Цеолиты

Цеолиты — большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском, известных своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Другим важным свойством цеолитов является способность к ионному обмену — они способны избирательно выделять и вновь впитывать различные вещества, а также обменивать катионы. Цеолиты бывают природные и синтетические.

Цеолит

Микропористое молекулярное строение цеолита ZSM-5

Наиболее распространённые представители группы цеолитов — натролит, шабазит, гейландит, стильбит (десмин), морденит, томсонит, ломонтит, клиноптилолит.^[1]

СвойстваПравить

Кристаллическая структура цеолитов природных и искусственных образована тетраэдрическими группами SiO_2/4 и AlO_2/4, объединёнными общими вершинами в трёхмерный каркас, пронизанный полостями и каналами (окнами) размером 2—15 ангстремов. Открытая каркасно-полостная структура цеолитов [AlSi]O₄⁻ имеет отрицательный заряд, компенсирующийся противоионами (катионами металлов, аммония, алкиламмония и др. ионов, введённых по механизму ионного обмена) и легко дегидратирующимися молекулами воды.

Выделяют следующие свойства цеолитов, благодаря которым их широко применяют:

адсорбционные — способность поглощать и отдавать различные вещества,
ионообменные — способность обменивать катионы,
каталитические — способность ускорять химические реакции.

Каждый вид цеолитов характеризуется определённым размером окон, поэтому молекулы других веществ поглощаются и пропускаются (при фильтрации) цеолитами избирательно. Это явление называют молекулярно-ситовым эффектом.

Виды цеолитовПравить

По происхождению цеолиты разделяют на 2 большие группы:

природные цеолиты — имеют естественное происхождение, их делят на два вида:
- осадочные
- вулканические
синтетические — полученные искусственным путём.

Микроскопически (по габитусу) выделяют:

волокнистые цеолиты — натролит, томсонит, сколецит, ломонтит, гоннардит, эдингтонит, морденит, эрионит, жисмондин (абразит), феррьерит и другие;
листоватые (или пластинчатые) цеолиты — стильбит, гейландит, брюстерит и другие;
изометрические цеолиты — шабазит, филлипсит, гармотом, фоязит, гмелинит, дакиардит, клиноптилолит и другие.

На основе кристаллического строения цеолитов возможна дальнейшая их классификация.

ПроисхождениеПравить

По происхождению цеолиты — гидротермальные, экзогенные, реже метаморфические минералы. Встречаются в миндалинах вулканических пород, в песчаниках, аркозах и граувакках; в трещинах и пустотах гнейсов и кристаллических сланцев. Месторождения незначительны по объёму, но многочисленны и известны во всём мире.

Распространены довольно широко главным образом в низкотемпературных гидротермальных жилах, а также в миндалинах и трещинах эффузивных пород, где образуются как продукт поствулканических процессов.

Цеолиты получают также искусственно.

Месторождения цеолитаПравить

Основные разведанные запасы природных цеолитов сосредоточены в Европе, России, Японии и США. Объём разведанных запасов природных цеолитов в странах СНГ составляет порядка 1,6 млрд т.

К наиболее крупным и целесообразным с точки зрения разработки месторождениям стран СНГ можно отнести Сокирницкое (Украина), Тедзамское и Дзегвское (Грузия), Айдагское (Азербайджан), Ноемберянское (Армения), Тайжузгенское и Чанканайское (Казахстан), Хотынецкое (Орловская область), Татарско-Шатрашанское (Республика Татарстан), Пегасское (Кемеровская область), Сахаптинское и Пашенское (Красноярский край), Холинское, Шивыртуйское и Бадинское (Читинская область), Хонгуруу (Республика Саха), Куликовское и Вангинское (Амурская область), Радденское (Еврейская автономная область), Чугуевское (Приморский край), Середочное (Хабаровский край), Лютогское и Чеховское (Сахалинская область), Пастбищное (Чукотский АО) и Ягоднинское (Камчатская область).

Общие разведанные запасы этих месторождений составляют более 80 % общих запасов стран СНГ. Основную массу сырья данных месторождений составляют клиноптилолитовые породы.^[2]

Производство и добычаПравить

Производство синтетических цеолитовПравить

Добыча и переработка природного цеолитаПравить

По состоянию на 2016 год ежегодная добыча природного цеолита в мире составляет около 3 миллионов тонн. Основными добытчиками в 2010 году были: Китай (2 млн т), Южная Корея (210 000 т), Япония (150 000 т), Иордания (140 000 т), Турция (100 000 т), Словакия (85 000 т) и Соединённые Штаты (59 000 т).^[3] Доступность богатой цеолитом породы по низкой цене и нехватка конкурирующих минералов и горных пород, вероятно, являются наиболее важными причинами её широкомасштабного использования.

