زئولیت

زئولیت به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده معدنی در حوزه های مختلف مانند کاربرد زئولیت در تصفیه آب، تولید پاک کننده های لباس، نفت و پتروشیمی و… مورد استفاده قرار می گیرد. زئولیت در حوزه پزشکی و داروسازی نیز حرف اول را می زند. ساختار کلی این ماده متخلخل است و این مسئله به تبادل بهتر یون ها کمک می کند.

در واقع ویژگی های نامحدود این ماده معدنی موجب کاربرد گسترده آن شده است. زئولیت به عنوان کود شیمیایی هوشمند در کشاورزی مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده معدنی بر پایه آلومینیوم سیلیکات است و حفره‌ های موجود در آن به جذب بهتر آب کمک می کنند. این محصول اصلاح کننده خاک است و کیفیت خاک را تا حد قابل توجهی افزایش می دهد. زئولیت به راحتی ظرفیت آب موجود در خاک را افزایش می دهد. این مسئله برای گروه خاصی از گیاهان ضروری و الزامی است. این کود شیمیایی به حفظ رطوبت خاک در طول روز کمک می کند.

تاریخچه زئولیت

زئولیت یک واژه یونانی است، که به معنای سنگ و جوشاندن می باشد. برخلاف تمامی باورهای رایج زئولیت ماده نوظهوری نیست. در واقع این ماده معدنی توسط یک کانی شناس سوئدی برای اولین بار کشف و به دنیا معرفی شد. کاشف زئولیت آقای اکسل اف کرستند معرفی شده اند. وی در سال ۱۷۵۶ طی یک کاوش تحقیقاتی زئولیت را کشف کرد. آقای کرستند حین کاوش متوجه شده بود، که اطراف این ماده معدنی کف و حباب کرده است.

این مسئله توجه این کاوشگر را به خود جلب کرد. همچنین هنگام استخراج زئولیت متوجه شد، که این ماده هنگام جوشیدن کف می کند. پس از استخراج زئولیت وی به بررسی ویژگی های اصلی این ماده معدنی پرداخت. در نهایت بعد از یک بازه زمانی کوتاه مدت زئولیت به شهرت جهانی رسید.

زئولیت چیست و چگونه کار می کنند؟

در رابطه با اینکه زئولیت چیست، باید بگوییم که یک ماده معدنی است که شامل آلومینوسیلیکات‌های ریز و متخلخل کریستالی هیدراته با ساختاری حاوی کانال ها و حفره هایی با ابعاد مولکولی (قطر ۰٫۳-۱٫۵ نانومتر) می باشد. این ماده در صنایع مختلف به عنوان کاتالیزور، جاذب و مبدل یونی استفاده می شود.

باید توجه داشت که در زندگی روزمره، زئولیت های متفاوتی وجود دارد که به طور گسترده در صنایع شوینده که باعث کاهش سختی آب و افزایش کف کنندگی مواد شونده می شوند و استفاده در صنایع پزشکی، کشاورزی، پالایش نفت و پتروشیمی، مواد شیمیایی و تصفیه آب به عنوان جاذب و مبدل یونی یا کاتالیزور استفاده می شوند. در ادامه برخی از کاربرد های زئولیت را برایتان شرح داده‌ایم:

• زئولیت در کشاورزی
• زئولیت در آبزیان
• زئولیت در ساختمان
• زئولیت در دام و طیور

ساختار و ویژگی های زئولیت

زئولیت به لحاظ ساختار و ویژگی های مثبت تفاوت بسیار زیادی با سایر مواد معدنی مشابه دارد. این ماده در سایه مجموعه ای از ویژگی های مثبتی که دارد، به شهرت جهانی رسیده است. زئولیت ظرفیت تبادل یونی بسیار بالایی دارد و حتی به تبادل یون های کامیونی کمک می کند. این ماده به جذب و دفع گازها کمک خواهد کرد. همچنین دارای پایداری حرارتی و شیمیایی بالایی است. در صورتی که سایر مواد معدنی بدین شکل نیستند.

