Холинские цеолиты - характеристики, свойства, минерала

На сегодняшний день в мире насчитывается свыше 1000 месторождений, где добывают и производят цеолит в промышленных масштабах. Наиболее распространен минерал в США, Турции, Италии, Японии и России. Однако, в зависимости от происхождения, молекулярное сито может иметь свои особенности. Одним из наиболее крупных мест обнаружения минералов в России является Холинское месторождение цеолитов.

Общее описание минерала

Цеолиты обладают открытой каркасной непрерывной структурой. Она включает в себя кислородные тетраэдры, в центре которых находится атом кремния или алюминия. Кислородные атомы взаимосвязаны с соседними тетраэдрами, что позволяет им создавать непрерывную кристаллическую структуру, образующую пространственный каркас. В результате этого цеолит можно представить в виде пространственного неорганического полимера, включающего в себя алюмосиликатные тетраэдры. Если заменить 4-х валентный кремний на 3-х валентный алюминий, то появится лишняя валентность. Чтобы компенсировать отрицательный заряд, тетраэдр начинает образовывать связи с катионами таких щелочных металлов, как калий, натрий, кальций, магний и т.п. Следующий уровень строения в цеолитах предполагает объединения тетраэдров в кольца по 4, 6, 8 и более тетраэдров. При этом объем поры в минерале составляет больше 50% объема всего кристалла. Их эффективный диаметр достигает 0,26-0,8 нм. Поры заполняются молекулами цеолитной воды.

Наибольший поглотительный эффект имеют высококремнистые цеолиты, где есть высокий показатель отношения кремния к алюминию. Если увеличить это соотношение, то вырастет и пористость с дальнейшим ростом диаметра входных окон.

Холинское месторождение: особенности цеолитов

Наибольшая практическая сырьевая польза есть у клиноптилолитов. В России в большей степени они встречаются на Холинском месторождении. Здесь обнаружено четыре пластообразных залежей цеолитизированных пород. При этом, залегание является пологим, а содержание цеолита невыдержанным (порядка 10-60%). Мощность залежей составляет от одного до ста пятидесяти метров. Согласно прогнозам, касаемо ресурсов месторождения с содержанием клиноптилолитов свыше 50%, оценка составляет 650 млн. тонн.

Холинские цеолиты имеют следующую формулу:

Na₆(AlO₂)₆(SiO₂)₃₀×24H₂O

В таблице 1 указан оксидный состав цеолитного минерального сырья из Холинского месторождения (P=0.95)

Таблица 1. Процентное содержание оксидов в цеолитах Холинского месторождения

Наименование оксида	Процент содержания в минерале, %
Диоксид кремния, SiO₂	65,6±0,16
Оксид алюминия, Al₂O₃	12,23±0,05
Оксид калия, K₂O	4,14±0,01
Вода, H₂O	3,82±0,01
Оксид кальция, CaO	2,07±0,13
Оксид натрия, Na₂O	1,9±0,01
Оксид железа (III), Fe₂O₃	1,25±0,05
Оксид магния, MnO	0,14±0,01
Оксид титана, TiO₂	0,07±0,01
Оксид железа (II), FeO	0,06±0,01
Сера, S	0,01±0,01
Оксид фосфора (V), P₂O₅	0.04±0.01
Остальные примеси	8,03±0,05

Исходя из данных энергодисперсионной спектроскопии, ученые выяснили, что при распределении алюминия, кремния, кислорода, натрия, калия, кальция и железа по площади участка основного объема породы, наблюдается более высокое содержание элементов алюмо-кремне-кислородного тетраэдра минералов: кислорода, алюминия, кремния. Повышенное содержание калия и натрия говорит о наличии щелочного состава катионного обменного комплекса. Также в горной породе были обнаружены следующие элементы:

Железо;
Магний;
Марганец;
Молибден;
Никель;
Медь;
Титан;
Ванадий;
Цинк.

При этом исследование показало, что в составе цеолитов Холинского месторождения содержание токсичных элементов, таких как свинец, кадмий, мышьяк, ртуть, в пределах максимально допустимого уровня по техническим условиям. За счет наличия катионного процесса клиноптилолит может проводить сорбционные ионообменные свойства. Благодаря этому происходит легкая замена катионов щелочных металлов, на другие катионы металлов.

Сорбционные свойства холинских цеолитов

Благодаря составу и структура определяются сорбционные характеристики минерала (P=0,95). Они отображены в таблице 2 ниже.

Таблица 2. Сорбционные характеристики цеолитов холинского происхождения

Характеристика	Показатель
Общий объем пор по максимальному насыщению N₃, см³/г	0,0677±0,0040
Объем микропор, см³/г	0,0031±0,0030
Удельная поверхность, м²/г	29,1840±0,8000
Поверхность микропор, м²/г	6,2139±0,0005
Среднее значение радиуса пор (по объему), мкм	03617±0,0005
Среднее значение радиуса пор (по поверхности), мкм	0,0026±0,0005
Эквивалентный радиус пор, А	91,5158±0,0004
Пористость, %	40,8704±0,8000
Объем мезопор по N₂, см³/г	0,0675±0,0040

Из представленной таблицы видно, что у клиноптилолита микропоры составляют 0,0031 см³/г по объему, а мезопоры – 0,0675 см³/г. Это говорит о том, что минерал обладает высокой удельной поверхности и его многофункциональной сорбционной активности.

Проведя анализ сорбционных характеристик минерала, обнаружено ряд его особенностей:

Поры занимают 50% всего объема породы.
Они доступны для сорбции воды, а также веществ низкомолекулярного типа.
Поры по 3-м взаимно перпендикулярным направлениям объединяется с соседними благодаря «окнам».
Происходит образование целой системы внутрикристаллической пор с полостями.
В них происходит процесс окклюзии и адсорбции молекул соответствующих размеров.

Применение холинских цеолитов

На Холинском месторождении добываются натуральные цеолиты со слоистой структурой. Как правило, их применяют для сорбции и ионного обмена. Наиболее распространено применение в следующих сферах:

На подготовительных работах, которые выполняются с водой в теплоэнергетической области.
Для очистки и доочистки вод.
На предварительных этапах ионообменного очищения веществ.
В промышленных и хозяйственно-питьевых системах, где происходит обработка и подача воды.
В биологической доочистке сточных городских вод.
При повышении качества проведенной очистки.
Для снижения нагрузок на используемое оборудование.
При увеличении срока работы сооружений, направленных на очистку вод.

Сфера применения цеолитов холинского происхождения достаточно обширна. Они используются не только в промышленных масштабах, но и бытовых нуждах. Для этого цеолиты добавляют в специальные фильтры.

Холинские цеолиты для очистки воды

Цеолиты холинского месторождения являются универсальными сорбентами. Проводились исследования по гигиенической эффективности минерала на предмет очистки всех загрязнителей природных вод: тяжелые металлы, азотосодержащие вещества, бенз(а)пирен, радионуклиды и т.д.

В ходе исследований было выявлено, что данные цеолиты не только улучшают гигиенические характеристики питьевой воды, но и способствуют ее обогащению на микроэлементы и макроэлементы:

Вода обогащается кремнием, натрием и другими полезными элементами.
В жидкости снижается содержание нитратов, алюминия и ионов аммония.
Полностью удаляются токсичные вещества, как титан никель, свинец и другие тяжелые металлы.
Снижается жесткость жидкости и уровень щелочности.

При этом способность удалять высокотоксичные элементы составляет почти 100%, медь, кобальт, марганец – до 98,2%, а бенз(а)пирен на 99,0%.