ПрименениеПравить

Применение природного цеолитаПравить

Основная статья: Природный цеолит

Мягкие осадочные породы с низким содержанием цеолита (15-20%) стали дешёвым сырьём для производства наполнителя кошачьего туалета. Высушенная порода хорошо впитывает влагу и удерживает запахи. Благодаря глинистым составляющим происходит комкование.

Твёрдые вулканические породы (более 70% цеолита) применяются в очистке воды в качестве ионообменного фильтра. В животноводстве цеолитовый порошок служит кормовой добавкой, известен способностью сорбировать микотоксины.^[4] В растениеводстве цеолит используют для приготовления грунтов. В чистом виде природный цеолит используется в гидропонике. Благодаря пуццолановой активности цеолиты применяют в строительстве как активную минеральную добавку для цементов, бетонов и строительных растворов.

Применение синтетических цеолитовПравить

Искусственно синтезированные цеолиты (пермутиты) находят широкое применение в водоочистительных приборах в качестве адсорбентов, ионообменников, молекулярных сит; применяют в качестве доноров и акцепторов электронов. Используются в вакуумных насосах сорбционного типа. Также цеолиты получили весьма широкое применение как катализаторы многих процессов нефтехимии и нефтепереработки и как гетерогенные катализаторы. Широко используются в аналитической химии в качестве цеолит-модифицированных электродов; для обнаружения газов; для разделительных и концентрационных методов.

Применяется также в системах жизнеобеспечения космических станций (МИР, МКС, Скайлэб) для поглощения выделяемого при дыхании углекислого газа. Цеолит пропитывается газом, но не любым, а в зависимости от диаметра молекулы. Углекислота захватывается, а азот и кислород - почти нет. То есть цеолит действует как молекулярное сито. Чтобы цеолит не вымокал (на станции нормальная влажность, каждый человек выдыхает за сутки литр воды), сначала воздух сушится. Затем воздух охлаждается, после чего подаётся в камеру с цеолитом. Таких камер три (в российской установке) или две (в американской). Какое-то время одна из камер впитывает углекислый газ, затем поток воздуха подаётся в следующую. В это время внутри предыдущих камер создаётся вакуум, а цеолит подогревается. Углекислый газ выходит из цеолита за пределы станции — в космос. Это один цикл. После этого можно снова использовать первую камеру для наполнения воздухом, а две другие поставить на выветривание в вакуум. Цеолитовые адсорбенты используются многократно.^[5]

См. такжеПравить

Молекулярно-ситовой эффект

ПримечанияПравить

↑ Administrator. Клиноптилолит (рус.). mir-mineralov.ru. Дата обращения: 11 июля 2018.
↑ Обзор рынка природных цеолитов в СНГ (неопр.).
↑ ZEOLITES (NATURAL) (неопр.).
↑ Кормление | Производство и продажа природных цеолитов (рус.). zeo-group.ru. Дата обращения: 16 февраля 2021.
↑ Углекислый газ на МКС (рус.). Дата обращения: 14 ноября 2018.

ЛитератураПравить

Zeolites in Sedimentary Rocks. Ch. in United States Mineral Resources, Professional Paper 820, 1973.
Natural and Synthetic Zeolites. U.S. Bureau of Mines Information Circular 9140, 1987.
Frederick A. Mumpton. La roca magica: Uses of natural zeolites in agriculture and industry (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1999. — Vol. 96, no. 7. — P. 3463—3470. — doi:10.1073/pnas.96.7.3463.
«Zeolite-water close cycle solar refrigeration; numerical optimisation and field-testing», Jean-Baptiste Monnier; Dupont, M. Proc. Annu. Meet. — Am. Sect. Int. Sol. Energy Soc.; Vol/Issue: 6 pp 181–185; American Solar Energy Society meeting; 1 June 1983; Minneapolis, MN, USA
Cheetham, A.K.; Peter Day. Solid State Chemistry (англ.). — Oxford University Press, 1992.

СсылкиПравить

[1] Administrator. Клиноптилолит (рус.). mir-mineralov.ru. Дата обращения: 11 июля 2018.

[2] Обзор рынка природных цеолитов в СНГ (неопр.).

[3] ZEOLITES (NATURAL) (неопр.).

[4] Кормление | Производство и продажа природных цеолитов (рус.). zeo-group.ru. Дата обращения: 16 февраля 2021.

[5] Углекислый газ на МКС (рус.). Дата обращения: 14 ноября 2018.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]