زئولیت‌ها بلورهای آلومینوسیلیکاتی هستند که به دلیل داشتن خاصیت کاتالیستی، تعویض یونی و غربال مولکولی کاربرد گسترده‌ای در صنایع شیمیایی دارند. در سال‌های اخیر سنتز زئولیت با اندازه‌ی بلوری کوچک‌تر به دلیل بهبود خواص اشاره‌شده، اهمیت زیادی پیدا کرده است.
کلمه‌ی زئولیت (Zeolite) مشتق از دو کلمه‌ی یونانی است که با هم به معنای سنگ جوشان هستند. (ریشه‌ی یونایی “زین” به معنای جوشیدن و “لیتوس” به معنای سنگ است) و این نام مبتنی بر این واقعیت است که در هنگام حرارت دادن زئولیت، مقدار زیادی آب به صورت بخار خارج می‌شود. زئولیت‌ها جامدات بلورین با منافذ ریزند. پیوند مولکول‌های آب در شبکه‌ی این کانی‌ها ضعیف است و در اثر دما بدون آن که ساختمان شبکه فرو بریزد، آب خود را از دست می‌دهند و این عمل به صورت برگشت‌پذیر انجام می‌شود. زئولیت‌ها به صورت شبکه‌ی کریستالی شامل اکسیژن و آلومینیوم یا سیلیس هستند که به صورت ساختمانی سه‌بعدی درآمده‌اند.
زئولیت‌ها در اصل مواد آلومینوسیلیکاتی هستند که با فرمول کلی زیر مشخص می‌‌گردند:
[(M+,M2+0.5)AlO2]x.[SiO2]y.[H2O]z
که در عبارت بالا، M+ کاتیون‌های فلز قلیایی و M2+ کاتیون‌های قلیایی خاکی است.
زئولیت‌ها متشکل از عناصر گروه اول و دوم مانند سدیم، کلسیم، تاسیم، منیزیم و… و از لحاظ ساختاری مانند پلیمرهای غیر آلی، کریستالی و بسیار پیچیده هستند.
دو پارامتر سینتیکی که اندازه‌ی ذرات و زمان تبلور را تحت تأثیر قرار می‌دهد، نرخ هسته‌زایی و نرخ رشد بلور است.
افزایش نرخ هسته‌زایی موجب کاهش اندازه‌ی ذرات و افزایش نرخ تبلور می‌شود؛ اما افزایش نرخ رشد بلور موجب افزایش اندازه‌ی ذرات و افزایش نرخ تبلور می‌شود.
ابعاد و کانال‌های هر زئولیت از مشخصه‌هایی هستند که باعث ایجاد پدیده‌ی جذب گزینشی آن‌ها خواهد شد. فراوان‌ترین انواع زئولیت‌های سنتزی شامل ZMS-5، Y، X و A هستند و از زئولیت‌های طبیعی می‌توان موردنیت، شابازیت، آنالیسم، فاجالیست و … را نام برد.
مهم‌ترین کاربرد زئولیت‌ها
- صنایع شوینده به عنوان سازنده جهت جایگزینی فسفات‌ها
- جداسازی اکسیژن و نیتروژن هوا
- صنایع دارویی و پتروشیمی به عنوان کاتالیزور
- صنایع کاغذسازی به عنوان پرکننده
- صنایع آتش‌نشانی
- صنایع سرامیک
- صنایع هسته‌ای به عنوان جاذب فلزات سنگین و رادیوایزوتوپ‌ها کاربرد پیدا کرده‌اند.
دسته‌بندی ساختاری زئولیت‌ها
بر اساس یک دسته‌بندی ابتدایی، زئولیت‌ها به چهار گروه تقسیم می‌شوند؛ زنولیت با سیلیس کم، متوسط، بالا و غربال مولکولی سیلیس.
