Цеолиты в качестве нанопористых материалов: синтез и применение

Zeolites as nanoporous materials: synthesis and application

Saavedra Huayta Jose Angel

postgraduate, FGBOU IN "Kuban State University of Technology", Department ONGP, Russia, Krasnodar

Аннотация. В данной статье рассматриваются цеолиты в качестве нано-пористых материалов: синтез и применение, также разница между природными и синтетическими цеолитами, некоторые аспекты применения адсорбентов цеолитов в промышленности.

Abstract. In this article zeolites are considered as nanoporous materials: synthesis and use, as well as the difference between natural and synthetic zeolites, and some applications of zeolite adsorbents in industry.

Ключевые слова: Цеолиты, дисперсные системы, сеть полостей, адсорбенты, энтальпия, осушка газа, риформинг, сорбция, очистки сточных вод.

Keywords: Zeolites, disperse systems, a network of cavities, adsorbents, enthalpy, gas drying, reforming, sorption, wastewater treatment.

Цеолиты представляют собой группу минералов близких по составу и свойствам щелочных или щелочноземельных металлов (Na, K, Ca, Mg, Sr, Ba), у цеолитов осадочно-вулканическое происхождение. Особенная разница этих соединений является их структура, которая отличается внутренней пористостью, что обеспечивает возможность ионного обмена.

У этого минерала поры молекулярных размеров, что позволяет ему впитывать и достаточно сильно удерживать самые разнообразные загрязнения. Именно такая пористость структуры цеолитов и определяет их свойства оптимального адсорбента.

Ученые доказали, что цеолиты имеют способность адсорбировать катионы и молекулы многих веществ (например, тяжелых металлов, воду).

По этой причине в настоящее время цеолит называют «камнем 21-го столетия».

Большая заслуга в синтезе цеолитов принадлежит англий­скому физико-химику проф. Барреру. Им в 1948 г. начаты систе­матические поиски путей синтеза, которые увенчались синтезом морденита, шабазита, анальцима, филлипсита, фожазита, строн­циевых и бариевых цеолитов. Работами Баррера и его сотрудни­ков были намечены пути синтеза в условиях пониженных тем­ператур (100°С) при нормальном давлении.

Природные цеолиты и синтетические цеолиты – близкие по структуре. Цеолиты, которые были синтезированы в быстром лабораторном процессе, могут иметь разные свойства вследствие различной степени упорядоченности структуры; у природных цеолитов структура более упорядоченная, это является их характеристикой.

Сеть полостей и узкие диффузионные пути (поры) в структуре цеолитов приводят к образованию развитой внутренней поверхности большой величины. Данная структура позволяет цеолитам обратимо сорбировать водяной пар или различные вещества в газообразном состоянии, катионы цеолитов легко обмениваются на любой другой положительный ион.

Можно получать синтетические цеолиты при повышении температуры водно-щелочных алюмосиликатных смесей. Они способны синтезировать от химически чистых реагентов с высоким уровнем чистоты и концентрации. Именно это позволяет придать синтетическим цеолитам четкую структуру и равномерность пор.

Согласно этому, адсорбционные свойства могут быть лучше и можно наблюдать технологический процесс, такой как синтез и его свойства. Такие основания дадут цеолитам огромную возможность, чтобы широко применять их в промышленности. В некоторых сферах, цеолиты являются незаменимым продуктом, например, для удаления тяжелых металлов из живых организмов, а также для предотвращения загрязнения в почве и окружающей среде.

Благодаря своим уникальным катион-обменным свойствам синтетические цеолиты нашли обширный спектр применения в промышленности, распространенно используются для смягчения воды, связывая ионы кальция и магния.

Также их можно использовать в качестве компонентов синтетических моющих средств. Еще в качестве носителей для катализаторов, для очистки выбросов промышленных газов и различных жидкостей от вредных компонентов (СО₂, SО₂ и др.), очистки сточных вод от радиоактивных и других промышленных отходов, для очистки трансформаторных масел разделения газовых смесей.

На практике для разделения жидкостей синтетические цеолиты применяют в виде мелкокристаллического порошка, а для разделения газов в виде шариков, таблеток или гранул размером от 1 до 5 мм.

Вывод. На сегодняшний день ученые смогли получить десятских различных видов синтетических цеолитов. Самая важная характеристика цеолитов при адсорбции является их геометрия внутрикристаллических каналов и полостей и геометрия окон, также очень важна природа обменных катионов, их количество и распределение по позициям в кристаллической решетке. Благодаря их свойствам цеолит можно применить в различных сферах промышленности, и поэтому он заслуженно принимает название «камень 21-го столетия».