کاربرد زئوليت ها

زئولیت ها ، معرفی و انواع

کاربرد زئوليت ها

عنوان مقاله : کاربرد زئوليت ها[1]

چکيده

زئوليت ها، آلومينوسيليکاتهاي بلورين هستند که ساختارهاي ويژه و حفره دار دارند. زئوليت ها ويژگي هاي خاصي مانند توانايي تبادل يوني[2]، جداسازي مولکولها بر اساس شکل و اندازه، خاصيت کاتاليزوري دارند که باعث شده در صنايع کاربرد زيادي داشته باشند. که اين کاربرد ها عبارتند از: تبادلگر يوني، جاذب رطوبت، نرم کننده آب، کراکينگ کاتاليزوري نفت و همچنين نقش کاتاليزوري زئوليت ها در سنتز ترکيبات آلي چشمگير است که موجب مي شود فرآورده هايي با درصد خلوص و گزينش پذيري بالا بدست آيد.

مقدمه

زئوليت ها، آلومينو سيليکاتهاي بلورين با فرمول عمومي [(AlO2)x(SiO2)y]x-.zH2O هستند که M مي تواند کاتيون فلزي يا يون H+ باشد. نسبت در زئوليت ها در گستره زيادي تغيير مي کند. اسکلت اصلي هر زئوليت از واحدهاي چهاروجهي TO4، ساخته شده است که T مي تواند اتم سليسيم يا آلومينيوم باشد.

اولين زئوليت سنتزي به نام آناليست در سال 1930 سنتز گرديد و در سالهاي بعد، روش سنتز و خصوصيات زئوليت ها شامل ظرفيت تبادل يوني، پايداري و توانايي جذب براي مطالعه مورد توجه قرار گرفت، خاصيت تبادل يوني ناشي از ساختار ويژه آنها است. تبادل يوني در زئوليت ها به عواملي چون ماهيت زئوليت، اندازه بار، ميزان هيدراتاسيون

تغيير داد. همچنين زئوليت ها يک ساختمان حفره دار دارند که فقط مولکولهايي مي توانند از منافذ

چهارچوب زئوليت و ساختار چند نمونه از زئوليت ها
چهارچوب زئوليت و ساختار چند نمونه از زئوليت ها

شکل 1- چهارچوب زئوليت و ساختار چند نمونه از زئوليت ها

عبور کنند که قطر آنها کوچکتر از قطر مؤثر مدخلها است و به اين ترتيب مولکولهايي با اندازه متفاوت را مي توان از هم جدا کرد که به همين دليل به زئوليت ها اصطلاحاً الک هاي مولکولي[3] نيز مي گويند. لازم به ذکر است حدود کاربرد زئوليت ها در صنعت بعنوان کاتاليزگر بکار مي رود که نقش مهمي را در صنعت بعهده دارد.

واژگان : زئوليت ، الک مولکولي ، گزينش پذيري

چند نمونه از کاربرد زئوليت ها:

1- زئوليت ها بعنوان جاذب رطوبت

الف- شيشه هاي چند جداره:

بين دو جدار شيشه هوا يا يک گاز وجود دارد. براي اينکه سطح داخلي شيشه ها عرق نکند گاز مربوطه بوسيله دانه هاي زئوليت خشک نگهداشته مي شود. خواص جذب دانه هاي زئوليت آنقدر خوب است که سطح داخلي شيشه ها حتي در دماهاي خيلي پائين( تا 70- درجه سانتي گراد) عرق نمي کند. علاوه بر آن در اثر تابش شديد خورشيد هم واجذب مشاهده نمي شود. که اگر اين چنين نبود در اثر حرارت، بخار آب منبسط شده و ايجاد فشار مي نمود که موجب خطر مي شود.

ب- خنک کننده ها( يخچالها):

در سيکل خنک کننده يخچالها، فريزرها و غيره، غالباً هيدورکربن هاي فلوئوره شده مصرف مي شود( بعنوان خنک کننده). براي جلوگيري از زنگ زندگي و همچنين خشک نمودن مواد خنک کننده در مسير عبور گازهاي خنک کننده، دانه هاي زئوليتي قرار مي دهند که مواد خنک کننده از دانه هاي زئوليتي عبور کرده و بدين ترتيب خشک باقي مي ماند.

2- زئوليت ها بعنوان نرم کننده آب سخت

شوينده هاي سنتزي:

شوينده ها در مصارف خانگي موجب افزايش po43- در فاضلاب ها و نهايتاً در پسابها مي شوند که اين مسئله بويژه در پسابهاي راکد، موجب متعفن شدن مي شود و همچنين موجب رشد سريع جلبک ها شده و جلبک ها اکسيژن آب را مصرف مي کنند که باعث از بين رفتن آبزيان مي شود. بنابر اين در صنعت هميشه سعي می کردنند ومي کنند که موادي جايگزين براي فسفاتهاي مورد استفاده در شوينده ها پيدا کنند.

