مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون



نام زئولیت در واقع از واژه ی یونانی zein به معنای جوشیدن و lithos به معنای سنگ، گرفته شده است. این واژه به معنای سنگی است که در حال جوشیدن است. این نامگذاری بوسیله ی Axel Fredrik Cronstedt انجام شده است. این فرد، یک معدن شناس اهل سوئد بوده است. این فرد با حرارت دهی یک ماده ی معدنی، مشاهده کرد که این ماده شروع به جوشیدن کرد و آب از آن تبخیر شد. امروزه، زئولیت به عنوان یک گروه 48 تایی از سیلیکات های هیدراته ی آلومینیوم تلقی می شوند که حاوی مقادیر مختلفی کاتیون های سدیم، پتاسیم، کلسیم، منیزیم و ... می باشند. برخی از این مواد معدنی، دارای اهمیت اقتصادی خاصی هستند. این زئولیت ها، عبارتند از: کلینوپتیلولیت، آناسیم، شابازیت، هولاندیت، ناترولیت، فیلیپسیت، آپوفیلیت و استیلبیت.
از لحاظ شیمیایی، زئولیت ها، مواد مشابه با مواد معدنی رسی هستند یعنی جزء آلومینو سیلیکات ها، محسوب می شوند. به هر حال، این مواد از لحاظ ساختار کریستالی متفاوت می باشند. در واقع رس ها ساختار لایه ای دارند و با جذب آب، متورم می شوند. در عوض، زئولیت ها، دارای ساختار کریستالی سه بعدی و صلب است که حاوی شبکه ای از تونل های به هم مرتبط می باشد. آب در این ساختار، به سهولت وارد می شود و به سهولت خارج می شود اما ساختار به طور کامل، صلب باقی می ماند.
زئولیت های طبیعی مواد معدنی ثانویه ای هستند که به خاطر تغییر در ساختار مواد فلدسپاری، فلدسپاتوییدها و توف های آتشفشانی، تولید شده اند و نتیجه ای از واکنش میان سنگ های آتشفشانی و لایه های خاکستری با آب های زیرزمینی قلیایی و یا کریستالیزاسیون در محیط های بستر دریایی، تشکیل شده اند. زئولیت های طبیعی، به ندرت خالص هستند و به همراه سیری مواد معدنی از جمله کوارتز و سایر مواد معدنی، یافت می شوند. از این رو، استفاده از آن در کاربردهایی که نیاز به خلوص و اندازه ی یکنواخت می باشد، محدود می باشد.
هم اکنون، تولید جهانی زئولیت طبیعی، حدود 4 میلیون تن می باشد که 65 % از آن در چین مصرف می شود. این ماده در چین، در صنعت ساختمانی مصرف می شود.
معیار استفاده
انواع مختلف زئولیت، دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مختلفی هستند. ساختار کریستالی و ترکیب شیمیایی، موجب می شود تا یون گزینی، اندازه ی تخلخل های مولکولی، استحکام و خواص دیگر این ماده متفاوت شود. برای مثال، کلینوپتیلولیت که متداول ترین نوع زئولیت طبیعی است، دارای حجم تخلخل بیش از 16 % و تخلخل های 0.2 نانومتری است. این اندازه ی تخلخل ها، بزرگتر از آنالسیم می باشد. منبع نقش مهمی در نوع و ساختار زئولیت ایفا می کنند. در واقع زئولیت هر منبع، دارای خواص مشابه می باشند. شرایط محیط زیستی موجود در حین رسوب دهی زئولیت ها، نیز موجب می شود تا خواص آنها تغییر پیدا کند. نوع و تعداد ناخالصی های موجود و شیوه ی تشکیل زئولیت ها، نیز بر روی خواص آنها، اثر دارد. بنابراین، برخی از زئولیت ها، ممکن است موجب رشد گیاهان شوند در حالی که برخی دیگر، کاربرد مناسبی در محیط های فیلتراسیون داشته باشند. امروزه، زئولیت ها، به طور قابل توجهی در کشورهای توسعه یافته مانند انگلیس، مورد بررسی قرار می گیرند. خواص زیر، در تعیین کاربرد صنعتی زئولیت، مهم می باشد:
1. ساختار تخلخلی: زئولیت به دلیل وجود ساختار میکروتخلخلی و وجود تخلخل های به هم پیوسته و در نتیجه وجود ساختار تونلی با ابعاد مولکولی، کاربردهای خاصی در صنایع مختلف، پیدا کرده است. این تخلخل ها و تونل های موجود در ساختار، می توانند بوسیله ی آب و انواع مختلف یون های باردار مانند سدیم، پتاسیم، کلسیم، منیزیم و ... پر شوند. قابلیت غربال گری منحصربفرد موجب می شود تا به این مواد، نام غربال های ملکولی و یا سرندهای ملکولی بگویند. اندازه ی ماکزیمم مربوط به مولکول و یون هایی که می توانند بوسیله ی این ساختارها، به دام افتند، بوسیله ی قطر این تونل ها، تعیین شود. این مسئله متداول است که این زئولیت ها، بر اساس اندازه ی حفراتشان، طبقه بندی شوند. برای مثال، زئولیت 8 حلقه، به معنای حلقه ی بسته ای است که 8 سیلیکون و یا اتم آلومنیوم و اکسیژن، به هم متصل شده و موجب تشکیل شکلی 4 وجهی شود. این حلقه ها، همواره مسطح هستند و تقارن هندسی دارند. بنابراین، در این ساختارها، باز بودن تمام این حفرات، یک چیز ایده آل، تلقی نمی شود. اندازه ی این تخلخل ها، بین 3 تا 10 آنگسترم می باشد.