از نظر ساختار می توان اشاره کرد، که زئولیت بافت کریستالی دارد. زئولیت مساحت سطح بالایی داشته و ساختار آن کاملا متخلخل است. در واقع چنین ساختاری به نفوذ بهتر آب کمک شایانی می کند. در واقع حفره های موجود نقش یک جدا کننده حرفه ای را ایفا می کنند.

مشخصات زئولیت

برخی از مشخصات زئولیت آورده شده است:

• فرمول شیمایی (Clinoptilolite): K₂Na₂Ca₂(Si₂₉A₁₇)O₇₂.24H₂O
• نوع بسته بندی: کیسه های  25 تا 30 kg- جامبوبگ( 1تنی ) – فله ای
• ساختار بلوری: Monoclinic (تک شیب)
• نوع گروه کانی: تکتوسیلیکات ( قلیایی)
• درجه سختی: 3.5 تا 5.5
• جرم حجمی: 2 تا 2.4 gr/cm²

انواع زئولیت

زئولیت انواع مختلفی دارد و هر یک در صنایع مختلف به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. در حالت کلی این ماده معدنی به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می شود. هر کدام از زئولیت ها در این دسته بندی به انواع مختلفی تقسیم می شوند. همچنین هر یک به لحاظ ساختار و ویژگی با یکدیگر تفاوت دارند.

زئولیت ها از نظر منشأ می توانند مواد طبیعی یا مصنوعی باشند. آنها کانی های آلومینوسیلیکات با چارچوب های آنیونی سفت و سخت حاوی کانال ها و حفره های کاملاً مشخص هستند. این حفره‌ها حاوی کاتیون‌های فلزی هستند که قابل تعویض هستند، یا ممکن است میزبان مولکول‌های مهمان خنثی باشند که می‌توانند حذف و جایگزین شوند.

گفتنی است که آفریت، پالینگیت، باریریت و مازیت بسیار نادر هستند. و کلینوپتیلولیت یکی از فراوان ترین نوع این ماده به صورت طبیعی می‌باشد. و بیشترین کاربرد را نیز دارد. در ادامه به معرفی انواع زئولیت ها نیز می پردازیم:

• کلینوپتیولیت K₂Na₂Ca₂(Si₂₉A₁₇)O₇₂.24H₂O
• موردنیت (K₂.Na₂.Ca)(Al₂Si₁₀)O₂₄.7H₂O
• شابازیت (Na₂Ca)(Al₂Si₄)O₁₂.6H₂O
• هیولاندیت Ca₂Al₄Si₁₄O₃₆.12H₂O
• آنالیسمNaAlSi₂O₆.H₂O
• ناترولیت Na₂Al₂Si₃O₁₀.2H₂O
• اسکولسیتCaAl₂Si₃O₁₀.3H₂O
• تامسونیت NaCl₂Al₅H₂₀.6H₂O
• فیلیپسیت (K₂.Na₂.Ca)(Al₂Si₆)O₁₆.6H₂O
• هارموتوم (K₂.Ba)(Al₂Si₆)O₁₆.6H₂O
• استیلبیت (Na₂.Ca)(Al₂Si₇)O₁₈.7H₂O
• لامونتیت Ca(Al₂Si₄)O₁₂.6H₂O

زئولیت‌های طبیعی

زئولیت های طبیعی در سنگ های آذرین، رسوبی و دگرگونی یافت می شوند. بیش از ۴۰ نوع زئولیت طبیعی تاکنون کشف شده است. از مشهورترین نمونه ها می توان به: کلینوپتیلولیت، مودنیت، آنالسیم، فیلیپسیت و… اشاره کرد. زئولیت‌های طبیعی منشأ آتشفشانی دارند و دارای فرمول کلی M2/n:Al2O3:xSiO2:yH2O می باشند، که در آن M مخفف کاتیون خارج از چارچوب است. همچنین می‌توانید نوشتار انواع سنگ های آتش فشانی را نیز مطالعه کنید.

