Молекулярное сито (цеолиты)

Природные цеолиты представляют собой водные алюмосиликаты Са, Na и других металлов. В их состав входят Si, AL и другие металлы. Образование алюмосиликатов - сложный геохимический процесс. Одним из свойств цеолитов является ионный обмен - взаимодействие их с подземными водами, в которых растворены различные соли. Поэтому в цеолитах сочетаются различные ионы металлов, анионы кремниевых кислот и молекулы кристаллизационной воды.

Различаются три основные группы природных цеолитов:

шабазит CaNa2Al2Si4О12·6Н20;

натролит Na2Al2Si3О10·2Н2О;

гейландит CaNa2Al2Si6О16·4Н2О.

«Молекулярное сито», что в отличие от угля и силикагеля он в условиях обезвоживания легко адсорбирует пары легких веществ и не адсорбирует пары относительно тяжелых веществ.

Слово происходит от греческих корней «цео» - кипящий и «литое» - камень. Это название было введено около 200 лет тому назад шведским минералогом Кронстедом.

Механизм и особенности адсорбции на цеолитах прежде всего определяются строением их кристаллов. В двуокиси кремния и в силикатах каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, расположенными в вершинах тетраэдра. Атомы через кислородный мостик образуют сложный анион в виде длинной цепочки или цикла. В алюмосиликатах трехзарядные ионы AL замещают четырехзарядные ионы Si. Компенсация лишнего заряда происходит за счет эквивалентного по заряду иона металла. В природных цеолитах ионы Na легко обмениваются на ионы Са:

4Nа+ → 2Са++

Особенностью строения кристаллов является то, что тетраэдры образуют сотообразную структуру с относительно близкими по форме к шарообразной полостями молекулярных размеров, сообщающимися узкими отверстиями («окнами»). Стенки полостей образованы ионами кремния и других элементов. Полости занимают половину объема всего кристалла. Каждая из них по трем взаимно перпендикулярным направлениям сообщается с соседними через «окна».

Внутренняя поверхность цеолита огромна, ее размеры во многом определяют адсорбционные свойства. Например, каждая полость предварительно обезвоженного шабазита в водной среде или в условиях влажного воздуха поглощает 24 молекулы воды.

Молекулы воды и способные к обмену ионы находятся внутри полостей, а не в узлах кристаллической решетки, и могут проходить через отверстия. Такая структура обеспечивает протекание обратимых процессов гидратации, дегидратации и ионного обмена. Вследствие жесткого алюмосиликатного скелета цеолита его активация, связанная с удалением кристаллизационной воды, не влечет за собой разрушения кристаллической решетки. Теряя воду, цеолит способен вновь адсорбировать ее или вместо нее молекулы других веществ. Жесткий алюмосиликатный скелет обусловливает к тому же ненабухаемость цеолитов в различных жидкостных средах, что является преимуществом перед другими ионообменными веществами.

Кислотные центры, находящиеся на поверхности цеолита, обусловливают его каталитические свойства. Эти свойства усиливаются добавкой глины в качестве связующего материала.

Адсорбция на молекулярных ситах - явление физическое. В настоящее, время доказана идеальная обратимость этого процесса. Известно, что в результате различий по размерам и форме кристаллов каждый цеолит способен поглощать лишь определенные группы компонентов. В природе же встречаются лишь смеси цеолитов. В промышленности в настоящее время определенные типы цеолитов в основном получают путем синтеза.

Кристаллические цеолиты, полученные синтетическими методами, отличаются идеальной однородностью. размеров пор, неизменяющихся даже в узких пределах. Этим цеолитам присущи

• три специфических свойства: 
• высокая избирательная способность;
• повышенное сродство к полярным, ароматическим и непредельным углеводородам благодаря ярко выраженному гетероионному характеру внутренней поверхности;
• большая адсорбционная емкость и способность полностью извлекать адсорбат из данной системы.

Молекулярные сита применяются в обычных адсорбционных системах со стационарным слоем адсорбента и периодической регенерацией путем обжига. Как правило, система состоит не менее чем из двух адсорберов, один из которых включен в цикл осушки или очистки жидкого потока, а второй - в цикл регенерации адсорбента. Тепло для регенерации получают в выносных нагревателях, в которых осуществляется нагрев продувочного газа, используемого для нагрева насыщенного адсорбента. Широко применяются также схемы с обогревательными устройствами, расположенными непосредственно в слое адсорбента.

Следует отметить, что в случае осушки обводненных масел, подобных трансформаторному, при регенерации цеолита для удаления продуктов с поверхности пор вторичной структуры применяются различные способы: выжиг, отдувка водяным паром, отмывка растворителями (что удобно, но связано с большими расходами растворителя).

Интересные факты происхождения цеолита и какая от него польза. Где находятся самые большие его месторождения. Как «кипящий камень» может улучшить здоровье, где используется синтетическая порода. Химические и физические данные об этих минералах.

Состав цеолита и химическая формула

Mx/n(AlO2)x• (SiO2)y• zH2O.:

• М - катионы с валентностью n (Na+, K+, Ca2+, Ba2+, Si2+, Mg2+);
• z - молекулы воды;

отношение у/х может изменятся до 5 в зависимости от вида камня.

Если говорить простым языком, то основные компоненты , это оксиды:

• алюминия;
• железа;
• натрия;
• магния;
• марганца;
• кальция;
• титана;
• калия;
• кремния.

В составе имеется до 10 % воды. Основная доля принадлежит кремнию-до 74 %, оставшуюся часть занимает алюминий-от 10% до 14%. Еще присутсвует более 20 элементов, но их доли настолько мизерны, что все вместе они не составляют даже 0,1%.