2. ظرفیت تبادل یونی (CEC): حجم بزرگ میکروتخلخل ها، موجب می شود تا زئولیت ها، بتوانند فلزات واسطه ی باردار را به دام بیندازد. از آنجایی که این یون ها، بدون ایجاد پیوند شیمیایی، به دام می افتند، به سادگی، این یون ها، مبادله می شوند. نوع و میزان یون های در حال تبادل، موجب می شود تا یک زئولیت از نوع دیگر، متمایز باشد.
3. توان کاتالیست: زئولیت دارای قابلیت کاتالیست واکنش های شیمیایی را دارد که در حفرات داخلی این ماده رخ می دهد. یک طبقه بندی مهم از واکنش ها بوسیله ی زئولیت های تبادل گر هیدروژنی، کاتالیست می شوند. زئولیت ها می توانند به عنوان کاتالیست های اکسیداسیون یا احیاکننده نیز مورد استفاده قرار گیرند. تقویت تمام این واکنش ها، یک طبیعت منحصربفرد از زئولیت هاست. بنابراین، زئولیت ها را اغلب کاتالیست های انتخابی بر اساس شکل، می گویند. مساحت سطح بالای دیواره های تخلخل های ای نماده موجب می شود تا واکنش ها در زمانی انجام شود که یک پنجاهم زمان واقعی می باشد.
4. قابلیت جذب: ویژگی های انتخاب گری بر اساس شکل مربوط به زئولیت ها، همچنین دلیلی است برای این مورد که از این زئولیت ها در جاذب های مولکولی، استفاده می شود. قابلیت جذب ترجیحی برخی مولکول ها، و عدم جذب سایرین، موجب می شود تا یک گستره ی خاص از کاربردهای مربوط به غربال های مولکولی، ایجاد شود.
5. سختی: زئولیت ها سختی بالایی ندارند. سختی این ماده در حدود 3.5 تا 5.5 در مقیاس موهس می باشد.
6. وزن مخصوص: وزن مخصوص این ماده بین 2.0 تا 2.4 است.
استفاده ها و ویژگی ها
برای معدن کاری زئولیت ها، روش های معدن کاری روباز، مورد استفاده قرار می گیرد. مواد گانگ موجود در سطح زمین ابتدا خارج سازی می شود تا بدین صورت، به بخش اصلی معدن برسیم. این سنگ معدن ها، ممکن است بوسیله ی تراکتورهای خاصی که مجهز به پره های چاک دهنده هستند، انتقال یابند. در این فراوری، سنگ معدن ابتدا خردایش یافته، خشک می شود و سپس آسیاب می شود. خردایش و آسیاب کاری این ماده هزینه بر نیست زیرا سختی این ماده بالا نیست. سنگ معدن آسیاب شده، بوسیله ی بخش های طبقه بندی هوایی، طبقه بندی می شوند در حالی که محصولات خردایش یافته بر روی سرندهای عبور داده می شوند و ذرات ریز و گرانول های آن، جداسازی می شود. استفاده های مهم از زئولیت ها، به صورت زیر می باشد:
1. تصفیه ی ضایعات هسته ای
2. احیای خاک
3. پرورش گیاهان، باغبانی و جنگل داری
4. دام پروری
5. صنعت کاغذسازی
6. حرارت دهی و خنک سازی
7. خالص سازی نفت، گاز و مواد شیمیایی
8. تولید اکسیژن های مورد استفاده در پزشکی
9. ساختمان سازی
10. تولید مواد شوینده
11. تصفیه ی آب
12. پرورش ماهی و آبزیان
13. مواد زئوپونیک
14. عوامل کاتالیست
15. سنگ های زینتی
16. شیشه های ایده آل
17. جذب دی اکسید کربن (Carbon sequestration)
18. فرآروی چغندرقند
در ادامه در مورد این کاربردها، صحبت خواهیم کرد.