در حال حاضر مهمترين ماده مورد استفاده در شوينده ها، زئوليت A است اين زئوليت بعلت گزينش پذيري بالايي که نسبت به مبادله يون Ca2+ دارد، يون Ca2+ و مقدار جزئي هم يون Mg2+ را از آب و چرک خارج مي سازد و موجب افزايش پاک کنندگي مي شود. چون زئوليت A قابليت حل کردن چرک را ندارد. به همين دليل استفاده کم از فسفات ها در شوينده ها هم ضروري است که چرک را از لباس جدا کند و موجب پاک شدن لباس شود.

3- زئوليت ها بعنوان کاتاليزورهاي شکل گزين

چون زئوليت ها ساختار حفره اي دارند، تنها مولکولهايي که کوچک تر از اندازه حفره باشند مي توانند از منافذ زئوليت ها عبور کننده و آنهايي که بزرگتر باشند عبور نکرده و باقي مي مانند به همين دليل به زئوليت ها الک هاي[4] مولکولي يا غربالهاي مولکولي مي گويند. همين امر موجب شده که زئوليت ها در واکنش هاي شيميايي بعنوان کاتاليزگر ها ي شکل گزين عمل کنند. کاتاليزرهاي شکل گزين به سه دسته تقسيم شده اند:

الف. شکل گزينی بر اساس شکل واکنشگر[5]

شکل 2آ رقابت ميان n- اکتان و 2و 2و 4 تري ميتيل پنتان را براي کراکينگ نشان مي دهد. مولکولهاي 2و2و4- تري متيل پنتان در موقع وارد شدن واکنشگر ها به حفره هاي زئوليتي بعلت حجيم بودن از مخلوط واکنشگر خارج مي شود. بنابراين از رسيدن به مقرهاي کاتاليزوري داخل حفره ها باز مي ماند و آنها فقط در مقرهاي کاتاليزري که در سطح خارجي کريستالهاي زئوليت قرار دارد مي توانند تبديل شوند که بعلت کم بودن تعداد مقرهاي فعال خارجي، مقدار خيل کمي از آن تبديل شده و بقيه بدون تبديل رآکتور را ترک مي کنند. ولي مولکولهاي n- اکتان بعلت اينکه براحتي وارد حفره هاي داخلي مي شوند در نتيجه اکثراً به محصول تبديل مي شوند.

ب- شکل گزيني بر اساس شکل محصول[6]

شکل2آ مثالي از کاتاليزورهاي اسيدي براي اتيل اسيون تولوئن را نشان مي دهد.

واکنشگرها به اندازه کافي کوچک هستند و به راحتي وارد حفره هاي زئوليت مي شوند. اما محصولاتي مي توانند حفره ها را ترک کنند که به اندازه کافي کوچک باشند( يعني از ايزومرهاي ارتو، متا و پارا، فقط پارا به راحتي از حفره ها خارج مي شود.) محصول با مولکولهاي حجيم تر(m,o) فقط ممکن است در حفره هاي نسبتا بزرگ (محل تقاطع کانالها) تشکيل شوند ولي نمي توانند از حفره ها خارج شوند. سرانجام اين مولکولها تغيير شکل مي دهندو به ايزومر پارا تبديل مي شوند تا کوچکتر شده وبتوانند از حفره ها خارج شوند.

پ-. شکل گزيني بر اساس شکل حلت گذار[7]

شکل2آ- رقابت ميان ايزومريزاسيون و الکاليزاسيون متاگزيلن را نشان مي دهد.

تحت تأثير يک مقر اسيدي متاگزيلن مي تواند متحمل ايزومريزاسيون شده و به پاراگزيلن تبديل شود. در شرايطي که

آ ب

شکل2- مثالي از سه نوع شکل گزيني

اگر از زئوليت استفاده نشود، همراه واکنش ايزومريزاسيون، واکنش الکاليزاسيون هم صورت مي گيرد که منجر به توليد تولوئن و تري متيل بنزن مي شود.واکنش ايزومريزاسيون از حالت گذاري که حدواسط يک مولکولي دارد مي گذرد ولي آلکاليزاسيون از حالت گذاري که حدواسط دو مولکولي دارد مي گذرد. اما در يک زئوليت با عرض حفره هاي مناسب، اتافک هايي به اندازه کافي مناسب و راحت براي حالت گذار با حدواسط يک مولکولي وجود دارد ولي اتافک هاي مناسب براي تشکيل حدواسط هاي حجيم دو مولکولي را ندارد. در نتيجه زئوليت مانع از واکنش الکاليزاسيون مي شود و واکنش فقط از طريق ايزومريزاسيون پيش مي رود.

