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.
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.
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:
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.
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:
На Холинском месторождении добываются натуральные цеолиты со слоистой структурой. Как правило, их применяют для сорбции и ионного обмена. Наиболее распространено применение в следующих сферах:
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.
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:
При этом способность удалять высокотоксичные элементы составляет почти 100%, медь, кобальт, марганец – до 98,2%, а бенз(а)пирен на 99,0%.