تصفیه ی ضایعات هسته ای
زئولیت ها می تواند به دو شیوه برای جداسازی ضایعات هسته، استفاده شوند:
1. چارچوب های آلومینوسیلیکاتی مربوط به زئولیت، دوام و مقاومت خوبی در برابر تابش های هسته ای دارند. علاوه بر این، وقتی مواد هسته ای در داخل این ساختار گیر می کنند، می توان آنها را پرس گرم کرد و به شکل توده های مستحکمی در آورد.
2. ظرفیت تبادل یونی بالا و بازده غربال گری در سطح میکروسکوپیک، موجب می شود تا زئولیت ها یک ماده ی جاذب خوب تلقی شود و بتوان بوسیله ی آن، برخی یون ها را جذب کرد. این ماده می تواند نقش مهمی در تصفیه ی ضایعات هسته ای داشته باشد.
احیای خاک
پتاسیم و نیتروژن دو عنصر از بین عناصر اصلی مورد نیاز برای رشد گیاهان می باشند. زئولیت ها، قابلیت تبادل یون پتاسیم را دارا می باشند. بنابراین، برای استفاده در کاربردهای مربوط به رشد گیاهان، مناسب می باشند. این در حالی است که آن دسته از زئولیت هایی که قابلیت تبادل سدیم را دارند، باید با دقت بیشتر مورد استفاده قرار گیرند زیرا سدیم موجود می تواند موجب افت کیفیت خاک شود. کلینوپتیلولیت که یک نوع زئولیت طبیعی است، برای احیای خاک، مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده منبعی از پتاسیم می باشد. این ماده در زمان های قدیم با آمونیاک مخلوط می شد و موجب رهاسازی نیتروژن نیز می شد. این مشاهده شده است که زئولیت های خاص، می توانند نیترات ها را کاهش دهند و موجب آزاد شدن نیتروژن شوند.
پرورش گیاهان، باغبانی و جنگل داری
زئولیت ها، می توانند به عنوان کندکننده ی جذب آب، مورد استفاده قرار گیرند. در واقع این زئولیت ها، می توانند به میزان 55 % وزن خود، آب جذب کنند و این آب را در زمان نیاز گیاه، رهاسازی کنند. این خاصیت موجب می شود تا از خشک شدن ریشه ی گیاهان جلوگیری شود. در یک آزمایش، یک خاک محتوی 12 % کلینوپتیلولیت توانست شبنم های صبح را جمع آوری کرده و این شبنم ها را در زمان مورد نیاز، به گیاه، باز گرداند. زئولیت به خاطر قابلیت جذب آب و ذخیره سازی آب، می تواند همچنین به عنوان محیط کشت در باغبانی هیدروپونیک مورد استفاده قرار گیرد. به دلیل قابلیت جذب آب، زئولیت ها می توانند به عنوان یک عامل جلوگیری کننده از جذب سزیم بوسیله ی گیاهان، مورد استفاده قرار گیرد.
دام پروری
افزودن یک درصد از کلینوپتیلولیت حاوی مقادیر سدیم اندک غذای دام، موجب می شود تا مزیت های خوبی ایجاد شود. این ماده موجب جذب یون های برخی عناصر از این غذای دام می شود و این عناصر را در زمان نیاز دام، آزاد سازی می کند. با این کار می توان فسفر را جذب و رهایش آن را کنترل کرد. کلینوپتیلولیت همچنین برای تمیزکاری محیط اطراف حیوانات مورد استفاده قرار می گیرد تا بدین صورت، آمونیاک موجود در خاک و همچنین سموم ایجاد شده بوسیله ی قارچ ها، را محدود کرد.
صنعت کاغذسازی
کلینوپتیلولیت میکرونیزه و با رنگ سفید در آمریکا، ژاپن و کشورهای دیگر در تولید کاغذ استفاده می شود. این ماده موجب افزایش استحکام کاغذ می شود. به دلیل ظرفیت جذب زئولیت، ذرات سطحی کاغذ به خوبی به این ماده می چسبند. استحکام چارچوب های آلومینوسیلیکاتی مربوط به این زئولیت موجب می شود تا کاغذ مستحکم تر شود.