ساختار معدنی مبتنی بر چهار وجهی AlO4 و SiO4 است که می توانند 1، 2 یا 3 اتم اکسیژن را به اشتراک بگذارند، بنابراین با گسترش شبکه در سه بعدی، طیف گسترده ای از ساختارهای ممکن وجود دارد. این ویژگی ساختاری منحصر به فرد، مبنایی برای ساختار ریز متخلخل شناخته شده آنها است.

حدود 40 زئولیت طبیعی وجود دارد که هم در سنگ های آتشفشانی و هم در سنگ های رسوبی تشکیل می شوند. طبق گزارش سازمان زمین شناسی ایالات متحده، رایج ترین اشکال استخراج شده شامل شابازیت، کلینوپتیلولیت و موردنیت است. قابل ذکر است که تولید زئولیت طبیعی بسیار ارزان تر از نوع مصنوعی آن می باشد. سنگ های آتشفشانی یکی از منابع اصلی این ماده می باشند و تولید آن به طور طبیعی بستگی به میزان فشار متحمل شده توسط آتشفشان دارد. به این معنا که باید در تولید آن فشار متناسبی در آتشفشان رخ دهد تا این ماده تشکیل شود.

نکته

تا سال 2016، تولید زئولیت طبیعی در جهان تقریبا 3 میلیون تن به طور سالانه بوده است. که تولیدکنندگان عمده آن شامل چین، کره جنوبی، ژاپن، اردن، ترکیه، اسلواکی و ایالات متحده بودند.

قابل ذکر است که دسترسی به سنگ غنی با هزینه کم و کمبود سایر مواد معدنی و سنگ های رقیب احتمالا یکی از مهم ترین عوامل به منظور استفاده از این ماده معدنی در مقیاس های بزرگ می باشد.

زئولیت‌های مصنوعی

این نوع از زئولیت ها به روش شیمیایی و در آزمایشگاه تولید می شوند. همچنین هر کدام کاربرد منحصر به فردی در صنایع مختلف دارند. در واقع این نوع از زئولیت ها اصلاح شده هستند. از نمونه های مشهور می توان به: زئولیت A، زئولیت Y و X، زئولیت ZSM-5، زئولیت Beta و… اشاره نمود.

این نوع زئولیت‌ها در آزمایشگاه و با استفاده از روش‌های سنتزی تولید می‌شوند. زئولیت‌های مصنوعی نسبت به نوع طبیعی خود خلوص بیشتری دارند و می‌توان آن‌ها را با ساختار و خواص دلخواه تولید کرد.

ده‌ها زئولیت مصنوعی و مصنوعی دیگر (حدود 150) برای اهداف خاص طراحی شده‌اند که شناخته‌شده‌ترین آنها زئولیت A (که معمولاً به عنوان شوینده لباس‌شویی استفاده می‌شود)، زئولیت X و Y (دو نوع مختلف فوجازیت که برای ترک‌های کاتالیستی استفاده می‌شوند) هستند. و کاتالیزور نفتی ZSM-5 (نام تجاری پنتاسیل-زئولیت). قابل ذکر است که تولید زئولیت به صورت مصنوعی هزینه هایی در بر دارد. اما یکی از مزیت های برتر آن این است که درصد ناخالصی آن را می توان به هر میزانی که نیاز است کاهش داد و برای انواع موارد، مورد استفاده قرار داد.

تصویر بالا کریستال‌های زئولیت مصنوعی رشد کرده در CAMMP (مرکز پردازش مواد میکروگرانشی پیشرفته)، که یک مرکز مشارکت تحقیقاتی تحت حمایت ناسا می باشد را نشان می دهد. ذراتی که در سمت راست قرار دارند حدود 10 برابر بزرگتر (25μm) و از سمت چپ (2.5μm) هستند.

کاربردهای گسترده زئولیت‌ها

زئولیت به دلیل ویژگی های منحصر به فرد و ساختار متفاوت در صنایع مختلف کاربرد گسترده ای دارد. هم اکنون از این ماده معدنی به منظور بهبود کیفیت خاک در کشاورزی و باغبانی استفاده می شود. این ماده در صنایع نفت و پتروشیمی نقش یک کاتالیزور را ایفا می کند. به نوعی تجزیه مولکول های بزرگ یونی کمک خواهد کرد.