4- زئوليت ها کاتاليزورهاي ناهمگن با خصوصيات ويژه

در دنياي صنعتي امروزه کاتاليزورها نقش مهمي را در فرآيندهاي صنعتي ايفاء مي کنند، براي شيميدانان امروزي کاتاليزور اکسيري است که توسط آن مواد اوليه و ارزان قيمت به فرآورده هاي با ارزشي چون سوخت، پلاستيک، دارو، … تبديل مي شود.

در اين ميان زئوليت ها با توجه به خواص ارزنده خود به عنوان کاتاليزورهاي ناهمگن نقش برجسته اي دارند ويژگي هاي خاص زئوليت ها نظير بر جذب و خواص تعويض يوني از مدتها پيش شناخته شده اند ولي آنچه امروزه استفاده از زئوليت ها را در صنايع رونق بخشيده است، خواص کاتاليزوري آنها است، استفاده از کاتاليزور زئوليتي موجب تحول عظيمي در کراکينگ کاتاليزوري شده. بر اساس گزارش سال 1992 مجمع تحقيقات ملي در ايالات متحده استفاده از زئوليت ها که از سال 1962 آغاز گرديده موجب افزايش فوق العاده اي در ميزان تبديل نفت خام به بنزين شده است. اين مسئله موجب کاهش مصرف چهارصد ميليون بشکه نفت در سال گرديده که معادل هشت ميليارد دلار صرفه جوئي در سال شد.

5- کاربرد زئوليت ها براي سنتز ترکيبات آلي

الف- سنتز پيروليدين از THF

Conv% Sel% زئوليت

53 91 HL

61 82 HY

ب- سنتز پيرول و تيوفن از فوران

Sel: 100%

Conv: 14%

پ- سنتز گاما- بوتيرولاکتون از 1و4- بوتان دي ال

Sel:91.5%

Conv:99.4%

ت- اکسيداسيون شيميايي با استفاده از زئوليت TS-1

6- کاربردهاي ديگر از زئوليت ها

1- حذف مواد آلوده کننده اي نظير NO2 , NO, SO2 , CO از گازهاي خروجي اگزوز اتومبيل ها .

2- فرايند جداسازي از قبيل جداسازي هيدورکربن هاي مختلف – جداسازي مخلوط گلوکز و فروکتوز- جداسازي آنتي بيوتيک ها.

3- در ساختن بعضي از معرف هاي ضدباکتري و ميکروب، که به اين منظور از فرم تعويض شده يون نقره بجاي يون سديم زئوليت هاي Xو Y استفاده مي شود.

4- بعنوان اطفاء حريق که اين کار از طريق آزادسازي گازهاي برجذب شده اي مثل بخارآب و دي اکسيد کربن، آزاد کردن بازدارنده هاي شعله مثل هاليدهاي آلي.

5- حذف کاتيونهاي فلزهاي سنگين سرب، روي، کلسيم، کادميم و نيکل از پساب هاي صنعتي.

6- با توجه به اينکه تاکنون امکان ساخت منبع ذخيره هيدروژن به شکل ايمن و کارا وجود نداشته که بتوان از آن بعنوان سوخت در خودرو استفاده کرد ولي مي توان گاز هيدروژن را در حفره زئوليت ها ذخيره کرده و در مواقع لازم آنرا آزاد کرده و استفاده نمود.

نتيجه گيري

با توجه به اينکه زئوليت ها ساختار حفره دار دارند و همچنين مي توانند يونهايي را مبادله کنند و بعلت اينکه مي توانيم انواع فلزها را در چارچوب آنها قرار دهيد. به همين دليل کاربرد کاتاليزوري زيادي در صنايع پيدا کرده و لذا با توجه به اينکه در واکنش هاي آلي مي تواند با استفاده از زئوليت ها محصولي با درصد تبديل وگزينش پذيري بالا بدست آورد. پس لازم است که در کشور ما تحقيقات زيادي روي زئوليت ها انجام شود.

منابع

  1. J.Weitkamp,S.Ernst. / Catalysis Today 19(1994)107-150

  2. C.B.Dartt, M.E.Davis/ Catalysis Today 19(1994)151-186

  3. Y.Sugi,M, Toba/ Catayisis Today 19(19994)187-212

  4. علي اکبر هاشمي پژند، پايان نامه کارشناسي ارشد، 1376، دانشگاه گيلان

  5. جزوه درسي شيمي آلي- فلزي پيشرفته، دکتر يزدان بخش، دانشگاه گيلان

  6. حسين قاسمي مبتکر، حسين کاظميان ( از سازمان انرژي اتمي ايران )، نشريه شيمي و مهندسي شيمي ايران، مجله دوره 24 شماره 2 سال 1384،

  7. مريم اعظم، پايان نامه کارشناسي ارشد، دانشگاه اصفهان 1382

  8. سايت www.irannano.org

  1. -Zeolites

  2. – Ione Exchenge

  3. – Molecular Sieve

  4. – Molecular Sieve

  5. – Reactant Shape Selectivity

  6. -Product Shape Selectivity

  7. -Restricted Transition State Shape Selectivity

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

question