برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۵/۱۱ تا ۱۳۹۹/۰۵/۱۷

آمار مقاله
  • بازدید کل ۷۲۸
  • بازدید این ماه ۳۷
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۲
  • قبول شدگان ۳۳
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۴
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

منابع دهمین مسابقه ملی فناوری نانو

طرح درس

دهمین مسابقه ملی نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانوزئولیت؛ ویژگی‌ها و کاربردها

نانوزئولیت یک آلومیناسیلیکات کریستاله طبیعی بوده و جزء کانی‌های غالب در سنگ‌های رسوبی می‌شود. این کانی، شاخص ارزشمندی در سنگ‌های رسوبی محسوب می‌شود. تاکنون حدود 40 نوع زئولیت طبیعی توسط محققان بررسی شده است که از معروف‌ترین آنها می‌توان به clinoptilolite، chabazite، erionite، heulandite، mordenite stilbite  و phillipsite اشاره کرد. نانوزئولیت‌ها ساختار‌های سه بعدی از تخلخل‌ها و منافذ داخلی هستند. این منافذ به وسیله کاتیون‌ها و مولکول‌های آب اشغال شده‌اند و وجود آنها برای ایجاد تعادل بار الکتریکی واحدهای تتراهدرال آلومینیوم و سیلیسیوم مورد نیاز است. افزایش سطح داخلی منافذ، تأثیر چشمگیری بر انجام واکنش‌های تبادل کاتیونی دارد. عدم تعادل بار زمانی به وجود می‌آید که آلومینیوم در ساختار نانوزئولیت وجود نداشته باشد. همین امر می‌تواند خصوصیات تبادل یون زئولیت را تعیین و موجب تحریک پتانسیل اسیدی مکان‌های یونی ‌شود. نسبت Si/Al در ساختار زئولیت‌ها با میزان نسبی کاتیون رابطه عکس و با پایداری دمایی نسبت مستقیم دارد. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌ها، در کنار فراوانی آنها در سنگ‌های رسوبی و مواد آتشفشانی، کاربرد این مواد را در بخش کشاورزی افزایش داده است. نانوزئولیت‌ها به دلیل تخلخل‌های بسیار ریز، ظرفیت کاتیونی بالا، و خاصیت تبادل یونی، به یک ماده ارزشمند در حوزه مهندسی کشاورزی و محیط زیست تبدیل شده است و امروزه به منظور افزایش بازده محصولات کشاورزی و بهبود کارایی مواد غذایی، و نیز به عنوان جاذبی برای حذف فلزات سنگین از آب و پساب، و حامل کودها، حشره‌کش‌ها، قارچ‌کش‌ها و علف‌کش‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

1- مقدمه

با افزایش جمعیت کره زمین، کاهش منابع طبیعی، و کاهش کیفیت و کمیت منابع مبتنی بر خاک، امنیت جهانی مواد غذایی به خطر افتاده است. مطالعات نشان می‌دهند که تجزیه و تخریب منابع خاکی، نتیجه تهی شدن ذخایر (عناصر مغذی) موجود در خاک، کاهش ذخیره کربن آلی، و ورود فلزات سنگین و سایر آلاینده‌ها به خاک است. حذف پیوسته مواد مغذی از خاک بدون تامین دوباره آن، حاصلخیزی خاک را کاهش می‌دهد؛ پدیده خطرناکی که با کارایی پایین اصلاح‌کننده‌ها (مخصوصاً کودهای شیمیایی و آب) تشدید می‌شود. به همین دلیل است که استفاده از نانوزئولیت‌ها برای مدیریت حاصلخیزی خاک در حوزه کشاورزی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. نانوزئولیت‌ها، آلومینوسیلیکات‌های کریستاله‌ای هستند که در سنگ‌های رسوبی و سنگ‌های آتشفشانی گزارش شده‌اند و در سنگ‌شناسی به‌عنوان شاخص با ارزشی برای محیط‌های رسوبی و ژنتیکی سنگ‌های اصلی مورد توجه قرار دارند. این مواد تکتوسیلیکات‌هایی (Tectosilicates) با یک ساختار سه بعدی باز بوده و از کاتیون‌هایی برای ایجاد تعادل بار الکتروستاتیک ساختار سیلیکا (SiO2)، آلومین تتراهدرال، و آب تشکیل شده‌اند. اتصالات مختلف سیلیکا و آلومین چهاروجهی منجر به تشکیل یک ساختار سه بعدی با منافذ و فضاهای خالی در مقیاس مولکولی می‌شود؛ به طوری که این فضاهای خالی توسط کاتیون‌ها و مولکول‌های آب اشغال می‌شوند. ساختار شیمیایی نانوزئولیت‌ها می‌تواند با اعمال حرارت و یا تبادل یون و آب تغییر کند. از دیگر خواص فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌ها می‌توان به حجم بالای فضای خالی، توانایی غربالگری مولکولی (Molecular Sieving) عالی، و ظرفیت تبادل کاتیونی بالا اشاره کرد. اگرچه رس‌ها و نانوزئولیت‌ها هر دو جزء مواد آلومینوسیلیکاتی به شمار می‌روند، اما ساختار آنها با یکدیگر متفاوت است. رس‌ها به‌راحتی به ذرات کوچک یا کلوئید‌های خاک شکسته می‌شوند ولی نانوزئولیت‌ها ساختارهای سه بعدی سختی دارند که حتی می‌توانند در برابر تحرکات مولکولی نیز مقاوم باشند. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌ها، در کنار فراوانی آنها در سنگ‌های رسوبی و مواد آتشفشانی، کاربرد این مواد را در بخش کشاورزی افزایش داده است.

 

2- تشکیل نانوزئولیت‌ها

نانوزئولیت‌ها از واکنش سنگ‌های آتشفشانی و لایه‌های خاکستر با آب‌های قلیایی زیرزمینی به وجود می‌آیند. این مواد در محیط‌های رسوبی در طول دوره‌هایی از هزار تا میلیون‌ها سال، در دریاچه‌های کم عمق بازی کریستاله می‌شوند. نانوزئولیت‌ها را می‌توان بر اساس مورفولوژی، ساختار کریستالی، ترکیب شیمیایی، قطر مؤثر تخلخل‌ها، و نحوه تشکیل آنها دسته‌بندی کرد. یکی از ویژگی‌های تعیین‌کننده نانوزئولیت‌ها، نسبت Si/Al است. این نسبت در اثر عدم تعادل بار ناشی از حضور آلومینیوم در ساختار نانوزئولیت‌ها تغییر می‌کند و پارامترهای تبادل یونی این مواد را تحت تاثیر قرار می‌دهد. نسبت Si/Al در ساختار زئولیت‌ها با میزان نسبی کاتیون رابطه عکس و با پایداری دمایی نسبت مستقیم دارد. این مواد براساس نسبت سیلیکا به آلومین به چند دسته کلی زیر تقسیم می‌شوند:

·         نانوزئولیت‌هایی با نسبت پایین Si/Al (1.5-1)

·         نانوزئولیت‌هایی با نسبت متوسط Si/Al (5-2)

·         نانوزئولیت‌هایی با نسبت بالای Si/Al بالا (چندین هزار-10)

زئولیت‌ها بر اساس قطر تخلخل‌ها به انواع مختلف تقسیم‌‌بندی می‌شوند: (الف) زئولیت‌هایی با حفرات ریز، (ب) زئولیت‌هایی با حفرات متوسط، (ج) زئولیت‌هایی با حفرات بزرگ، و (د) زئولیت‌هایی با حفرات بسیار ریز. جدول 1 مهم‌ترین خواص فیزیکی و هندسی این ساختارها (شامل قطر حفرات) را به همراه چندین مثال تجاری را نشان می‌دهد. چند نوع طبقه‌بندی دیگر نیز برای زئولیت‌ها ارائه شده است: (1) طبقه‌بندی بر اساس شکل بلور (بلورهای رشته‌ای، ستونی و مختلط)، (2) طبقه‌بندی براساس منشأ شکل‌گیری زئولیت‌ها (انواع رسوبی و آتشفشانی)، و (3) طبقه‌بندی براساس خواص اسیدی یا بازی. با اینکه اکثر گونه‌های طبیعی نانوزئولیت‌های موجود در جهان از نوع آتشفشانی هستند، نانوزئولیت‌های موجود در ایران اغلب از نوع رسوبی می‌باشند.

 

جدول 1- ابعاد هندسی حفرات در انواع زئولیت‌ها

اندازه حفرات (برحسب آنگستروم) تعریف نمونه‌های تجاری قطر حفرات (برحسب آنگستروم)
بزرگتر از 500 ماکرومتخلخل - -
500-20 مزومتخلخل MCM-41 100-15
کوچکتر از 20 میکرومتخلخل    
حفرات بسیار بزرگ Cloverite 3.2*6
  VPI-5 12.1
  AlPO4-8 8.7*7.9
حفرات بزرگ Faujasite 7.9
  AlPO4-5 7.3
  ZSM-12 5.9*5.5
  ZSM-48 5.6*5.3
  ZSM-5 5.6*5.3
حفرات کوچک CaA 4.2
  SAPO-34 4.3

 

3- ساختار نانوزئولیت‌ها

همانطور که پیشتر نیز گفته شد، زئولیت‌ها آلومینوسیلیکات کریستالی هستند که از عناصر گروه IA و IIA  جدول تناوبی مانند سدیم، پتاسیم، منیزیم و کلسیم تشکیل شده‌اند. در حالت کلی، این مواد ترکیب شیمیایی زیر را دارند:

در عبارت فوق،n  بار کاتیون، y ضریبی بین 2 و بی‌نهایت، و w آب موجود در داخل حفره‌های زئولیت است. کلیه ساختارهای زئولیتی، از آرایش سه بعدی چهاروجهی‌هایTO4   در کنار یکدیگر تشکیل می‌شوند. در این سلول واحد، T می‌تواند +Si4 یا +Al3 باشد. این سلول‌ها می‌توانند با به‌اشتراک‌گذاشتن اتم‌های اکسیژن خود به یکدیگر بچسبند و شبکه‌هایی با ابعاد بی‌نهایت را به وجود آورند (شکل 1). حضور اتم‌های سه ظرفیتی +Al3، جمعیتی از بارهای منفی را در ساختار زئولیت تولید می‌کند. این بارهای منفی می‌توانند با قرار گرفتن اتم‌های پنج ظرفیتی مانند +P5 در همسایگی خود یا با حضور گونه‌های کاتیونی در داخل حفره‌های ساختار خنثی شوند و خاصیت تبادل کاتیونی را در زئولیت به وجود آورند. از طرف دیگر، حفرات موجود در ساختار بلوری زئولیت‌ها علاوه بر کاتیون‌ها، حاوی آب یا مولکول‌های آلی (یا نمک‌ها) هستند. برای نمونه، حذف آب یا مواد آلی با گرم کردن این مواد موجب تشکیل یک ساختار متخلخل و منظم در ابعاد مولکولی می‌شود؛ ساختاری که مسئول ایجاد خاصیت جذب در زئولیت‌ها است.

ساختار زئولیت‌ها، جزء سیستم‌های ایستاتیکی به شمار نمی‌روند. به عبارت دیگر، پارامترهای مختلفی وجود دارد که می‌توانند تقارن ساختار زئولیت‌ را با تغییر زاویه پیوند و طول پیوندها تغییر دهد. از مهم‌ترین این پارامترها می‌توان به دما، فشار، مولکول‌های جذب شده، یا گونه‌های کاتیون موجود در ساختار بلوری اشاره کرد. ساختار زئولیت‌ها همواره متناسب با تغییر شرایط، به مطلوب‌ترین آرایش ممکن تغییر می‌یابد.

 

شکل 1- انواع سلول‌های واحد تشکیل دهنده زئولیت‌ها.

 

اگرچه برخی ادعا می‌کنند که اولین سنتز زئولیت در اوایل قرن نوزدهم انجام شده، اما اولین سنتز زئولیت با خصوصیات قابل اعتماد توسط Barrer در اوایل دهه 1940 گزارش شده است. بعدها توسعه روش‌های سنتز منجر به تولید انواع مختلف ساختارهای سنتزی زئولیتی شد. برای نمونه، زئولیت نوع A به عنوان اولین ساختار زئولیتی و بدون استفاده از مواد معدنی طبیعی سنتز و مورد استفاده قرار گرفت. مطالعات سیستماتیک بعدی منجر به تهیه بسیاری از گونه‌های زئولیتی با ساختارهای بلوری مختلف، ترکیبات شیمیایی متنوع و صفحات کریستالی خاص شد.

متداول‌ترین روش سنتز زئولیت، تهیه یک ژل ناهمگن است که از ترکیب یک منبع سیلیکایی و یک منبع آلومینایی در محیط آبی و تحت یک pH بازی به دست می‌آید. مواد افزودنی مختلفی نیز به ژل اضافه می‌شود. این مواد شامل کاتیون‌های قلیایی یا قلیایی خاکی (به فرم اکسیدها، هیدروکسیدها یا نمک‌های آنها افزوده می‌شود) یا آمونیاک (به فرم نمک‌های آمونیوم، آلکلامین‌ها و ترکیبات آلکیل‌آمونیوم (alkylammonium) اضافه می‌شود) هستند. علاوه بر ترکیب شیمیایی مخلوط‌های واکنش، دو متغیر اصلی دیگر شکل‌گیری زئولیت را کنترل می‌کنند: دما و زمان. می‌توان اثر تغییر این پارامترها بر سنتز زئولیت را از طریق منحنی‌های تبلور (مقدار زئولیت تولید شده برحسب زمان) مطالعه نمود. منحنی تبلور (crystallization curve) معمولاً با استفاده از الگوهای XRD مربوط به نمونه‌های سنتزی در زمان‌های مختلف واکنش رسم می‌شود.


4- مشخصات کلی نانوزئولیت‌ها

اکثر مواد زئولیتی ظاهر سفید رنگی دارند. با این حال، بعضی از آنها که حاوی مقادیر جزئی یا کم آهن هستند، به صورت زرد کم رنگ یا قهوه‌ای مایل به قرمز دیده می‌شوند. به طور کلی، اگر زئولیت سیلیسیوم بیشتری داشته باشد، در مقابل اسید پایدارتر خواهد بود. از بارزترین خواص نانوزئولیت‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

-         درجه بالای آب‌دار شدن

-         وجود فضاهای خالی بسیار زیاد

-         حفظ پایداری ساختاری موقع از دست دادن آب در اکثر موارد

-         داشتن خاصیت تبادل کاتیونی

-         داشتن کانال‌های یکنواخت از نظر مولکولی و اندازه در شرایط دهیدراته

-         داشتن خواص کاتالیستی، جذب، و تبادل یونی

خاصیت تبادل کاتیونی، از مهمترین خصوصیات نانوزئولیت محسوب می‌شود. کاتیون‌های قابل تبادل یک نانوزئولیت کاتیون‌هایی هستند که با پیوند بسیار ضعیف، به چهارچوب چهار وجهی آن متصل شده‌اند اما به آسانی می‌توانند با شسته شدن زئولیت توسط یک محلول قوی حاوی یک کاتیون دیگر، از ساختار خارج شده و دستخوش انتقال شود. زئولیت‌ها به دلیل سطح ویژه بالا به عنوان جاذب نیز عمل می‌کنند.

در عمل، رفتار تبادل یونی یک نانوزئولیت به عوامل دیگری نیز بستگی دارد که از مهم‌ترین آنها می‌توان به غیریکنواخت بودن ابعاد کانال‌ها، اندازه و شکل یون‌ها، تراکم بار الکتریکی در کانال‌ها و حفره‌ها، ظرفیت بار منفی، ترکیب شیمیایی و غلظت محلول مورد استفاده اشاره کرد.

 

5- خواص فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌ها

توانایی تبادل یونی (ion exchange)، جذب سطحی (sorption) و نفوذ (diffusion) از مهم‌ترین خواص مواد میکرومتخلخل به شمار می‌رود. از آنجایی‌که زئولیت‌ها حاوی کاتیون هستند و بارهای منفی ساختار را جبران می‌کنند، این کاتیون‌ها می‌توانند به صورت جزئی یا کامل با محلول پیرامون خود مبادله شوند. با توجه به اینکه حفرات و کانال‌های موجود در ساختارهای زئولیتی، در ابعاد مولکولی هستند، این مواد می‌توانند خاصیت غربالگری مولکولی از خود نشان دهند؛ بدین معنی که اجازه می‌دهند مولکول‌های خاصی که ابعاد آنها کوچکتر از حفرات هستند وارد ساختار شوند اما ملکول‌هایی که اندازه‌های بزرگتری دارند قادر به نفود نباشند. به محض اینکه ملکول‌ها یا یون‌ها به جداره داخلی حفرات جذب شوند، بایستی در امتداد کانال‌ها و حفره‌ها نفود کنند تا به یک محل مناسب جذب یا محل کاتالیزوری برسند.

خاصیت انتخاب‌پذیری یون‌ها در ساختارهای زئولیتی فقط به اندازه کانال‌های موجود بستگی ندارد، بلکه می‌تواند از خاصیت آبگریزی یا آبدوستی ماده نیز تاثیر بپذیرد. برای نمونه، ساختار زئولیت X با بار الکتریکی منفی (با نسبت Si/Al بین 1 تا 1.5) کاتیون‌های کوچکتر را به ترتیب زیر ترجیح می‌دهد:

+Na+ > K+ > Rb+ > Cs+ > Li

 

این در حالی است که زئولیت نوع Y با بار آنیونی کم (Si / Al = 1.5-3) ترجیح می‌دهد کاتیون‌های بزرگتر را با ترتیب زیر در ساختار خود بپذیرد:

+Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > Li

 

6- خواص و کاربردهای اصلی زئولیت‌ها

همانطور که پیشتر نیز گفته شد، ساختار و ترکیب زئولیت‌ها خواستگاه ویژگی‌های بارز این مواد و توسعه کاربردهای صنعتی آنها به شمار می‌رود. کاربردهای تجاری زئولیت‌ها، از جنبه‌های مختلف شیمی زئولیت بهره می‌برند. برای نمونه: (1) زئولیت‌ها به‌عنوان تبادل‌گرهای یونی، تحرک کاتیون‌های خارج از ساختار (nonframework cations) را به طور قابل ملاحظه‌ای تسهیل می‌کنند؛ (2) زئولیت‌ها به عنوان جاذب و غربال مولکولی، میکروتخلخل‌هایی با ابعاد کنترل شده و سطوح هیدروفیلیک یا آبدوست فراهم می‌کنند؛ و (3) زئولیت‌ها به‌عنوان کاتالیز می‌توانند مکان‌های بسیار فعالی را برای واکنش‌های شیمیایی انتخابی فراهم کنند و از این طریق راه را برای کنترل محصولات واکنش هموار نمایند.  

 

1-6- خاصیت تبادل یونی

ساختار کلی زئولیت‌ها دارای بار منفی است و این بار منفی توسط کاتیون‌هایی که در داخل کانال‌ها و حفره‌های زئولیت قرار می‌گیرند، جبران یا خنثی می‌شود. این یون‌ها در همسایگی یون‌های اکسیژنی قرار دارند که دیواره حفره‌ها را تشکیل می‌دهند. بخشی از آب موجود در ساختار زئولیت نیز در مجاورت این یون‌های فلزی قرار دارند. ساختار باز زئولیت و نیروهای بین اتمی نسبتاً ضعیفی که بین چهارچوب کلی این ماده و یون‌های مخالف (counter ions) وجود دارند، تبادل سایر کاتیون‌ها با ساختار زئولیت‌ را تسهیل می‌کند.

بارزترین تفاوت بین تبادل‌گرهای یونی پایه زئولیت و رزین‌های تبادل یونی شدیداً اسیدی (مانند رزین‌های پایه اسید سولفونیک)، انتخاب‌پذیری کاتیونی بسیار بالای آنها است. به طور کلی، یک رزین تبادل یونی آلی اغلب تمایل شیمیایی بالاتری به یون‌های با بار الکتریکی زیاد از خود نشان می‌دهد تا یون‌هایی با بار الکتریکی کم؛ این حقیقت در مورد زئولیت‌ها کاملاً برعکس است. در مقایسه با زئولیت‌ها، رزین‌های تبادل یونی در جداسازی و جذب یون‌های فلزی براساس اندازه آنها نسبتاً ضعیف هستند. در جدول 2 برخی از خواص زئولیت‌ها و رزین‌های تبادل یونی مورد مقایسه قرار گرفته است. به نظر می‌رسد دلیل اینکه زئولیت‌ها با دقت بسیار بالایی می‌توانند یون‌های فلزی را براساس اندازه آنها جداسازی و جذب کنند به ابعاد بسیار دقیق کانال‌های موجود در ساختار آنها برمی‌گردد به طوری که اگر یونی بخواهد توسط زئولیت جذب شود باید بتواند از کانال عبور کند. تنوع گسترده در ساختارهای زئولیتی این امکان را فراهم آورده است که بتوان آنها را برای یک فرآیند جداسازی خاص مبتنی بر تبادل یونی دستکاری و بهینه کرد.

بیشترین کاربرد تبادل‌گرهای یونی پایه زئولیت، استفاده به‌عنوان جاذب در مواد شوینده با غلظت پایین فسفات است. در این شرایط، از زئولیت A، برای جایگزینی جزئی سدیم‌تری‌پلی‌فسفات و مواد نرم‌کننده آب استفاده می‌شود. این جاذب‌ها در حوزه‌های کشاورزی و تصفیه برخی از فاضلاب‌ها نیز به کار می‌روند. از خصوصیات تبادل یونی زئولیت‌ها در فناوری‌های هسته‌ای برای حذف انتخابی ایزوتوپ‌های رادیواکتیو Sr90 و Cs137 از محلول‌های حاوی پسماند‌های رادیواکتیو استفاده می‌شود. می‌‌توان از توانایی تبادل یونی زئولیت‌ها استفاده کرد و یون‌های فلزی خاصی را به ساختار این مواد اضافه نمود تا از آنها برای کاربردهای کاتالیزوری بهره برد.

 

جدول 2- مقایسه‌ای بین خواص اصلی زئولیت‌ها و رزین‌های تبادل یونی آلی

ویژگی رزین‌های تبادل یونی آلی زئولیت‌ها
ظرفیت تبادل یونی 5meq/g 1-6meq/g
انتخاب‌پذیری +++Me+<Me++<Me ++Me+++<Me+،Me
نرخ تبادل یون بالا عموماً بالا
pH کل محدوده pH

pH>3

(بسیاری از زئولیت‌ها در محیط‌های اسیدی حل می‌شوند)


 

2-6- خاصیت جذب

هنگامی که دو فاز غیرقابل امتزاج (جامد-گاز یا جامد-مایع) در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، غلظت گاز یا مایع در فصل‌مشترک دو فاز معمولاً بیشتر از مقدار آن در حجم کلی فاز مایع است. به «رسوب مولکول‌ها از یک فاز گازی یا مایع بر روی یک سطح جامد»، «جذب» یا adsorption گفته می‌شود. این فرآیند می‌تواند نیروی جاذبه سطح جامد را به طور جزئی خنثی کرده، آن را در حالت تعادل به حداقل برساند، و کشش سطح جامد را کاهش دهد. در حالت کلی، دو نوع فرآیند جذب وجود دارد که تفاوت اصلی آنها، در ماهیت برهمکنش بین اتم‌های جاذب و جامد است: (1) جذب فیزیکی؛ و (2) جذب شیمیایی.

ساختار کریستالی و میکرومتخلخل زئولیت‌ها برای استفاده به عنوان جاذب بسیار ایده‌ال است. از بین نزدیک به50 ساختار زئولیتی شناخته شده، تنها چند مورد توانسته‌اند راه خود را در فرآیندهای جذب تجاری پیدا کنند. سه نوع اصلی این زئولیت‌ها در جدول 3 معرفی شده‌اند.

 

جدول 3- معرفی مهم‌ترین زئولیت‌های تجاری مورد استفاده در فرآیندهای جذب

خانواده زئولیت زئولیت نوع A فوجاسیت
(faujasite)
زئولیت پنتاسیل (pentasil)
نوع زئولیت 3A 4A 5A Zeolite X Zeolite Y silicalite /ZSM-5
فرمولاسیون سلول واحد ⅔(K2O) •⅓(Na2O) Al2O3• 2 SiO2 •9/2 H2O Na2O• Al2O3• 2SiO2 •9/2H2O 0.7CaO• 0.30Na2O• Al2O3• 2.0SiO2• 4.5H2O
29(Ca, Mg, Na 2) (H2O). 240|[Al58Si134O384]
NanAlnSi96nO192·16H2O (0<n<27)
ابعاد سلول واحد (A˚) - مکعبی: 12.3 - مکعبی: 12.5 مکعبی: 12.35 20.1
نسبت Si به Al ساختار - 0.9-1.0 - 1.0-1.5 1.5-3.0 10-∞
چگالی ساختار (g/cm3) - 1.27 - 1.31 1.25-1.29 1.76
چگالی کریستالی (g/cm3) 1.69 1.52 1.48 1.54 1.42 1.76
حجم تخلخل‌های میکرو - 0.47 - 0.51 0.48 0.33

 

در حالی که زئولیت‌های نوع A3، A4، و A5 برای جذب انتخابی مولکول‌های نسبتاً کوچک مناسب هستند، زئولیت‌های نوع X و Y برای جذب و جداسازی مولکول‌های نسبتاً بزرگ مفید هستند. در مقابل، زئولیت‌های نوع سیلیکاتیت و ZSM-5 برای ملکول‌هایی با اندازه‌های متوسط کاربرد دارند. لازم به ذکر است که اندازه ملکول تنها عامل در فرآیند جذب نیست؛ برای مثال، در زئولیت‌های نوع X و Y، اندازه حفره‌ها با یکدیگر یکسان است، اما نسبت Si/Al که چگالی کاتیون‌ها در داخل ساختار را کنترل می‌کند، خصوصیات جاذب را تغییر می‌دهد.

عامل تعیین‌کننده در انتخاب‌پذیری (selectivity) زئولیت‌ها، اندازه منافذ ساختار است. دستکاری و تغییر دقیق اندازه تخلخل‌ها اغلب با تعویض یا جایگزینی یونی در منافذ آزاد امکان پذیر است.

 

2-6- خاصیت کاتالیزوری

در این بخش، به مثال‌هایی پرداخته می‌شود که در آنها از زئولیت به عنوان کاتالیزور در فرآیندهای مهم تجاری استفاده می‌شود. مهم‌ترین زئولیت‌هایی که برای این منظور به کار می‌رود زئولیت فوجاسیت نوع Linde X و Linde Y است که به صورت سنتزی تهیه می‌شوند. مهم‌ترین حوزه‌های کاربردی برای استفاده از این زئولیت‌ها عبارتند از: (الف) پالایش نفت، (ب) تولید سوخت‌های پیشرفته، (ج) ساخت پتروشیمی، و (د) کاهش NOx. شش ویژگی مهم زئولیت‌ها برای استفاده به عنوان کاتالیست‌های ناهمگن عبارتند از:

-         ساختار بلوری مشخص

-         سطح ویژه داخلی بالا (بزرگتر از 600 متر مربع در گرم)

-         داشتن منافذی با توزیع فضایی و حجمی یکنواخت

-         پایداری حرارتی مناسب

-         قابلیت جذب و جمع‌آوری هیدروکربن‌ها

-         داشتن مکان‌های بسیار اسیدی هنگام تبادل یونی با پروتون‌ها

در حقیقت، اسیدیته زئولیت‌ها، ناشی از پروتون‌هایی است که برای حفظ خنثائیت الکتریکی در ساختار مورد نیاز هستند. اندازه منافذ زئولیت از چند طریق تعیین می‌شود: (1) تعداد واحدهای تتراهدرال ساختار، (2) اتم‌های اکسیژن مورد نیاز برای تشکیل منافذ، و (3) ماهیت کاتیون‌هایی که در دهانه منافذ وجود دارند یا وجود ندارند.


نتیجه‌گیری

در این مقاله، زئولیت‌ها و ساختار کلی آنها معرفی شدند. گفته شد که می‌توان این مواد متخلخل را هم براساس اندازه حفرات و هم براساس ترکیب شیمیایی آنها به دسته‌های مختلف دسته بندی کرد. همین عوامل منجر به بروز خواص منصر به فردی می‌شود که با تغییر نسبت Si/Al در فرمولاسیون زئولیت‌ها و یا تعویض یونی یا اصلاح سطحی، قابلیت دستکاری و بهینه‌سازی را دارند. تاکید شد که از نقطه نظر کاربردی، زئولیت‌ها در سه حوزه کاربردی مورد استفاده قرار می‌گیرند: (1) به عنوان جاذب برای جذب یون‌های فلزی؛ (2) به عنوان کاتالیزور برای واکنش‌های ناهمگن؛ و (3) به عنوان تبادل‌گر یونی برای جداسازی عناصر یا ملکول‌های خاص از محیط محلولی.

 

منابـــع و مراجــــع

Cejka, Jiri, Herman Van Bekkum, Avelino Corma, and Ferdi Schueth. Introduction to zeolite molecular sieves. Elsevier, 2007.

Otterstedt, Jan-Erik, and Dale A. Brandreth. Small particles technology. Springer Science & Business Media, 2013.

Zaidi, Sadaf. "Zeolites as inorganic ion exchangers for environmental applications: an overview." In Ion Exchange Technology II, pp. 183-215. Springer, Dordrecht, 2012.

Vajtai, Robert, ed. Springer handbook of nanomaterials. Springer Science & Business Media, 2013.

Purnomo, Putu Hadi Setyarini, and Dwi Sulistyaningsih. "Zeolite-based biomaterials for biomedical application: A review." In AIP Conference Proceedings, vol. 1977, no. 1, p. 030013. AIP Publishing LLC, 2018.

Kühl, Günter H. "Modification of zeolites." In Catalysis and Zeolites, pp. 81-197. Springer, Berlin, Heidelberg, 1999.

Sangeetha, C., and P. Baskar. "Zeolite and its potential uses in agriculture: A critical review." Agricultural Reviews 37, no. 2 (2016): 101-108.

Gläser, Roger, and Jens Weitkamp. "The application of zeolites in catalysis." In Basic Principles in Applied Catalysis, pp. 159-212. Springer, Berlin, Heidelberg, 2004.

Pfenninger, A. "Manufacture and use of zeolites for adsorption processes." In Structures and Structure Determination, pp. 163-198. Springer, Berlin, Heidelberg, 1999.

Ghasemi, Zahra, Iman Sourinejad, Hossein Kazemian, and Sohrab Rohani. "Application of zeolites in aquaculture industry: a review." Reviews in Aquaculture 10, no. 1 (2018): 75-95.

Petrov, Ivan, and Todor Michalev. "Synthesis of zeolite A: a review." НАУЧНИ ТРУДОВЕ НА РУСЕНСКИЯ УНИВЕРСИТЕТ 51 (2012): 30-35.