Обеспечить качественную очистку воды, газов и других веществ, путем «отсекания» одних соединений и пропуска других может только молекулярное сито. В природе наиболее эффективным является минерал вулканической породы – цеолит. Он представляет собой алюмосиликат с тетраэдальной кристаллической решеткой. Отличительная черта – наличие равнозначных пор от 3 до 10 А. Благодаря чему молекулярные сита цеолиты способны удерживать одни вещества и пропускать другие.
На сегодняшний день в природе выделяют более 30 различных видов цеолитов. Это водные алюмосиликаты, состоящие из кремния, натрия, кальция и других оксидов металла. В природе цеолиты образуются в результате сложного геохимического процесса на протяжении огромного периода времени. Благодаря долгому процессу создания у минерала появляется способность к ионному обмену. Это обеспечивается за счет взаимодействия вулканической породы с подземными водами, в чьих составе присутствуют соли. Таким образом в цеолите встречаются ионы металлов, анионы кремниевых кислот, а также водные молекулы.
Выделяют 3 главных группы минерала природного происхождения:
Общая химическая формула минерала представлена в следующем виде:
Mx/n(AlO2)x x (SiO2)y x zH2O, где:
M – катионы, имеющие валентность n (например, Na+, Ca+ b и т.д.);
z – молекулы воды;
соотношение x/y меняется до 5, исходя из происхождения цеолита.
Главной особенностью природных цеолитов является способность к адсорбции. Ее обнаружили в 30-х годах прошлого века Вейгель вместе с Штейнгофом. Они при исследовании шабазита заметили, что цеолиты могут легко адсорбировать легкие вещества, отсекая при этом тяжелые. Уголь и силикагель в условиях обезвоживания выполнить подобного не могут. В те же года Мак Бен выдвинул предположение о прямой взаимосвязи размера канала с адсорбционными свойствами.
В последствии было выяснено, что особенность адсорбции, в первую очередь, зависит от построения кристаллов в минерале. Так в SiO2 и силикатах все атомы вещества взаимосвязаны с 4-мя атомами O2, которые располагаются на вершинах кристаллической решетки. В результате этого атомы благодаря кислородному мостику создают сложные анионы. Они представляет собой длинную цепочку. При этом в алюмосиликате 3-х зарядные ионы A1 замещают 4-х зарядные ионы кремния. Компенсируется лишний заряд благодаря эквивалентному по заряду иону метала. Таким образом в природном цеолите ионы натрия легко замещаются ионами кальция:
4Na+→2Ca++
Тетраэдры создают структуру в виде сот. При этом их формы наиболее похожи на шарообразные полости с молекулярными размерами, которые связываются между собой с помощью узких пор. Стенки образуются из ионов Si и других элементов. Поры способны занимать 50% объема кристаллов. При этом все они по 3-м перпендикулярным направлениям объединяется с другим благодаря отверстиям. На основе происхождения минерала и веществ, из которых он состоит, образуется форма и размер пор. К примеру 1 г шабазита состоит из 3*1020 полостей. Больше всего длина поперечного сечения встречается у полости 11,4 А с диаметром окна 4,5 А. При обезвоживании шабазита и последующем помещении его в водную среду, минерал способен поглотить 24 молекулы H2O.
Водные и ионные молекулы, которые могут проводить обмен, располагаются внутри пор, а не на вершинах тетраэдра. Благодаря этому они способны через них «проходить». Данная структура обеспечивает обратимый процесс гидратации/дегидратации, а также сам ионный обмен. Благодаря жесткому кристаллической структуре минерала при его активации, проводимой с выводом из состава воды, не разрушается сам тетраэдр. При потере жидкости цеолит может снова отделять воду или поглощать иные вещества. При этом цеолит не набухает при высокой влажности, что дает ему преимущество в ионообменных процессах.
На сегодняшний день было доказано, что адсорбция в минерале не только физическое явление, но и обладает идеальной обратимостью. Исходя из размеров и форм, цеолиты могут поглощать определенные вещества. Однако в природе чистого минерала определенного вида не найти. Все цеолиты представлены в виде смеси. Поэтому в промышленности начали синтезировать виды минерала искусственным путем для получения определенных характеристик.
Синтетические минералы такие как NaX, NaA и т.д. отличаются идеальной однородностью, одинаковыми порами, которые не изменяются. При этом они обладают:
Цеолиты используются в стандартных системах адсорбции со стабильным слоем адсорбентного вещества. При этом периодически проводится регенерация минерала с помощью процесса обжига.
Зачастую систему делают минимум из 2-х адсорбентов, один для применения в цикле осушения или очищения жидкостей, а второй для регенерации. Тепло образуется в специальных нагревателях, где проводится нагревание продувочного газа, применяемого для нагрева использованного минерала. Также часто используются схемы с обогревательным оборудованием, которое размещают прямо в адсорбенте.
Во время осушения обводненных масел, например, трансформаторному, во время восстановления цеолита, чтобы удалить масла из пор применяют несколько методов: отмывка в растворителях, путем выжига или отдувки водяным парам.
Цеолиты, применяемые в качестве молекулярных сит, разделяют по типу кристаллической структуры. Всего их 3 вида:
Каждый из них имеет свои особенности: размеры и сферу применения. Ниже приведем более подробную информацию.
В цеолитах типа А находится 2 вида пустот: малые, которые располагаются в альфа полостях (они доступны исключительно для маленьких молекул воды) и большие, которые располагаются в бета-полостях (они доступны таким газам, как аргон, кислород или азот). При этом свободный объем, который приходится на простую ячейку минерала составляет 926А3. В таблице представлена общая характеристика.
|
Цеолит, |
Адсорбат |
t, ℃ |
Vp, см3/г |
V’p, A3/э.я. |
|---|---|---|---|---|
|
Na12(A) x 24H2o |
H2O |
25 |
0,289 |
842 |
|
C2O |
-75 |
0,252 |
725 |
|
|
O2 |
-183 |
0,213 |
612 |
|
|
Ca6(A) x 30H2O |
H2O |
25 |
0,305 |
885 |
|
O2 |
-183 |
0,242 |
700 |
|
|
Ar |
-183 |
0,261 |
738 |
|
|
N2 |
-196 |
0,297 |
857 |
|
|
n-бутан |
25 |
0,226 |
655 |
Цеолиты типа А бывают нескольких видов:
Данный тип цеолитов объем пор имеет порядка 7908 А3 на простую ячейку (определяется по воде). Большая часть адсорбатов (исключение – в ода) способны заполнить исключительно крупные полости. Общий объем пор исходя из адсорбции аргона или кислорода может достигать 6700 А3 на простую ячейку. Порядка 1200 А3 объема задействуется под воду. При этом каждая 26-гранная пора в минерале равна 822 А3.
Тип X также бывает следующих форм:
В зависимости от типа искусственных цеолитов их применяют для различных целей:
Отметим, что нередко цеолиты типа 13X применяются в тех же сферах, что и искусственные минералы типа 5A. При этом стоит отметить, что молекулярные сита обладают относительной стабильностью как в различных химических средах, так и при широком диапазоне температур. К примеру, для предварительной активности, цеолит могут нагревать до 700℃.
8 (812) 945-55-64