Що таке цеоліти?

Цеоліти – це досить значний перелік мінералів зі схожим складом і властивостями. По суті, кожен з них є водним алюмосилікатом Ca або Na з підкласу каркасних силікатів, кожному характерний склоподібний/перламутровий відблиск.

Це дивовижний матеріал, описаний вченими ще більше двох сотень років тому. У перекладі з грецької його назва виглядає як «киплячий камінь». В якому сенсі, киплячий? – Запитаєте ви. У цьому, власне, і полягає головна особливість продукту. Якщо його опустити в воду, на поверхні з’являться бульбашки повітря. Це можна спостерігати, у зв’язку зі здатністю мінералу віддавати і неодноразово поглинати воду, залежно від температурного і вологісного режимів.

Ще одна дуже важлива властивість – це схильність до іонного обміну. Вони вибірково виділяють і знову вбирають різного роду речовини. Крім того, можуть обмінюватися катіонами. Але давайте про все по порядку.

Властивості цеолітів

Що таке цеоліт? Правильно! Мінерал з адсорбуючими властивостями, внутрішня структура якого складається з сильно рухливих пустот/порожнин/пор, у зв’язку з чим реалізується іонний обмін. Саме наявністю цих порожнин і визначається основоположна властивість цеолітів – адсорбція.

Кристали цеолітів – це діючі початки молекулярних сит, тобто пористих неорганічних твердих тіл, сформованих великою кількістю кубічних мікрокристалів. Молекулярні сита користуються надзвичайним попитом через свої специфічні властивості: здатність до оборотної абсорбції водяної пари і всіляких газів, а також можливість цеолітових катіонів без будь-яких ускладнень обмінюватися на будь-який інший позитивний іон. Порожнини і пори, а точніше мережа, ними утворювана – передумова формування розвиненого внутрішнього простору дивовижної величини. Розмір внутрішніх поверхонь може становити десятки і сотні тисяч значень зовнішнього розміру. Це мега важливо під час сушіння і селекційного поділу.

За своєю хімічною структурою ці продукти є гідратованими алюмосилікатами лужних/лужноземельних елементів. Якщо висловитися точніше, то в їх порах перебувають активні катіони (Mg, Ca, K, Na або ін.), у зв’язку з чим відзначаються такі властивості:

- адсорбція;

- катіонний обмін (катіонування);

- каталіз (каталітична дія).

Слід знати, що цеолітам характерна термічна стабільність і стійкість до впливу кислот, завдяки чому сфера їх застосування як у промисловості, так і в побуті – дуже і дуже широка.

Використання цеолітів: коротко про головне

Всіх сфер, в яких цеоліти знайшли застосування, так відразу і не перелічити. Спробуймо згадати хоча б основні з них.

Отже, ці мінерали використовують в приладах для очищення води як адсорбенти, іонообмінники та молекулярні сита. Нерідко вони служать донорами і акцепторами електронів. Задіюються у вакуумних сорбційних насосах. Служать гетерогенними каталізаторами в різних нафтохімічних і нафтопереробних процесах. Не обходиться без них як без цеоліт-модифікованих електродів хімічний аналіз. Крім того, аналітична хімія використовує цеоліти для реалізації хімічних методів, що передбачають поділ і концентрування.

Акваріумістика. Тут цінні адсорбційні й іонообмінні властивості. Цеоліт може бути задіяний як додатковий засіб до активованого вугілля і в якості наповнювача для котячого туалету.

Ось ще деякі ролі цеолітів, про які корисно знати:

- кормова добавка для с/г тварин і птиці;

- замінник фосфатів у побутовій хімії;

- сировина для виготовлення безалкогольних напоїв, спеціальних харчових продуктів і біодобавок до їжі;

- поглинач запахів у холодильних установках;

- ефективний помічник у боротьбі з радіацією і т.д.

Цеоліти природні та синтетичні

Розглядаючи цеоліти, чи не головне, що потрібно врахувати, це можливість їх природного і синтетичного походження. На сьогодні відомо сорок природних цеолітів і більше півтори сотні (за іншими даними – близько шестисот) синтетичних. З найпоширеніших груп: натроліт, ломонтит, хабазит, гейландит, стильбіт, морденіт і томсоніт.

