Ζεόλιθοι

Ο Σουηδός ορυκτολόγος, Axel Fredrik Cronstedt επινόησε τον όρο «ζεόλιθος» το έτος 1756. Μεγάλες ποσότητες ατμού παρήχθησαν κατά την ταχεία θέρμανση ενός υλικού που βρέθηκε ότι ήταν στιλβίτης. Αυτό οφειλόταν στο νερό που είχε απορροφηθεί από το υλικό προηγουμένως. Επινόησε τον όρο ζεόλιθος αφού είδε τέτοια γεγονότα. Προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις (zé), που σημαίνει «βράζω» και (λθος), που σημαίνει «πέτρα».

Ενώσεις σιλικόνης 

Οι πιο άφθονες ενώσεις στον φλοιό της γης είναι το πυρίτιο και τα πυριτικά άλατα (περίπου 95 τοις εκατό). Το διοξείδιο του πυριτίου (SiO2), επίσης γνωστό ως πυρίτιο, υπάρχει σε μια ποικιλία κρυσταλλογραφικών μορφών. Ο χαλαζίας, ο κριστοβαλίτης και ο τριδυμίτης είναι κρυσταλλικές μορφές πυριτίου που είναι αλληλομετατρέψιμες όταν θερμαίνονται στη σωστή θερμοκρασία. Το διοξείδιο του πυριτίου είναι μια ομοιοπολική ένωση που συνδέεται τετραεδρικά με τέσσερα άτομα οξυγόνου.

Το SiO2 έχει μια τεράστια δομή, με εναλλασσόμενα άτομα οξυγόνου και πυριτίου που σχηματίζουν έναν οκταμελή δακτύλιο. Ο δεσμός Si-O δεν αντιδρά σε πολλά οξέα, αλογόνα και αλκάλια λόγω της υψηλής ενθαλπίας του δεσμού, αλλά διαλύεται σε HF και NaOH.

Το silica gel, ένας ξηραντικός παράγοντας, βοηθά επίσης στην υποστήριξη χρωματογραφικών υλικών και καταλυτών.

Σιλικόνες

Αναφέρεται σε μια οικογένεια πολυμερών οργανοπυριτίου με επαναλαμβανόμενες μονάδες. Οι σιλικόνες κατασκευάζονται από αλκυλο ή αρυλο υποκατεστημένες σιλικόνες ως πρώτη ύλη. Οι σιλικόνες, όπως όλοι γνωρίζουμε, περιβάλλονται από μια μη πολική αλκυλομάδα που απωθεί το νερό στη φύση. Έχουν υψηλή θερμική σταθερότητα και είναι ανθεκτικά στην οξείδωση και τα χημικά. Ως ηλεκτρικός μονωτήρας και στις χειρουργικές επεμβάσεις, αυτή η ένωση έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.

Πυριτικά

Τα πυριτικά, όπως οι ζεόλιθοι, διατίθενται σε διάφορες μορφές. Το πυριτικό έχει τη δομή SiO44-, με τέσσερα άτομα οξυγόνου συνδεδεμένα σε ένα άτομο πυριτίου. Όταν οι πυριτικές μονάδες ενώνονται μεταξύ τους, σχηματίζουν έναν δακτύλιο, μια αλυσίδα και μια τρισδιάστατη δομή. Το γυαλί και το τσιμέντο είναι δύο σημαντικά τεχνητά πυριτικά άλατα.

Ζεόλιθοι

Όταν ορισμένα άτομα πυριτίου εκτοπίζονται από άτομα αλουμινίου στην τρισδιάστατη δομή του διοξειδίου του πυριτίου, σχηματίζεται αργιλοπυριτικό. Στην πετροχημική βιομηχανία, οι ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται κυρίως ως καταλύτες. Χρησιμοποιώντας έναν ζεόλιθο που ονομάζεται ZSM-5, οι αλκοόλες μπορούν να μετατραπούν απευθείας σε βενζίνη. Αυτοί οι ζεόλιθοι μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να μαλακώσουν το σκληρό νερό.

Τύποι ζεόλιθων 

Οι ζεόλιθοι διατίθενται σε διάφορα σχήματα και μεγέθη. Οι ζεόλιθοι μπορούν να συντεθούν ή να κατασκευαστούν βιομηχανικά ή μπορούν να σχηματιστούν φυσικά. Υπάρχουν επί του παρόντος 50 διαφορετικοί τύποι ζεόλιθων διαθέσιμοι.

Οι ζεόλιθοι βρίσκονται σε διάφορες μορφές, όπως:

1. Na2K2CaMg(AlO2)2(SiO2)2,6H2O (Εριωνίτης)
2. Na2Ca(AlO2)2(SiO2)4,6H2O (γεμελινίτης)
3. Hx[(AlO2)x(SiO2)96−x].16H2O (ZSM-5)

Ιδιότητες  ζεόλιθων

• Κάτω από ποικίλες περιβαλλοντικές συνθήκες, οι ζεόλιθοι είναι εξαιρετικά σταθερά στερεά. Ο ζεόλιθος έχει πολύ υψηλό σημείο τήξης 1000 0 C. Δεν είναι διαλυτοί στο νερό ή σε άλλους ανόργανους διαλύτες.
• Ο ζεόλιθος είναι γνωστός για τη δομή του πλαισίου που μοιάζει με ανοιχτό κλουβί, που βοηθά στην παγίδευση νερού και ιόντων καλίου και ασβεστίου.
• Οι φυσικοί ζεόλιθοι βρίσκονται σε διάφορα σχήματα και μεγέθη, με μεγέθη πόρων που δεν είναι ομοιόμορφα, ενώ οι συνθετικοί ζεόλιθοι κατασκευάζονται με ακρίβεια και μεγέθη πόρων που είναι ομοιόμορφα.
• Οι πλούσιοι σε αλουμίνα ζεόλιθοι έλκονται από πολικά μόρια όπως το νερό, ενώ οι πλούσιοι σε πυρίτιο ζεόλιθοι έλκονται από μη πολικά μόρια.

Εμφάνιση και παραγωγή

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι ζεόλιθοι εμφανίζονται φυσικά σε περιοχές όπου τα αλκαλικά υπόγεια ύδατα αντιδρούν με ηφαιστειακά πετρώματα και στρώματα τέφρας. Σύμφωνα με τις αναφορές, έχουν ανακαλυφθεί περίπου 245 μοναδικά πλαίσια ζεόλιθου, με γνωστά περίπου 40 φυσικά πλαίσια ζεόλιθου. Η Επιτροπή Δομής της Διεθνούς Ένωσης Ζεόλιθου εξετάζει προσεκτικά κάθε νέα δομή ζεόλιθου που ανακαλύπτεται. Στο υλικό αποδίδεται μια ονομασία τριών γραμμάτων αφού έχει αναγνωριστεί.

Εν τω μεταξύ, οι βιομηχανικά σημαντικοί ζεόλιθοι κατασκευάζονται συνθετικά. Η θέρμανση υδατικών διαλυμάτων αλουμίνας και πυριτίου με υδροξείδιο του νατρίου είναι μία από τις πιο κοινές διαδικασίες που χρησιμοποιούνται. Τα αντιδραστήρια αργιλικό νάτριο και πυριτικό νάτριο είναι επίσης εναλλάξιμα. Οι αλλαγές στα κατιόντα, όπως η προσθήκη κατιόντων τεταρτοταγούς αμμωνίου, είναι μια άλλη παραλλαγή. Μέχρι σήμερα έχουν δημιουργηθεί πάνω από 200 συνθετικοί ζεόλιθοι. Αυτό επιτεύχθηκε μέσω μιας αργής διαδικασίας κρυστάλλωσης που περιλαμβάνει γέλη πυριτίας-αλουμίνας, αλκάλια και οργανικά πρότυπα.

Οι συνθετικοί ζεόλιθοι, από την άλλη πλευρά, έχουν λίγα πλεονεκτήματα έναντι των φυσικών ζεόλιθων. Οι συνθετικοί ζεόλιθοι κατασκευάζονται σε καθαρή φάση και ομοιόμορφη κατάσταση. Επιπλέον, είναι δυνατές βιομηχανικά παραγόμενες μοναδικές δομές ζεόλιθου. Ζεόλιθος Α, για παράδειγμα. Επιπλέον, επειδή το πυρίτιο και η αλουμίνα είναι τα πιο άφθονα ορυκτά συστατικά στον πλανήτη, οι ζεόλιθοι μπορούν να κατασκευαστούν και να διανεμηθούν επ' αόριστον.

Εφαρμογή ζεόλιθων

Ακολουθούν μερικές από τις πιο κοινές εφαρμογές για ζεόλιθους.

Εναλλαγή ιόντων

Η δομή που μοιάζει με κλουβί των ζεόλιθων τους καθιστά ιδανικούς για ανταλλαγή ιόντων. Το σκληρό νερό, για παράδειγμα, φιλτράρεται μέσω μιας στήλης ζεόλιθων που περιέχουν νάτριο. Τα ιόντα ασβεστίου και μαγνησίου παγιδεύονται από τους ζεόλιθους, ενώ ιόντα νατρίου απελευθερώνονται, με αποτέλεσμα το νερό να μαλακώνει και να εμπλουτίζεται με νάτριο. Σήμερα, οι ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται σε απορρυπαντικά για την αφαίρεση του μαγνησίου και του ασβεστίου από το νερό, καθιστώντας το πιο μαλακό και αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα του απορρυπαντικού.

Ως καταλύτης 

Η πυρόλυση, ο ισομερισμός και η σύνθεση υδρογονανθράκων είναι όλες αντιδράσεις στις οποίες χρησιμοποιούνται ζεόλιθοι ως καταλύτες. Ο ζεόλιθος είναι ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός καταλύτης λόγω της πορώδους δομής του. Επιπλέον, επειδή οι πόροι σε έναν συγκεκριμένο ζεόλιθο έχουν σταθερό σχήμα και μέγεθος, ο ζεόλιθος μερικές φορές αναφέρεται ως κατάλυση επιλεκτικής μορφής επειδή είναι εκλεκτικός σε συγκεκριμένα μόρια.

Προροφητικό

Οι ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται για την προσρόφηση μεγάλης γκάμα υλικών λόγω της υψηλής ικανότητας προσρόφησής τους. Στους τομείς του καθαρισμού, της ξήρανσης και του διαχωρισμού, έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών.

Απαλλαγή από επιβλαβείς ουσίες

Τα ραδιενεργά σωματίδια μπορούν να αφαιρεθούν αποτελεσματικά από τα πυρηνικά απόβλητα χρησιμοποιώντας ζεόλιθους. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον καθαρισμό μολυσμένου με βαριά τοξικά μέταλλα νερού ή χώματος.

Εμπορική και οικιστική κατοικία

• Οι αντλίες κενού κρυοπροσρόφησης χρησιμοποιούν συχνά ζεόλιθους ως μοριακό κόσκινο.
• Οι συνθετικοί ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται ως πρόσθετο στη διαδικασία κατασκευής ασφαλτικού σκυροδέματος θερμού μίγματος.

Πολύτιμοι λίθοι

Οι Thomsonites, ένα από τα σπανιότερα ορυκτά ζεόλιθου, θεωρούνται πολύτιμοι λίθοι.

Βιολογικά 

• Το οξυγόνο ιατρικής ποιότητας παράγεται συνήθως χρησιμοποιώντας συστήματα συμπυκνωτή οξυγόνου που βασίζονται σε ζεόλιθο.

• Στη γεωργία, ο κλινοπτιλόλιθος (ένας φυσικός ζεόλιθος) χρησιμοποιείται ως επεξεργασία εδάφους.

Αποθήκευση και εφαρμογή ηλιακής ενέργειας

Η θερμοχημική αποθήκευση της ηλιακής θερμότητας που συλλαμβάνεται από τους ηλιακούς θερμικούς συλλέκτες έχει γίνει με ζεόλιθους. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για ψύξη προσρόφησης. Η υψηλή θερμότητα της προσρόφησης και η ικανότητα ενυδάτωσης και αφυδάτωσης διατηρώντας τη δομική σταθερότητα των ζεόλιθων χρησιμοποιούνται εκτενώς σε τέτοιες εφαρμογές. Οι φυσικοί ζεόλιθοι είναι πολύ χρήσιμοι για τη συλλογή ηλιακής ενέργειας και σπατάλης θερμικής ενέργειας λόγω της υγροσκοπικής τους ιδιότητας, η οποία συνδυάζεται με μια εγγενή εξώθερμη αντίδραση κατά τη μετάβαση από την αφυδατωμένη σε μια ενυδατωμένη κατάσταση.