زئولیت برای تصفیه آب و فاضلاب نیز مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده توانایی جذب آلاینده های موجود در خاک را دارد. رد پای زئولیت را در صنایع ساختمانی نیز می توان مشاهده کرد. این ماده معدنی به منظور تولید بتن و سیمان های سبک مورد استفاده قرار می گیرد.

زئولیت در صنعت تولید مواد شوینده حرف اول را می زند. به واسطه این ماده معدنی می توان شوینده ای با ویژگی های منحصر به فرد تولید کرد. همچنین زئولیت در حوزه پزشکی و داروسازی مورد توجه قرار گرفته است. این ماده توانایی جذب مواد سمی در بدن را دارد؛ به همین دلیل برای تولید داروهای خاص مورد استفاده قرار می گیرد.

زئولیت‌ها به دلیل خواص منحصر به فرد خود، در صنایع مختلف کاربردهای فراوانی دارند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای زئولیت‌ها عبارتند از:

• کشاورزی: بهبود کیفیت خاک، افزایش جذب آب و مواد مغذی توسط گیاهان، کاهش شوری خاک
• صنعت: تصفیه آب و پساب، جداسازی گازها، کاتالیزور در صنایع پتروشیمی، تولید مواد شوینده
• محیط زیست: جذب آلاینده‌ها، تصفیه هوا

در ادامه می توانید فیلم مربوط به تاثیر استفاده از زئولیت در کشاورزی را بینید و مقایسه کود زئولیت برای افزایش رشد گیاهان را مشاهده کنید:

روش تولید زئولیت ها چگونه است ؟

تولید این ماده به صورت مصنوعی به دو روش جامد و مایع امکان پذیر است؛ به این صورت که واکنش های شیمیایی با دمای بالای 300 درجه سانتی گراد انجام می پذیرد. سنتز این ماده در حالت مایع با روشی به نام هیدروترمال از ارزان ترین روش ها محسوب می گردد. قابل ذکر است که واکنش پذیری و تولید این ماده در دمای بالا توسط راکتور اتوکلاو به انجام می رسد.

درنهایت محصول به دست آمده پس از چندین مرحله تصفیه، فیلتر شده و خشک می گردد. ماده به دست آمده به شکل جامد است که زئولیت می باشد.

در حال حاضر انواع سنتتیک این کانی بسیار زیاد است. و تنوع زیادی از این ماده معدنی وجود دارد که حاصل فرآیند کریستالیزاسیون ژل سیلیکا-آلومینا در سرعت پایین می باشد. از نظر تئوری نیز تعداد بسیاری از این ساختارها را می توان ساخت. بدین ترتیب علاوه بر تغییرات در ساختار، می توان آن ها را با انواع اتم های دیگر نیز تولید کرد تا به لحاظ شیمیایی فعال باشند.

انواع روش های تولید زئولیت

این ماده را می توان هم به صورت طبیعی و هم در آزمایشگاه تولید نمود. که در ادامه به شرح آن نیز می پردازیم:

تولید طبیعی

خاک هایی که دارای خاصیت قلیایی بسیار بالایی هستند. و همچنین رسوبات ایجاد شده در اعماق دریاها و دریاچه های نمکی از جمله محیط هایی هستند که به طور طبیعی این ماده را تولید می کنند.

تولید آزمایشگاه

قابل ذکر است که در آزمایشگاه نیز می توان این کانی را تولید کرد. برای تولید آن به سه مولکول آب و یک مولکول آلومینیوم اکسید نیاز می باشد. این ترکیب را در محلول سدیم هیدروکسید با درجه حرارتی بالا ترکیب نموده و در نهایت با سیلیکات سدیم مخلوط می شود. در پایان برای تشکیل بلور های زئولیت، محلول بدست می آید.

آلتراسیون کائولین

ابتدا کائولین حرارت داده می شود تا به متاکائولین تبدیل شود. سپس آن را کلسینه نموده و پس از آن با استفاده از محلول اسیدی مقداری از سیلیس آن را آزاد نموده و محصول را با NaOH شستشو می دهند.

ویژگی های فیزیکی و شیمیایی زئولیت ها

گفتنی است که زئولیت ها دارای خواص فیزیکی و شیمیایی برتری هستند. که در بسیاری از کاربردهای تجاری مهم مورد بهره برداری قرار می گیرند.

در ادامه به معرفی خواص مهم فیزیکی و شیمیایی زئولیت ها نیز می پردازیم:

• درجه بالایی از آبدار شدن
•  زمانی که آبدار شوند، چگالی پایین و حجم فضای خالی بزرگی دارند.
• ساختار بلوری بسیاری از زئولیت ها زمانی که آبدار شوند، پایدار می گردند.
• خواص تبادل یونی
•  توانایی جذب گاز و بخار
•  خواص کاتالیزوری
• به طور معمول دارای چگالی بین 2 تا 2.3 گرم بر سانتی متر مکعب هستند. اما زئولیت های غنی از باریم، استثنا بوده و ممکن است چگالی آن ها بین 2.5 تا 2.8 گرم بر سانتی متر مکعب باشد.
• عموما ساختمان آنها باز بوده و درنتیجه سطح ویژه ای شبیه به کانی های سیلیکاتی 1:2 قابل انبساط از خود نشان می دهد.
• جذب آب در هر واحد سلولی این ماده نسبتا زیاد است. البته باید به این نکته توجه کرد که میزان جذب آب بستگی به نوع آن و همچنین نوع کاتیون های موجود در کانال های آن دارد.

به طور کلی عرض کانال ها، انتشار یونی یا مولکولی، مقدار آب و هیدراته شدن، از عوامل بسیار مهم و تعیین کننده میزان ظرفیت تبادل کاتیونی آن ها می باشد.

روش های تولید زئولیت چگونه است؟

زئولیت طبیعی نیازی به تولید ندارد و پس از پالایش و فرآوری در اختیار مصرف کنندگان قرار می گیرد. در صورتی که زئولیت مصنوعی در آزمایشگاه ها تولید می شود. در فرایند تولید این ماده ۳ مولکول آب و ۱ مولکول آب کمک گرفته می شود. سپس ترکیب حاصل در محلول سدیم هیدروکسید با درجه حرارت بالا ترکیب خواهد شد. در نهایت اختلاط با سلیلکات سدیم انجام می گیرد. در نهایت پس از تولید اصلاحات مربوط دنبال خواهد شد.

خواص و ویژگی های این ماده معدنی شناسایی شوند. در پروسه تولید باید به نسبت ترکیبات موجود دقت نمود، تا هیچ گونه اختلالی به وجود نیاید. در پروسه تولید زئولیت مصنوعی بر اساس نیازهای موجود تغییراتی در ترکیبات های نهایی ایجاد می شود.

زئولیت‌ها معمولاً با عملیات هیدروترمال محلول سنتز سوزاننده حاوی منبع سیلیس و یک عامل هدایت کننده ساختار مناسب، به عنوان یون‌های تتراپروپیل آمونیوم (TPA) تهیه می‌شوند. برای سوزاندن TPA و آزاد کردن منافذ این ماده، یک مرحله کلسینه مورد نیاز است. لایه های این ماده را می توان به طور مشابه، با غوطه ور کردن یک تکیه گاه چند لایه در محلول سنتز زئولیت در اتوکلاو و درمان کل هیدروترمال ساخت.

این پردازش منجر به تشکیل و رشد کریستال زئولیت در سطح نگهدارنده می شود. و به همین دلیل تبلور مستقیم درجا نامیده می شود. یک رویکرد جایگزین و جدیدتر یک فرآیند دو مرحله ای به نام کاشت و رشد ثانویه است. ابتدا، برخی از دانه‌های کریستال زئولیت بر روی سیستم نگهدارنده رسوب می‌کنند. و سپس کل آن مانند حالت تبلور مستقیم رفتار می‌شود.

قیمت زئولیت

اما حال همان طور که پیش تر اشاره کردیم، زئولیت ها انواع مختلفی دارند. که برخی دارای خاصیت اسیدی بوده و برخی نیز قلیایی هستند. علاوه براین لازم به ذکر است که روش تولید آن ها نیز با هم متفاوت بوده و نمونه های ایرانی آن رسوبی بوده و در اغلب کشورهای دیگر از نوع آتشفشانی استفاده می شود. بر همین اساس قیمت هر تن زئولیت معدنی و این گروه از کانی ها متغییر بوده. و با در نظر گرفتن داخلی یا خارجی بودن و همچنین ویژگی های شیمیایی آن ها نیز تعیین می گردد.

عوامل موثر بر قیمت

در ادامه برخی از مواردی که بر قیمت تاثیر دارند را آورده ایم:

• نوع زئولیت: هر نوع زئولیت ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارد و قیمت متفاوتی دارد.
• خلوص: هرچه زئولیت خالص‌تر باشد، قیمت آن بالاتر خواهد بود.
• میزان فرآوری: فرآیندهای مختلفی برای فرآوری زئولیت وجود دارد که هر کدام بر قیمت نهایی تاثیر می‌گذارند.
• مقدار خرید: خرید عمده معمولاً با تخفیف همراه است.
• هزینه حمل و نقل: فاصله بین تولیدکننده و مصرف‌کننده بر هزینه حمل و نقل و در نتیجه قیمت نهایی تاثیر می‌گذارد.
• منطقه جغرافیایی: قیمت زئولیت در مناطق مختلف ممکن است متفاوت باشد.

کلام آخر

در پاسخ به سوال زئولیت چیست؟ باید اشاره کرد، که این ماده معدنی به دو روش طبیعی و مصنوعی تولید می شود‌. هر کدام از نمونه های مختلف زئولیت ویژگی های منحصر به فردی دارند. بیش از ۴۰ گونه زئولیت طبیعی تاکنون شناسایی شده است. همچنین این ماده کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف نظیر: کشاورزی و باغبانی، داروسازی و پزشکی، نفت و پتروشیمی و..‌ دارد. این ماده معدنی برای اولین بار توسط یک کانی شناس سوئدی در سال ۱۷۵۶ کشف شد. اصطلاح زئولیت یونانی است و به معنای سنگ و جوشاندن است.

این ماده از ویژگی های بسیار خاص و متفاوتی پشتیبانی می کند. با یک بررسی ساده متوجه خواهید شد، که سایر مواد معدنی مشابه فاقد چنین ویژگی هایی هستند.

سوالات متداول

قیمت زئولیت چگونه محاسبه می شود؟

قیمت زئولیت به عواملی بستگی دارد. نظیره: نوع زئولیت، خلوص، میزان فرآوری، مقدار خرید، هزینه حمل و نقل و منطقه جغرافیایی بستگی دارد و به صورت مستقیم محاسبه نمی‌شود. برای اطلاع دقیق از قیمت، بهتر است با فروشندگان زئولیت تماس بگیرید.

آینده زئولیت‌ها چیست؟

با پیشرفت تکنولوژی و شناخت بیشتر خواص زئولیت‌ها، انتظار می‌رود کاربردهای این مواد معدنی در آینده گسترش بیشتری یابد. تولید زئولیت‌های مصنوعی با ساختارهای پیچیده‌تر و خواص بهتر، یکی از مهم‌ترین اهداف محققان در این زمینه است. با توجه به کاهش منابع آب زیر زمینی که ایران نیز در این بحران می باشد و جزو کشورهای کم آب به نظر می آید،  می تواند نقش تعیین کننده ای در کاهش مصرف آب با جذب بالا داشته باشد. همچنین در کشاورزی با مکاهش مصرف کود های شیمیایی این روند را کندتر کند.