.
۶- ویژگی های فیزیکی و شیمیایی
زئولیت ها معمولا دارای چگالی بین ۲ تا ۲.۳ گرم بر سانتی متر مکعب هستند. اما زئولیت های غنی از باریم، استثنا بوده و چگالی آن ها ممکن است بین ۲.۵ تا ۲.۸ گرم بر سانتی متر مکعب باشد.
عموما ساختمان این نوع کانی باز است و درنتیجه سطح ویژه ای شبیه به کانی های سیلیکاتی ۱:۲ قابل انبساط از خود نشان می دهد. جذب آب در هر واحد سلولی زئولیت نسبتا زیاد است.
البته میزان جذب آب بستگی به نوع زئولیت و همچنین نوع کاتیون های موجود در کانال های آن دارد. به طور کلی عرض کانال ها، اندازه کاتیون و انرژی هیدراسیون، تعیین کننده میزان آب جذب شده به وسیله این کانی ها هستند. طرفیت تبادل کاتیونی زئولیت ها از ۱۰۰ تا ۳۰۰ میلی اکی والان در ۱۰۰ گرم آن گزارش شده است.
به طور کلی عرض کانالها، انتشار یونی یا مولکولی، مقدار آب و هیدراته شدن، از عوامل مهم و تعیین کننده میزان ظرفیت تبادل کاتیونی آن ها است. زئولیت های می توانند مانند غربال عمل کنند. به عنوان مثال آنالیست می تواند سدیم را آزادانه با Ti، Ag، NH4، K و Rb مبادله کند.
۷- کاربرد های زئولیت
از آنجا که این کانی کاربرد های وسیعی در صنایع مختلف دارند، تقاضای مصرف انواع طبیعی و مصنوعی بر حسب خصوصیات فیزیکی و شیمایی (که مستقیما به ساختمان بلوری و ترکیب شیمیایی بستگی دارد) متفوت بوده و به سرعت رو به افزایش است.
- استفاده در مصالح ساختمانی: کاربرد زئولیت ها به عنوان ماده اولیه در صنایع سرامیک به دلیل توانایی تغییر ترکیب شیمایی آن ها به روش تبادل یون، مزایای زیادی دارد. از جمله این مزایا می توان تولید سرامیک های رنگی را نام برد. به عنوان مثال وارد کردن آهن به صورت یون آهن دو ظرفیتی به ایجاد ماده ای با رنگ سبز منجر خواهد شد. از پدیده پف کردن و خارج شدن حباب ها از داخل زئولیت ها در ساختن سرامیک های متخلخل با دانسیته پایین استفاده می شود. همچنین کاربری آن ها در سیمان پوزولانی و بتن نیز متداول گشته است.
- استفاده در صنعت سیمان: در چند سال گذشته با توجه به خصوصیاتی که این نوع کانی ها از نظر جذب آب و بعد از دهیدراته شدن پیدا می کنند، مورد توجه کارشناسان صنعت سیمان قرار گرفته است. زیرا که با استفاده از این کانی در مواد اولیه سیمان باعث تغییراتی در جذب آب و مشخصات فیزیکی بتن می شود که می تواند در دوام و پایداری بتن نقش مثبت و ارزنده ای داشته باشد.
- استفاده به عنوان پر کننده در صنایع کاغذسازی: زئولیت به دلیل وزن کم و دارا بودن خاصیت پوزولان می تواند به عنوان پر کننده در صنعت کاغذ مورد استفاده قرار گیرد.
- استفاده در داروسازی و پزشکی: از کلینوپتیولایت می توان به عنوان جلادهنده در خمیر دندان حاوی فلوراید استفاده نمود. وجود این کانی باعث می شود یون های بیشتری به صورت همان یون باقی بمانند.
- استفاده به عنوان حام در سموم دفع آفات: با ضافه کردن کلینوپتیلولایت به این قبیل سموم مدت زمان تاثیر آن ها افزوده شده و باقیمانده آن در محیط زیست خطری در بر نخواهد داشت. استفاده از این ماده حتی در سموم دفع پارازیت های جلدی حیوانات مثل کنه، شپش، مایت یا جرب و عیره متداول گشته است.
- استفاده در شوینده: زئولیت ها بر خلاف فسفات هایی که هنوز در شوینده به کار می روند هیچگونه آلودگی محیط زیستی ایجاد نمی کنند. یون های کلسیم و منیزیم که باعث افزایش سختی آب می شوند و در فرآیند پاک کنندگی شوینده ها دخالت می نماید با استفاده از زئولیت های جذب می شوند. با استفاده از این نوع کانی خاصیت تولید کف شوینده و در نتیجه قدرت پاک کنندگی آن افزایش می یابد.
- استفاده در صنعت نفت به عنوان کاتالیست: امروزه بیشتر کاتالیست ها از زئولیت ساخته می شود. با شناخت خواص کاتالیزوری زئولیت ها بسیاری از پزوهشگران علوم مختلف شیمی و پتروشیمی، واکنش های بسیاری را به کمک این کانی انجام داده اند.
- استفاده در صنعت نفت به عنوان جذب نفت و رفع آلودگی های نفتی: یکی از اصلی ترین کاربرد زئولیت ها در صنعت نفت، اثرات جذب کنندگی آن است. با استفاده از زئولیت ها می توان لکه های نفتی را جذب و محیط زیست را از آلودگی پاک نمود . تجربیات متعدد نشان می دهد که مخلوطی از زئولیت، پرلیت، کربنات سدیم، اسید تارتاریک یک محلول آلی که بر روی هم وزن مخصوص نزدیک ۰.۵ گرم در سانتی متر مکعب دارد، قادر است بیش از ۲۰۰ ساعت در سطح آّ باقی بماند و نفت را از سطح آب جذب و جمع آوری نماید. از این خاصیت در زمان وجود نشت نفت از تانکرهای بزرگ نفتی و یا سوانح اتفاق افتاده برای این قبیل از تانکرها که باعث رها شدن حجم زیادی از نفت بارگیری شده در سطح دریاها می شود، می توان استفاده نمود.
۸- نتیجه گیری
خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد کانی های زئولیتی سبب کاربرد فروان آن در صنایع مختلف شده است. در حال حاضر کاربرد آن به عنوان ماده افزودنی به سیمان جهت بهبود کیفیت بتن مد نظر قرار گرفته است. زیرا که با استفاده از این کانی در مواد اولیه سیمان باعث تغییراتی در جذب آب، مشخصات فیزیکی بتن می شود که می تواند در دوام و پایداری بتن نقش مثبت و ارزنده ای داشته باشد.
منبع
زئولیت و کاربرد های آن در بتن. احمد زینالی. ماهنامه علمی تخصصی فن آوری سیمان اسفند ماه ۱۳۹۳ شماره ۸۰.