با افزایش نسبت Si به Al در شبکه‌ی زئولیت، خواص آن‌ها نیز تغییر می‌کند و پایداری گرمایی با افزایش سیلیس تغییر خواهد کرد. خاصیت اسیدی این مواد با افزایش نسبت سیلیس به آلومینیوم در شبکه تقویت می‌گردد. در واقع غلظت کاتیون و ظرفیت تبادلی یونی براساس نسبت Al کاهش می‌یابد.
ساختار زئولیت با سلیس کم در اکثر موارد از حلقه‌های تتراهدرال چهارتایی، شش‌تایی، هشت‌تایی تشکیل شده است. زئولیت با سیلیس کم دارای Al اشباع شده است و همچنین دارای بالاترین میزان غلظت کاتیون که از خود خواص جذبی بهینه‌ای را نشان می‌دهد.
زئولیت‌های غربال مولکولی معمولا در دمای کمتر از 200 درجه سلسیوس به صورت هیدروترمال سنتز می‌شوند. در فرایند سنتز، ابتدا هسته‌زایی فاز کریستالی رخ می‌دهد و بعد از آن کریستال رشد خواهد کرد. در این فرایند متغییرهایی مانند اجزای واکنش‌دهنده، مواد شروع‌کننده، میزان آب، سرعت هم‌زدن و دما تاثیر‌گذار است و می‌تواند روی فاز کریستالی تشکیل‌شده، خواص فاز، توزیع، اندازه‌ی محصول و زمان سنتز اثر بگذارد.
در ابتدا یک ژل غیر بلوری و به صورت آمورف تشکیل می‌شود. سپس محلول واسط به سطح کریستال در حال رشد نفوذ می‌کند. رشد کریستال‌ها، مجموعه‌ای از فرایندهایی است که در آن، یک اتم یا مولکول به سطح یک کریستال متصل شده و باعث افزایش اندازه‌ی آن می‌شود.
زئولیت‌های ZMS-5
گروهی از آلومیناسیلیکات‌ها هستند که ساختاری براساس چهارچوب تتراهدرال TO4 تشکیل می‌دهند (T غالبا Si و Al) و پلیمرهای کریستالی معدنی به حساب می‌آیند. سنتز زئولیت‌ها در توسعه و به‌کارگیری کاتالیست‌های مهم در صنعت نقش مهمی دارند. از جمله می‌توان ساخت کاتالیست‌های فیشر تروپیش در تبدیل گاز طبیعی به سوخت مایع اشاره کرد. کاربردهایی در کاهش NO و اکسیداسیون فتوکاتالیتیکی ترکیبات آلی دارد. این نوع زئولیت همچنین به طور تجاری برای حذف مواد آلی فرار از پساب یا هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
زئولیت نوع A
زئولیت A دارای دو نوع حفره است.
- حفره‌های کوچک (واقع در فضاهای آلفا و قابل دسترس فقط برای مولکول‌های کوچک آب)
- حفره‌های بزگ (واقع در فضاهای بتا و قابل دسترس برای گازهایی مثل آرگون، اکسیژن و ازت).
این زئولیت ساختاری سه بعدی داشته و نسبت Si/Alآن 1 است. این زئولیت با تغییر فرم کاتیونی‌اش خواص مختلفی پیدا می‌کند و یک Molecular Sieve خوب با ساختارهای متفاوت برای جذب و خالص‌سازی مواد مختلف است. مهم‌ترین کاربرد زئولیت A در صنایع شیمایی به عنوان جایگزین فسفر در پودر شوینده است. کاربردهای دیگر آن خالص‌سازی اکسیژن، خالص‌سازی اتانول، کراکینگ پارافین و غیره است. کاربردهای فراوان دیگری نیز در صنایع مختلف برای این زئولیت وجود دارد.
پراش پرتو ایکس
با توجه به موثر‌بودن اندازه‌ی ذرات و میزان بلورینگی و کریستالیته با خواص زئولیت‌ها، با بررسی زئولیت‌ها توسط دستگاه پراش پرتو ایکس می‌توان میزان بلورینگی و فاز را با توجه به پیک‌های شاخص برسی کرد.
