Химические свойства цеолитов

Вспомним, что в общем виде состав цеолитов может быть выражен формулой:

M_xD_y[Al_x+2ySi_zO_2x+4y+2z] ^. nH₂O,

где M и D – одно- и двухвалентные катионы соответственно.

В 1756 году Ф. Кронштедт обнаружил вспучивание (увеличение объема образца, сопровождающееся выделением воды) стильбита (минерала семейства гидратированных силикатов алюминия) при нагревании. Поэтому он и ввел термин «цеолит» (от двух греческих слов: zeo – кипеть и lithos – камень). Оказалось, что подобным свойством обладают и другие минералы этого семейства: клиноптилолит, морденит, фожазит, шабазит, которые можно представить как кристаллический алюмосиликатный анион, заряд которого компенсируется катионами натрия, калия, кальция или магния. В отличие от кристаллогидратов, также выделяющих значительные количества воды при нагреве, цеолиты поглощают и выделяют не только воду, но и другие различные молекулы и без изменения кристаллической структуры.

Свойствами этого минерала много занимался один из основателей химического направления в минералогии профессор Юрьевского (Тартуского) университета Иван Иванович Лемберг (1842–1902). Исследуя превращения силикатов в водных растворах при повышенных температурах, он установил особую прочность группировки Аl₂О₃·2SiO₂, названной впоследствии В. И. Вернадским каолиновым ядром.

Кристаллы природных цеолитов пронизаны системой каналов или полостей, обладают хорошо развитой внутренней поверхностью. Такое строение позволяет цеолитам избирательно удалять из воды (адсорбировать) молекулы, например, аммоний (ионы аммиака), компоненты сточных и питьевых вод, т.е. играть роль «молекулярных сит». Эти минералы сорбируют аммоний, спирт, нитраты и другие вещества. Размеры каналов достаточны для проникновения в них органических молекул и катионов, а суммарный объем их вместе с порами достигает 50 %.

Характерной особенностью, ярко выраженной у большинства цеолитов, является та легкость, с какой происходит обмен между катионами, уравновешивающими отрицательный заряд каркаса кристаллической решетки, и катионами в окружающем водном растворе. Те или иные катионы раствора способны вытеснять катионы, располагающиеся в «пустотах» среди каркаса цеолитов, без нарушения их структуры. Это свойство используется в практике, главным образом при применении искусственно изготовляемых цеолитов в качестве пермутита для смягчения жестких вод.

Многое еще не совсем ясно в наших представлениях о разных типах анионных радикалов, характеризующих минералы рассматриваемой группы. Тем не менее цеолиты обладают целым рядом общих совершенно своеобразных свойств, и не вызывает никакого сомнения то, что они составляют особую группу. Рентгенометрические исследования показывают, что кристаллические решетки их состоят из каркасов алюмо-кремнекислородных тетраэдров, отличающихся от других типов каркасных решеток тем, что полости в них представлены более широкими «каналами». Такая более открытая кристаллическая жесткая основа содержит в себе слабо связанные с ней молекулы воды. При осторожном нагревании вода может быть постепенно удалена без разрушения кристаллической структуры в целом. Замечательно, что удаленная этим путем вода вслед за тем снова может быть поглощена до прежних пределов или заменена молекулами других веществ (сероводорода, этилового спирта, аммиака и пр.), причем кристаллическая среда сохраняет свою однородность; соответственно меняются лишь оптические свойства. Отсюда естественно, что содержание воды в цеолитах является переменной величиной и зависит от внешних условий (температуры и упругости паров воды в окружающей среде). Так называемая цеолитная вода именно тем и отличается от кристаллизационной, что при нагревании она выделяется не скачками при каких-либо определенных температурах, а постепенно.

Цеолиты очень легко подвергаются различным изменениям и разрушению. В слабых растворах солей они легко вступают в обменные реакции, причем меняют заключающийся в них натрий и кальций на калий и аммоний солей. Благодаря этим качествам цеолитов удавалось заменять их кальций и натрий самыми разнообразными металлами.

При обработке цеолитов сильными кислотами образовываются гели. Так, например под действием соляной кислоты цеолиты натриевой формы А и X легко разлагаются, и при этом осаждается светлый гель. Морденит устойчив даже к сильным кислотам, при его обработке удаляются только катионы, образуется водородная форма морденита.

Синтетические цеолиты обычно нестойки в кислых и щелочных средах и не выдерживают нагрева до высоких (600-800 ^оС) температур, а в присутствии воды и ниже. Это объясняет тот факт, что многие цеолиты, полученные в лаборатории, не имеют природных аналогов: в геологическом масштабе времени они разрушаются после своего образования. В известных пределах на термическую стабильность цеолитов можно влиять изменением природы катионов. Известно, что аморфизация фожазита начинается с разрушения шестичленной призмы. Отсюда понятно, что наличие катиона в центре I стабилизирует структуру. Полизарядные катионы более эффективно компенсируют общий отрицательный заряд гексагональной призмы, и цеолит, содержащий такие ионы, будет способен выдерживать более высокие температуры. Причем, чем выше заряд катиона, тем стабильнее цеолит: ионы лантана более эффективны, чем кальция. Термическая стабильность увеличивается и с ростом отношения Si/Al.

Извлечение тяжелых металлов из технических вод.

Извлечение свинца. В качестве материала для загрузки фильтра используют пыль филлипсит-шабазитового состава.

Хром. Для извлечения хрома (Cr³⁺) используют следующие цеолиты: филлипсит, шабазит, клиноптилолит, морденит и фейерит.

Кадмий. Для извлечения кадмия используют натриевый шабазит.

Кислые рудничные воды. Для очистки используют рудничные воды следующего состава:

2<рН<3. Металлы: Аl, Ca, Cd, Co, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Zn.

Для очистки необходим длительный временной контакт при пропускании через двухслойную конструкцию.

Способность клиноптилолитового туфа извлекать катионы металлов, обычно присутствующих в кислых дренажных водах.

Извлечение тяжелых металлов. Сравнение адсорбционных свойств клиноптилолита, шабазита и активированного угля показало, что клиноптилолит проявляет наиболее высокую избирательность к цезию.

http://alfa-vita.ru/products/?action=view&tid=75

Цеолит обладает строго калиброванным размером пор (около 4 ангстрем). Из этого следует, что он способен проявлять сорбционные свойства (впитывает и удерживает загрязнители подобно губке) только по отношению к ионам макро- и микроэлементов и соединениям с небольшими размерами (метан, сероводород, аммиак и др.), не вступая в прямое взаимодействие с витаминами, аминокислотами, белками и другими сложными органическими соединениями. Таким образом, в отличие от многих обычных сорбентов, время использования которых классически не должно превышать 2-х недель, цеолиты-клиноптилолиты можно использовать длительное время, поскольку он не сорбирует (не выводит) из организма полезные вещества (витамины, аминокислоты, полиненасыщенные жирные кислоты). Цеолит просто не может их сорбировать из-за малого размера своих пор.

Установлено, что безопасным для здоровья человека является только цеолиты- клиноптилолиты. Этот вид цеолитов отличается от других еще и тем, что обладает овальной формой кристалла, что безопасно для слизистой желудка и кишечника. В формуле компании Alfa Vita используются только цеолиты - клиноптилолиты, самый чистый из всех известных разновидностей цеолитов. Источником данного нутриента являются лучшие шахты в Оригоне, отличающиеся особо чистыми видами цеолита. Цеолит входящий в состав Vita Zeolite не содержит ни плесени, ни грибков, ни бактерий.

Дата добавления: 2014-01-04