فرم درخواست

کانی زئولیت (Zeolite) وکاربردهای آن

 

زئوليت ها، آلومينوسيليكا ت هاي معدني كريستالي و هيدراته فلزات قليايي و قليايي خاكي با شبكه سه بعدي هستند و به دو گروه عمده تقسيم مي شوند، طبيعي مانند كلينوپتيلوليت، آنالسيم، لامومتايت، فيليپسيت، موردنيت و مصنوعي يا سنتز ي، مانند .W,ZSM-5,Zeolon,F,Gamma

 

بطوركلي سه عواملي نظيرساختمان، بافت، تركيب شيميايي و نيز ارزش اقتصادي زئولیت هاي طبيعي و فرمهاي اصلاح شد ه، آنها را منابع بالقوهاي در زمينه هاي گوناگون ساخته است كه از جمله آنها مي توان به اين موارد اشاره كر د: استفاده به عنوان كاتالیست در صنايع نفت و پتروشيمي، صنايع آتش نشاني، صنايع كشاورزي به عنوان حاصلخيز كننده و افزاينده رطوبت خاك، پاكسازي فاضلابهاي شهري، صنعتي و هسته اي از آلاينده هاي مضري نظيرفلزات سنگين و سمي، جذب و واجذب گازها و نظاير آ ن.
توليد كنندگان مهم زئوليت، كشورهاي چین، كوبا، ژاپن، آمريكا و مجارستان مي باشند كه در مجموع بيش از 3 ميليون تن از توليد زئوليت دنيا را به خود اختصاص مي دهند. در ايران نيز ذخاير زئوليت د رمناطقي نظیر ميانه، طالقان، جنوب شرق سمنان، رودهن، راين كرمان و برخي ديگر مناطق پراكنده شده است.
در اين مقاله سعي شده است پتانسيل زئوليتهاي ايران ازنقطه نظرهاي مختلف بخصو ص استفاده در كشاورزي و محيط زيست مورد بررسي قرار گير د. زئوليتها با داشتن ظرفیتهاي فو ق العاده در جذب آب و برخي عناصر غذايي مورد نياز گياهان بخوبي قادر است ضمن تامين آب مورد نياز، از هدر روي عناصر غذايي و كودها جلوگيري نماید.
زئوليت هاهمچنين در جذب و حذ ف آلاينده هاي محيط زيست ازجمله فلزات سنگين و مضر از آبهاي آلوده و فاضلابهاي شهري و صنعتي مورد استفاد ه قرارمی گیرند.
فاضلابها ممكن است حاوي كاتيونهاي عناصر سنگين مانند:روی-کادمیوم-مس-آهن-جیوه وآنيونهاي مضر چون سيانيدها باشند كه مي توانند موجب زيانهاي اكولوژيكي و زيست محيطي فراواني گردند و زئولیت ها نقش اساسي در پالايش اين كاتيونها و آنيونها دارند.

 زئوليت در طبيعت ممكن است داراي منشاء ماگمايي به همراه سنگهاي آذرين بوده و يا به صورت كاني ثانويه در اثر دگرساني تشكيل گردد. در خصوص نحوه تشكيل كانيهاي زئوليتي چهار نظريه مطرح است (خلقی 1369) تشكيل زئوليتهاي ثانويه در اثر دگرساني هيدر وترمال، تشكيل زئوليت در اثر دگرگوني دفني،تشكيل زئوليت و كانيهاي رسي در اثر عوامل هوازدگي پاره اي از خاكهاي سطحي و نيز تشكيل زئوليت و كانيهاي ديگر در اثرچرخش آب در دو سيستم باز و بسته.
زئوليت ها از نظر تركيب، پاراژنز و محل پيدايش با هم ديگر همساني چشمگير ي دارند. اين كانيها دربردارنده مقدار زيادي آب هستند و سختي آنها از5/3تا5/5 وجرم حجمی آنهااز2تا4/2 گرم برسانتی متر مکعب متغیراست. زئوليتها بزرگترين گروه تكتوسيليكاتها را تشكيل ميدهند و 35 نوع توپولوژي مختلف در آنها شناسايي شده است كه احتمالاً انواع بيشتري نيز وجود خواهد داشت.تاكنون بيش از 40 نوع زئوليت طبيعي و بيش از150نوع زئوليت مصنوعي شناخته يا ساخته شده است. انواع مختلف زئوليت درساختمان شبكه سه بعدي سيليكاتهاي آبدار نوع داربستي (تكتوسيليك) متبلور مي شوند.

معروف ترين زئوليت هاي طبيعي به همراه فرمول شيميايي، سال كشف وكاربردشان آمده است.
نام كاني زئوليت   سال کشف      فرمول شيميايي       كاربرد
ناتروليت    Na2Al2Si3O10.2H2O    1758    جذب هيدروكربنها
تامسونيت    NaCl2Al5H20.6H2O    1801    جذب هيدروكربنها
فيليپسيت    K2,Na2,Ca)(Al2Si6)O16.6H2O    1824    بازيافت
استيلبيت    Na2,Ca)(Al2Si7)O18.7H2O    1756    جذب فلزات سنگين
شابازيت    Na2,Ca)(Al2Si4)O12.6H2O    1772    جذب جيوه و نقره- جدا نمودن تركيب الكلها
لامونتيت    Ca (Al2Si4)O12.4H2O    1785    جذب پارافين و الكل
موردنيت    K2,Na2,Ca)(Al2Si10)O24.7H2O    1864    تغليظ ليتيم
كلينوپتيلوليت    Na6 [(AlO2)6(SiO2)3O].24H2O    1890    اصلاح خاكهاي آلوده- جذب نيتروژن

خواص عمومي زئوليت ها
ازجمله خواص منحصر به فرد زئوليتها ميتوان به موارد زير اشاره نمود(گوتاردي و گالي،1985):

الف)تبادل كاتيوني
اين خاصيت به يونهاي با اتصال ضعيف در زئوليت مربوط است كه به آساني با يونهاي ديگر جابجا ميشوند . زئوليت هاي مختلف ازنظر تبادل كاتيوني براي كاتيونهاي مختلف ترتيب مشخصي دارند. در كلينوپتيوليت، جانشيني ازCs به سویMg  كاهش مي يابد:
Cs>Rb>K>NH4>Ba>Sr>Na>Ca>Fe>Al>Mg>Li
در شابازيت، جانشيني ازK به سوی Ca کاهش می یابد:
Ti>Cs>K>Ag>Rb>NH4>Pb>Na=Ba>Sr>Ca>Li
زئوليت براي جداسازي يونهاي منيزيم و كلسيم در پاك كننده ها، كود و خاك، غذاي حيوانات و نيز براي جداسازي نيتروژن به صورت آمونياك و فلزات سنگين )گيوني و همكاران2007( در كشاورزي آبي،
غذاي حيوانات خانگي )مومپتون و فيشمن،1977(فاضلاب كشاورزي و جداسازي NH3،H2S ،SO2 ،CO2
از فضولات جانوري) لو و ليندزي2006( گازهاي زائد، گازطبيعي شور و آلوده به كار مي رود.
 
ب) فيلتر(غربال) مولكولي
چنانچه زئوليتها در دماي  350 تا 400  درجه سانتيگراد براي چند ساعت حرارت داده شوند، آب موجود در مجاري و فضاي كانال مانند آنها آزاد ميشود و زئوليتهاي بي آب بدست مي آيند. قطر فضاهاي كانال مانند، مشخص و تابع تركيب شيميايي، زئوليتها است. قطر اين فضاها در زئوليت هاي پتاسيمدار، سديم دار و كلسيم دار به ترتيب 4،3 و5 آنگستروم است.موادی كه ابعاد مولكولي آنها كمتر از قطر فضاي زئوليت باشد، جذب ميشوند و آنهايي كه بزرگتر هستند، دفع خواهند شد.
بااستفاده از زئوليتها ميتوان مواد هيدروكربوري را از يكديگر جدا كرد. قابليت جذ ب سطحي بعضي از زئوليت ها تا 30درصد وزن آنها است . جانشيني كلسيم به جاي سديم به ميزان 30 درصد قطر كانال هاي زئوليت را افزايش مي دهد و جانشيني پتاسيم به جاي سديم موجب كاهش قطر كانال ميشود. زئوليتها ميتوانند مواد سمي يا مواد با فعل و انفعال زياد را در خود جذب كنند و به اين ترتيب استفاده از مواد سمي جذب شده امكان پذيرگشته است. از زئوليتها در پليمريزه كردن پليمرها ولاستيكها و همچنين در چاپهاي رنگي استفاده مي شود.

ج )جذب و دفع            
كانالهاي زئوليت پس از تخليه آب، براي جذب ساير مولكولهاي كوچك آماده ميشوند.اين مولكولهاي كوچك، بي آنكه راهي براي مولكولهاي بزرگتر وجود داشته باشد، به سوي داخل جذب ميشوند . در روند رقابت در جذب مولكول ها،مولكولهاي پلاريزه كه نتيجه فعل و انفعالات الكترواستاتيك، پر شدن چارچوب و يونهاي شناور است، بر ساير مولكول ها ترجيح داده ميشود. اندازه حفره هاي مؤثر توسط ابعاد شبكه كنترل ميشود. يك زئوليت ممكن است توسط تبادل يوني و نوع جذب تغيير كند. ظرفيت جذب و همچنين ثبات زئوليت، با استخراج يون آلومينيوم از چارچوب آن افزايش مي يابد.
يون آلومينيوم خارج شده از اين چارچوب جاي خود را به يونهاي هيدروژن مي دهد. در نتيجه، ساختمان بدست آمده شبيه4 (oH)جايگزين شده برای sio4 است كه در هيدروگارنت شناخته شده است.
يونهاي جذب شده را ميتوان با افزايش فشار يا حرارت بيرون كرد يا يونهاي ديگر را جانشين آن كرد يا به آن افزود تا جايي كه در اثر حرارت، تخريبي در اين فعل وانفعال بوجود نيايد.

د) جذب آب و برخي تركيبات آلي
قدرت جذب آب زئوليت و از دست دادن آن بدون تخريب ماتريكس ميتواند سطح رطوبت را در مناطق كم رطوبت كنترل كند. با تغيير در مقدار رطوبت خاك انرژي گرمايي توده خاك نيز به مقدار قابل ملاحظهاي تغيير ميكند. بنابراين نوسانات درجه حرارت در خاكهاي مرطوب به مراتب كمتر از خاكهاي خشك است. زئوليتها همچنين قادرند حمل كننده بسياري ازحشره كشها، آفتكشها و قارچ كشها باشند)تايلر و كريستالوگر،1930).

و) جذب انتخابي
جذب و جانشيني يوني در زئوليتها انتخابي است. زئوليتها مولكولهايي را كه داراي گشتاور قطبي دائمي باشند، در بيشترموارد جذب مي كنند. شعاع و شكل هندسي مولكول و فضاهاي خالي موجود در زئوليتها از عاملهاي مهم در جذب وجانشيني به شمار مي آيند.
زئوليتهاي سديم دار مي توانند  H2o،Co2،So2  و هيدروكربنهايي را كه دست كم دو اتم كربن داشته باشند، جذب كنند همچنين زئوليتهاي كلسيم دار مي توانند پارافين و الكل را جذب كنند.
در ايران علي رغم وجود منابع و ذخاير عظيم اين ماده معدني، تاكنون كارهاي علمي و تحقيقاتي قابل توجهي در جهت بررسي امكان استفاده از آنها در زمينه هاي مختلف فوق الذكر به عمل نيامده است.
در اين مقاله سعي شده است تعدادي از كارهاي انجام شده بر روي زئوليتهاي طبيعي و مصنوعي، در زمينه استفاده از آنها در جذب و حذف كاتيونهاي سنگين ومضر از فاضلابهاي شهري و صنعتي درکشورهای مختلف مورد بحث قرار گيرد.

كاربرد زئوليتها دركشاورزي
بطور كلي سه عامل ساختمان شيميايي، فراواني و قابليت دسترسي و نيز ارزش اقتصادي، زمينهز هاي كاربردي فراواني را براي زئوليتها فراهم آورده است. با وجود فراواني و وفور زئوليت طبيعي، در بسياري از موارد نمي توان با زيوليتهاي مصنوعي رقابت نمايد و هنور بازار عمده مصرف در انحصار زئوليتهاي مصنوعي با قيمت تقريبي هر كيلوگرم 50000 ريال است.(گنجی،خرمدل،1387)
يكي از مصارف مهم زئوليتها در كشاورزي است؛ برخي از زئوليتها پس از انجام تبادل يوني با كاتيونهاي مغذي و اساسي مورد نياز گياهان مانند پتاسيم و آمونيم ميتوانند به عنوان حاصلخيز كننده هاي يوني به خاك افزوده شوند. يونهاي مغذي موجود به تدريج از درون فاز زئوليت رها مي شوند و در دسترس گياهان قرار ميگيرند. افزون بر يونهاي مغذي اصلي از اين راه ميتوان يونهاي مورد نياز گياهان نظير آهن، مس، منگنز و روي را نيز در دسترس گياهان گذاشت.
بكارگيري زئوليتهاي ناخالص به جهت كاهش هزينه و قيمت امكان پذير است. زئوليتها همچنين مي توانند به عنوان رقيق كننده به كودهااضافه شده و در بهبود شرايط فيزيكي و نگهداري رطوبت خاك مؤثر واقع شوند.
زئوليتها از راه واكنشهاي تبادل يوني ويا از شيوه هاي تركيبي واكنشهاي تبادل يوني و واكنشهاي انحلال كانيها، مواد حاصلخيز كننده را به كندي و به تدريج دردسترس گياهان مي گذارند. زئوليتي مانند كلينوپتيلوليت مي تواند به عنوان ماده اي براي رها سازي آهسته مواد عمل كند تا ميزان عرضه در كودهاي پرفشار آمونيكي را كاهش دهد، چرا كه عرضه زياد اين كودها مي تواند براي محصولات كشاورزي سمي بوده و ريشه آنها را بسوزاند. از طرف ديگر هدر رفتن آن را در اثر زهكشي آب باران كم مي كند از راه تبادل كلينوپتيلوليت اشباع ازپتاسيم، مي توان پتاسيم و به كمك كلينوپتيلوليت اشباع ازNH4 ،نيتروژن را در دسترس گياهان گذاشت.
 به تازگي، مشخص شده است كه مخلوط كلينوپتيلوليت اشباع ازNH4 ؛ با سنگ فسفاته( آپاتيت) به طور همزمان و به صورت تدريجي  Nو   Pراآزاد مي سازد و به خاك اضافه مي كند. توانايي جذب آب توسط زئوليت جالب و مهيج است.زئوليتها تا 70 درصد وزني خودشان آب جذب مي كنند و بدون اينكه وضعيت خاك بهم بخورد يا غرقات شود، رطوبت خاك را حفظ مي كنند.
 براي كشت و پرورش گياهان 25% زئوليت به خاك كشاورزي اضافه مي شود. بدين منظورتقريباً 5/1سانتيمتر زئوليت بر روي خاك پاشيده ميشود و با شنكش يا كج بيل و يا هر وسيله ديگري آن را با خاك مخلوط مي كنند.
در تجاربي ديگر مشخص شده است كه افزودن 10درصد زئوليت به خاك كشاورزي، به حاصلخيزي خاك، تهويه و جذب آب در خاك منجر مي شود. اين امر سبزي پايدار، سلامتي و استحكام گياهان را به دنبال خواهد داشت. هزينهاي كه براي اضافه كردن زئوليت به خاك صرف مي شود با افزايش محصول گياهان جبران خواهد شد.
چنانچه كودهاي شيميايي يا مواد حاصلخيز كننده به نسبت 50 با زئوليت مخلوط شده و به وسيله كودپاش در زمينهاي كشاورزي پراكنده شوند، به بهبود تهويه هواي خاك و حاصلخيزي خاك كمكي شايان توجه مي شود زيرا زئوليتها مواد حاصلخيزكننده حل شده در آب را در ساختار غربالي خود جاي مي دهند و از بيرون رفتن آن از خاك جلوگيري ميكنند ومجدداً به تدريج در دسترس خاك مي گذارند.
 زئوپونيكس به تازگي به عنوان فرآيندي مهم در علم توليد غلات، مديريت خاك و پرورش گلها مورد توجه قرار گرفته است. اين اصطلاح براي توصيف كشت گياهان در خاك مصنوعي دربردارنده زئوليت، ورميكوليت و تورب( زغال سنگ نارس) استفاده مي شود.

كاربرد زئوليتها در تصفيه آب
يكي ديگر از مصارف زئوليتها، كاهش سختي آبهاي آشاميدني و صنعتي است.يكي از روشهاي كاستن درجه سختي آب،عوض كردن يونها و متداولترين آن روش پرموتيت است كه در آن آب سخت را از صافيهاي سربسته تحت فشار مي گذرانند. در اين صافيها، ذرات رزين از سيليكات آلومينيم آبدار يعني زئوليت بصورت طبيعي خود و يا به صورت مصنوعي(پرموتيت) تشكيل مي شوند.
بسته به درجه سختي آبي كه تصفيه مي شود، زئوليتها پس از مدتي خاصيت خود را از دست مي دهند. در اين صورت بايستي براي ادامه كار مطابق روابط زير:
                                                             Na2(Zeolite) + CaCl2 = Ca(Zeolite) + 2NaCl
                                                          Mg (Zeolite) + 2 NaCl = Na2 (Zeolite) + MgCl2
با جريان آب نمك غليظ، سيليكات كلسيم و منيزيم بدست آمده در صافي را دوباره به زئوليت كارآمد و احياء شده تبديل كرد. از اين گونه صافيها اكنون در تصفيه خانه آب آشاميدني شهر كرمان استفاده مي شود. به جاي پرموتيت مي توان از تركيبات ديگر نظير وفاتيت (Wofatite) و لواتيت (Lewatite) ا ستفاده كرد.
كاربرد زئوليت ها در تصفيه فاضلاب
استفاده از زئوليت در يك روش پيشرفته تصفيه فاضلابها با نام اختصاري  RIM-NUT گزارش  شده است. در اين روش كه براي تصفيه فاضلابهاي شهري و صنعتي، دربردارنده عواملي زيان بخش مانند يون هاي فسفات و آمونيم، از دو ستون كلينوپتيلوليت(Cl-C2) و دو ستون دربردارنده كاستل(A510 Kastel) A 510 كه رزين مبادله كننده يوني است ، استفاده مي شود.(اعظم،1382)
درروش  RIM-NUTبه محلول بدست آمده از بازيافت ستونهاي تبادل يوني، تركيبات Na2CO3, H3PO4
MgCl2.6H2O, NaOH  مي افزايند، در نتيجه MgNH4.6H2O ته نشين مي شود. اين ماده به عنوان يك حاصلخيز كننده خاك با كيفيت بالا بكار گرفته مي شود. ميزان حذف و جذب NH4+بالاتر از 80 درصد و ميزان آن در خروجي سيستم كمتر از 15ميلي گرم بر ليتر و برابر با استاندارد جهاني براي فاضلاب ها است.
افزون بر آلودگي آبهاي صنعتي بخشي زياد از آبها در آمريكا با نيتروژن حاصل از تراوش فضولات حيوانات علفخوارجويبارهاي آلوده ناشي از فرآيند تغذيه گياهان، آلوده مي شود.در آمريكا سالانه چندين ميليون تن از فضولات حيواني توليد مي شود كه تجزيه آنها مشكلي بزرگ به شمار مي آيد. اين معضل در مكانهاي نزديك به مراكز شهري، بسيار حاد است كه بايد از ديدگاه آلودگي آب و هوا تحت كنترل درآيند. كلينوپتيلوليت در اين موارد نقشي سودمند و دوگانه را بازي مي كند.
اين زئوليت نه تنها بخش بزرگ نيتروژن آمونياكي را از آبهاي آلوده بيرون مي كشد بلكه هاله هاي آمونياكي را كه حاصل تجزيه فضولات حيواني هستند و تا كيلومترها از محل اوليه خود دور شده اند، كاهش ميدهد. زئوليتهاي سديم دار مي توانند,So2، CO2, H2Oو هيدروكربن هايي را كه دست كم دو اتم كربن داشته باشند، جذب كنند.زئوليتهاي كلسيم دار ميتوانند پارافين و الكل را جذب كنند.
مصارف مهم زئوليتها در جدول(2) و كاربرد زئوليتها در كشورهاي مختلف در جدول(3) گزارش گرديده است.
 
 
نتيجه گيري
زئوليتها تركيباتي عمدتا طبيعي، ارزان و در دسترس براي استفاده هاي مختلف بشمار مي آيند. ويژگي هايي نظير قدرت جذب و دفع يوني و نيز قابليت جذب آب باعث شده است تا اين كاني ها بطور فز آينده اي در كشاورزي و تصفيه آب وفاضلاب كاربرد جدي تري پيدا نمايد. اصلاح خواص فيزيكي خاك ها نظير ذخيره كافي رطوبت و نيز خواص شيميايي آنها مانند تغيير در ظرفيت تبادل يوني خاك مصارف زئوليت ها را در كشاورزي و افزايش راندمان استفاده از كودهاي شيمياييافزايش داده است.
از سوي ديگر ظرفيت زياد ز ئوليتها در جذب آلاينده هاي كاتيوني زمينه استفاده از آنها را در فر آيندهاي تصفيه آب و فاضلاب گسترش داده است . با توجه به نتايج حاصل، استفاده از كلينوپتيلوليت در فر آيند تصفيه آبها اعم از فاضلابهاي صنعتي، شهري و نيز در تصفيه آب شرب و نيز زمينه هاي مختلف  کشاورزي و دامپروري توصيه مي شود . ارزان بودن، بي خطر بودن براي خاك و محيط زيست و راندمان بالا در حذف آلاينده ها مي تواند از جمله موارد با اهميت در انتخاب اين كاني طبيعي بعنوان اصلاح كننده خاك و نيز تصفيه كننده آبهاي آلوده و فاضلابها در ايران به شمار آيد.