Що собою являють природні представники цих мінералів? Продукти, сформовані при компонуванні вулканічної лави з гірськими породами, що розсипалися на дрібні частки під паро-газовим впливом з подальшою природною «обробкою» солоними океанічними водами. Виглядають ці природні творіння, як світлі естетичні мінерали в величезному спектрі матових і перламутрових відтінків. А в їх складі – значна кількість хімічних елементів з періодичної системи Менделєєва.

Як різноманітний цей матеріал сам по собі, так і його популярність спостерігається у всіх куточках світу. Ще не так давно цей камінь був тільки в колекціях поціновувачів. Сьогодні ж його з налагодженням виробничих процесів використовують в різних промислових напрямках.

Згідно з походженням, виділяють гідротермальні, екзогенні, а також метаморфічні цеоліти. Останні бувають найрідше. Мигдалини вулканічних порід, пісковики, зокрема аркозові й граувакові, тріщини і порожнечі гнейсів, а також кристалічних сланців – ось основні місця, де є велика ймовірність побачити цей мінерал.

Видобуток цеоліту здійснюється в багатьох країнах. Його природних родовищ хоч і невеликих за обсягом існує не менше тисячі по всій земній кулі. Найбільші з них – в Японії, Америці, Східній Африці і, увага, в Україні!

Добувати мінерали нескладно, оскільки їх поклади розташовуються неглибоко. Труднощі полягають в іншому: у відділенні необхідних кристалів від гірської породи. Це вимагає порівняно багато сил і часу. Ще один нюанс: загальний видобуток різних видів цеолітів, які в початковій сукупності не можуть застосовуватися там, де потрібно. Тобто виникає потреба в поділі.

Цінні властивості цього продукту були виявлені тільки в середині ХХ століття. Після цього американські вчені приступили до роботи над створенням синтетичного мінералу. І так, у них все вийшло. Виробничий процес виглядав таким чином: спочатку готували затравку з бутиловим спиртом, далі пульпу, що містила кремній, алюміній, воду, луг і органічні компоненти. Після цього відбувалася гідротермальна кристалізація при t 150-180 °С і, власне, вироблявся цеоліт. Сьогодні ж отримання описаним способом не обмежується: синтетичний мінерал створюють різними шляхами, відштовхуючись від того, які завдання йому належить виконувати в майбутньому.

Нинішні виробники замість катіонів лужних і лужноземельних металів беруть іони алкіламонію. І створюють навіть такі варіанти, які не мають природних аналогів.

До слова, синтетичні цеоліти у наш час користуються більшою популярністю, порівняно з натуральними. Найчастіше саме вони можуть справитися з тим, з чим необхідно в різних напрямках. А найбільш цінними вважаються цеоліти з підвищеним відсотком активної речовини – кліноптилоліту. Розгляньмо основні з них – NaА і NaX.

Цеоліт синтетичний NaA

Цеоліт NaA – речовина, що випускається промисловістю в досить великих обсягах. По суті – алюмосилікат натрію. На вигляд це тверда гранульована маса, частинкам якої характерна кругла або овальна форма при діаметрі 5-8 мм. Забарвлення може варіюватися від бежевого до ненасичено-помаранчевого. Хім. формула виглядає так: Na₂O•Al₂O₃•2SiO₂•H₂O.

NaA глибоко осушує і тонко очищає газоподібні й рідкі середовища. Він здатний абсорбувати більшість складників промислових газів, за умови, що розмір їх молекул – не більше 0,4 нм. Під такі характеристики підпадає досить великий перелік продуктів: дигідросульфід, вуглецю (IV) сульфід, вуглекислий газ, нітрид водню, нижчі алкіни і алкадієни, етан, етен, пропен, орган. сполуки з 1-ю метильною групою в молекулі, а також CH₄, Ne, Ar, Kr, Xe, О2, N2 і CO. Зверніть увагу: речовини, які перераховані останніми, можуть бути поглинені цеолітом тільки при невеликих температурних показниках. До того ж, якщо розглядати пропан і органічні сполуки, кількість вуглецевих атомів у молекулах яких більше 3, адсорбція NaA не спостерігається. Тобто сушіння і очищення таким чином не приводить до їх поглинання.

З інших напрямків застосування цієї речовини варто зазначити такі:

- енергетика (осушення «сирих» трансформаторних олив, пом’якшення потоків рідини при водопідготовчих заходах на енергоустановках, видалення з їх відходів радіонуклідів);

- очищення води для пиття на водозабірних станціях і в окремих водостоках;

- поділ молекул у хімічній галузі (оскільки крізь цеоліт здатні проникати молекули тільки конкретних форм і розмірів) і їх виловлювання для подальшого аналізу синтезованих сполук;

- очищення гальваностоків у машинобудуванні;

- виробництво мийних засобів (наприклад, порошків для прання) з метою підвищення їх мийних характеристик. Ця речовина реагує з іонами Mg і Ca, присутніми у водогінній воді, і не просто реагує, а зв’язує їх. Додатковий плюс такого впливу – не осідання на деталях техніки і одязі. Завдяки NaA можна майже повною мірою відмовитися від залучення фосфатів у пральних порошках та інших чистяче-мийних композиціях.

Цеоліт синтетичний NaX

Цеоліт NaX, або іншими словами екструдат – це продукт загального призначення, який формується разом зі зв’язкою. Випускається у вигляді кристалічної порошкоподібної маси або екструдата. Колір може варіюватися від білого до рожевого.

Його можна охарактеризувати, як мінерал-сорбент з властивостями радіопротектора. Каркасна кристалічна структура – запорука значної адсорбції.

Основні застосування NaX:

- пром. зневоднення і очищення газів та рідин;

- повітро- й азотоочищення від вуглеводнів, оксидів і олій;

- вилучення води, сірчистих компонентів та тіолів з природного газу;

- видалення сполук сірки, тіолів і вуглекислоти з нафтового попутного газу;

- розподіл сукупностей аренів;

- видалення радіоактивних нуклідів з рідких відходів ядерних енергоустановок;

- дополімеризаційне вилучення окислювальних речовин при олефіноочищенні.

Якщо говорити про сорбуючі властивості NaX, загалом, то вони ефективні стосовно величезного переліку матеріалів. Це, передусім, вода, нітрид і сульфід водню, діоксид вуглецю, метан, етантіол і метантіол, етиленоксид, аміноетан та диборан. Це також ізопарафіни і алкени, одно- й багатоядерні найпростіші, складні циклоалкани і арени, а також їх похідні. Не можна не згадати тут і про меркаптани, тіофен, оксол-2,4-дієн, піридин і бензопіридин, метилтрихлорид, тетрахлорметан, фреони, пента- і декаборан.

Як бачите, застосування не обмежується очищенням і осушенням пром. газів. Чимале значення ця речовина має для молекулярного поділу різних сукупностей, для роз’єднання повітря в кріоустановках та ін.

На замітку! Щоб активувати цеоліт, попередньо потрібно виконати його терморегенерацію при t 450-550 °С.

Цеоліти природні

І NaX з NaА, та й інші штучні цеоліти, головним чином, знаходять застосування в різних промислових напрямках. Якщо говорити про медицину, аграрний комплекс або, приміром, про очищення зовнішнього середовища, то тут великою популярністю користуються саме природні цеоліти. Розмір їх пор – строго заданий, у зв’язку з чим вони є чудовими сорбентами для матеріалів і органічної, і неорганічної етимології.

Відтак, природні цеоліти застосовуються, в основному, в таких царинах:

- водоочищення (зокрема очищення басейної води, боротьба з вірусами і бактеріями в рибних господарствах);

- виготовлення с/г добрив (основна мета використання – підвищення міцності гранул МД, сприяння входженню до складу більшого числа важливих мікроелементів);

- рільництво, а саме мінімізація обсягу нітратів у плодах, а також загальне збільшення врожайності ґрунту;

- птахівництво і тваринництво (завдання цеолітів полягає в інтенсифікації приросту маси і благотворному впливі на плодючість дорослих особин, плюс у підвищенні імунітету поголів’я на клітинному рівні, в результаті чого недуги трапляються рідше, а якщо щось, проходять в рази легше й оперативніше).

Знову ж синтетичні мінерали не можуть вводитися до складу тих продуктів, які призначені для внутрішнього вживання. Тільки натуральні, завдяки своєму природному походженню, здатні позитивно впливати на людський організм. Хоча і у випадку з ними, якщо мова йде про вживання дітьми, вагітними жінками й матерями, які годують груддю, є потреба в отриманні попередньої консультації лікаря.