حرارت دهی و خنک سازی
زئولیت ها، می توانند به عنوان جمع کننده ی نور خورشید و سردسازی، مورد استفاده قرار گیرند. در این کاربردها، جذب بالای حرارت و قابلیت جذب و دفع آب، موجب می شود تا پایداری ساختاری این مواد، حفظ گردد. این خاصیت جذب رطوبت به همراه خاصیت واکنش ذاتی گرمازا در زمان جذب و دفع آب، از جمله خاصیت های مهم این ماده و علت استفاده از آنها در این کاربرد، می باشد. به دلیل قبلیت جذب حرارت زئولیت، این ماده می تواند به عنوان عامل خنک کننده، نیز مورد استفاده قرار گیرد.
خالص سازی نفت، گاز و مواد شیمیایی
این اعتقاد وجود دارد که زئولیت ها، دارای پتانسیل جداسازی گازها می باشند. مثلا می توان از آنها در جداسازی گازهایی همچون دی اکسید کربن، دی اکسید گوگرد و آب، استفاده کرد. سایر موادی که می توان با این ماده جداسازی کرد، شامل گازهای نجیب، گاز نیتروژن، فرئون و ... می باشد. به هر حال، هم اکنون، این کار در مراحل تحقیقاتی می باشد. جذب آب این ماده موجب می شود تا کاتیون های باردار در داخل تخلخل های این ماده به دام افتند. این کاتیون ها، قرابت نزدیکی با رطوبت دارد و از این رو، از این ماده می توان برای جداسازی انتخابی ذرات باردار از مایعات و گازها، استفاده کرد. در اینجا، جذب انتخابی زئولیت ها نه تنها به اندازه و شکل تخلخل ها، وابسته است، بلکه همچنین به پلاریته ی آنها نیز وابسته است. به دلیل فاکتورهای گفته شده، زئولیت ها می توانند برای جداسازی یک گاز از گاز دیگر نیز استفاده شود. این کار در مورد جداسازی حلال های آلی از آب، نیز قابل انجام می باشد. در برخی موارد، مولکول های مختلفی به داخل زئولیت ها وارد می شوند و برخی از این مولکول ها، به سرعت از کانال های زئولیت، عبور می کنند و برخی دیگر، در داخل زئولیت باقی می مانند.
تولید اکسیژن های مورد استفاده در پزشکی
سیستم های تولید اکسیژن بر پایه ی زئولیت، به طور گسترده در تولید اکسیژن گرید پزشکی، استفاده می شوند. این زئولیت ها، به عنوان غربال های مولکولی مورد استفاده قرار می گیرند و بوسیله ی آنها، اکسیژن خالص سازی می شود. این فرایند شامل جذب گازهای ناخواسته و سایر اجزای اتمسفری است. به اکسیژن خالص، تا 5 % آرگون اضافه می شود.
ساختمان سازی
مخلوط های آسفالتی: در این کاربرد، قابلیت جذب و دفع آب و همچنین پایداری ساختاری و بوجود آمدن واکنش های گرمازا در زمان انتقال از حالت بدون آب به حالت آب دار، ویژگی های کلیدی محسوب می شوند. وقتی این ماده به آسفالت داغ افزوده می شود، یک واکنش گرمازا رخ می دهد و از این رو، میزان مصرف سوخت در طی تولید و آسفالت کاری سطح زمین، کاهش می یابد. توسعه ی این کاربرد در دهه ی 1990 و در آلمان، شروع شد.
سیمان پرتلند معمولی: وقتی این ماده به سیمان اضافه می شود، موجب کاهش نفودپذیری کلریدها می شود. این مسئله به دلیل خاصیت یون گزینی این ماده رخ می دهد. وزن مخصوص پایین این ماده نسبت به سیمان نیز موجب می شود تا وزن سیمان کاهش یابد. همچنین به دلیل خاصیت جذب و رهایش آهسته ی آب، میزان استحکام و کاربردپذیری بتن تولید شده با این سیمان نیز افزایش می یابد.
تولید مواد شوینده
زئولیت های حاوی سدیم به عنوان پودر شوینده و عامل نرم کننده ی آب، مورد استفاده قرار می گیرد. ظرفیت تبادل یونی این مواد موجب می شود تا یون های کلسیم و منیزیم از آب حذف شوند.
منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee