زئولیت، این کلمه شاید برای بسیاری آشنا نباشد، اما در دنیای کشاورزی و صنایع مرتبط، به عنوان یک ماده معدنی جادویی شناخته میشود. این کانی با ساختار کریستالی منحصربهفرد و خواص جذب کنندگی بالا، در سالهای اخیر توجه بسیاری از کشاورزان و دانشمندان را به خود جلب کرده است. زئولیتها، با تنوع گونهها و ساختارهای متنوع، قابلیت جذب آب، یونها و مولکولهای مختلف را دارا هستند.
این ویژگیها باعث شده تا زئولیتها در صنایع مختلف از جمله کشاورزی، تصفیه آب و فاضلاب، تولید مواد شوینده و حتی صنایع دارویی کاربرد گستردهای پیدا کنند. در کشاورزی، زئولیت به عنوان یک اصلاحکننده خاک عمل میکند و میتواند به بهبود ساختار خاک، افزایش حاصلخیزی و در نهایت افزایش عملکرد محصولات کشاورزی کمک کند.
یک لیوان آب را گرم کنید تا دیر یا زود هنگام جوشیدن بخار از آن خارج شود. مطمئناً انتظار ندارید که اگر یک سنگ را گرم کنید، همین اتفاق بیفتد، مگر اینکه نوع خاصی از سنگ به نام زئولیت باشد که آب را درون آن به دام میاندازد. در سال 1756 زمین شناس سوئدی، اکسل کرونستد (1722-1765) – که بیشتر به عنوان کاشف نیکل شناخته می شود، نام “زئولیت” را ابداع کرد زیرا به معنای واقعی کلمه به معنای “سنگ جوش” است.
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، 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
مشخصات زئولیت
برخی از مشخصات زئولیت آورده شده است:
- فرمول شیمایی (Clinoptilolite): (Na,K,Ca)2-3Al3(Al,Si)2Si13O36·۱۲H2O
- 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 ها (از نظر منشا)
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
زئولیتها، این کانیهای شگفتانگیز، با ساختار متخلخل و خواص جذب کنندگی بالا، در صنایع مختلف از جمله کشاورزی، صنعت و محیط زیست کاربردهای گستردهای دارند. اما آیا تاکنون به تنوع انواع زئولیتها و تفاوتهای آنها پی بردهاید؟
زئولیتهای طبیعی
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 چابازیت، 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 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.
تقسیمبندی زئولیتها بر اساس ساختار کریستالی
ساختار کریستالی زئولیتها بسیار پیچیده و متنوع است. این ساختارها به صورت شبکهای از تتراهدرال های سیلیسیوم-اکسیژن تشکیل شدهاند که حفرهها و کانالهایی را در داخل خود ایجاد میکنند.
کاربردهای گسترده زئولیتها
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.
زئولیت دوست دار محیط زیست
فسفات سدیم ماده ای است که پیش از زئولیت ها بعنوان سازنده مواد اصلی شوینده ها مصرف می شد. اما دانشمندان با تحقیقاتی که در این زمینه انجام دادند به این نتیجه رسیدند که این ماده تعادل آبهای شیرین را بر هم می زند. و موجب خسارات جبران ناپذیری در این حوزه می گردد.
با در نظر گرفتن این موضوع که زئولیت ها با محیط زیست سازگاری عالی دارند، جایگزین بسیار مناسبی برای فسفات سدیم شدند. و از آن پس به وفور در محصولات شوینده به مصرف می رسند. در ادامه به شرح موارد مصرف زئولیت ها نیز می پردازیم.
موارد مصرف زئولیت
زئولیتها به دلیل ساختار متخلخل و خواص جذب کنندگی بالا، کاربردهای گستردهای دارند. از جمله مهمترین موارد مصرف زئولیتها میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
- تصفیه آب و فاضلاب: حذف فلزات سنگین، رنگها و بوهای نامطبوع از آب
- زئولیت در کشاورزی: بهبود کیفیت خاک، افزایش بازدهی محصولات کشاورزی
- صنایع پتروشیمی: بهعنوان کاتالیزور در فرایندهای مختلف
- صنایع شوینده: بهعنوان نرمکننده آب و جاذب بو
- داروسازی: در تولید برخی داروها و مکملهای غذایی
مراحل تشکیل زئولیت ها
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.
تکلیس بعدی منافذ این ماده معدنی را باز می کند. 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.
نکته مهم در مراحل تشکیل
در هر دو مورد، لایه های غشایی این ماده تشکیل شده همیشه پلی کریستالی هستند. و منافذ بین کریستالی ایجاد می کنند. که عموماً تا حدودی بزرگتر از منافذ زئولیت درون کریستالی هستند.
قیمت زئولیت
بالاتر درمورد کاربرد های زئولیت در صنایع مختلف صحبت کردیم. حال تا اینجا راجب اینکه زئولیت چیست؟ اطلاعاتی را برایتان شرح دادیم. 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 آخر یکی از اصلی ترین کاربردهای این ماده در صنعت تصفیه فاضلاب می باشد. علاوه براین، این کانی در کشاورزی، تصفیه آب استخر شنا و همچنین مکمل های غذایی برای دام و طیور مورد استفاده قرار می گیرد.
جهت خرید انواع این محصول میتوانید با گروه صنعتی فتح البرز تماس (۸-۰۹۱۹۶۰۶۰۳۵۷، ۰۹۱۲۳۱۰۵۸۷۷، ۰۹۱۲۳۱۳۱۶۰۳) بگیرید. باید به این نکته توجه شود که ممکن است نوع زئولیت مورد استفاده در هر یک از صنایع با هم تفاوت هایی داشته و راندمان آنها با هم متفاوت باشد.
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.