Цеолиты, их структура, свойства и применение.
Введение
Цеолиты давно привлекают внимание исследователей как минералы, обладающие интересными структурными особенностями и специфическими свойствами. О перспективах все большего практического использования цеолитов говорит обширная патентная и научная литература. По данным [1] число патентов на синтез и применение цеолитов только в США, уже по состоянию на 1973 г., составляло более 2000, а число научных статей по цеолитам, опубликованных к этому же времени, - свыше 7000
Одним из замечательных свойств цеолитов является способность их кристаллов после дегидратации к резко выраженной избирательной адсорбции. Селективная адсорбция на цеолитах была открыта несколько десятков лет назад, однако активные природные цеолиты из-за их редкости трудности добычи в чистом виде не находили широкого применения в качестве адсорбентов. Значительный прогресс был достигнут в результате получения синтетических цеолитов. Цеолиты, синтезированные в лабораторных условиях, численно уже превосходят известные природные минералы этой группы, в то же время аналоги многих природных цеолитов пока ещё не синтезированы, а свойства и условия кристаллизации не исследованы достаточно полно.
Уровень современного промышленного производства синтетических цеолитов достигает нескольких сотен тысяч тонн в год и определяется главным образом, потребностями нефтехимической промышленности, где синтетические цеолиты некоторых структурных типов находят широкое применение в качестве катализаторов или их носителей. Такие цеолиты широко применяются при сушке, очистке, разделении веществ, а так же в качестве ионообменников.
|
|
|
Синтез цеолитов осуществляют кристаллизацией в гидротермальных условиях реакционной смеси, содержащей оксиды натрия, алюминия, кремния и H2O. Получаемая обычно Na- форма цеолита, может подвергаться ионному обмену с различными катионами, структурному модифицированию. Однако некоторые Na-цеолиты не могут быть использованы в качестве катализаторов или сорбентов, поэтому Na+- форму переводят водородную замещая ион Na+, на ион аммония NH4+, затем последний термически разлагают, при этом выделяется аммиак и образуется протон, который обеспечивает электронейтральность решетки цеолита. По этой причине контроль за содержанием компонентов в цеолитах, а так же за составом цеолитов после модификаций является 
особенно актуальным.
Данная работа выполнена в рамках содружества с лабораторией завода катализаторов ООО «АНХК», которая предоставила 10 синтезированных цеолитов как в Na-, так и в H- формах.
Целью данной работы явилось определение содержания (Nа, Al, Si) в синтетических цеолитах разных составов и форм.
|
|
|
Предстояло решить следующие задачи:
1. Выбор и освоение методик разложения цеолитов.
2. Выбор и освоение методик определения Nа, Al,Si в этих цеолитах.
Цеолиты, их структура, свойства и применение.
1.1 Цеолиты (от греч. zéo — киплю и líthos — камень; из-за способности вспучиваться при нагревании), алюмосиликаты, кристаллическая структура которых образована тетраэдрами [SiO4]4- и [AlO4]5-, объединёнными общими вершинами в трёхмерный каркас, пронизанный полостями и каналами. В последних находятся молекулы воды и катионы металлов (I и II групп периодической системы Менделеева), а также аммония, гидрония, тетраалкиламмония и др. введённые катионным обменом поливалентные ионы.
Цеолиты встречаются в природе и получены искусственно. Общая формула цеолита Mex/n [AlxSiyO2(x+y)]*zH2O, где Me — металл, n — его степень окисления, х — число атомов алюминия, у — число атомов кремния, z — число молекул воды.
Природные цеолиты включают около 30 минералов. К наиболее важным относятся: анальцим, ломонтит Ca·[Al2Si4O12]·2H2O, филлипсит (Na2, K2, Ca)·[Al2Si2,6-6,8O9,2-17,6]·(3,4—6,6) Н2О; натролит, морденит (Na2, Ca, K2)·[Al2Si9,0-10,6 О22,0-25,2]·(6,4—7) H2O; гейландит (Са, Na2, K2)·[Al2Si6,0-7,5O16,0-19,0]·(5,5—6,5)H2O, клиноптилолит (K2, Na2, Ca)·[AI2Si7,5-11,0O19,0-26,0]·(6—8)H2O, шабазит, эрионит· (Na2, K2, Ca)·[Al2Si5,8-7,6O15,4-19,2]·(4,8—6,8)·Н2О, фожазит· (Са, Na2, Mg, K2)·[Al2Si4,1-4,6 O12,2-13,2]·4H2O.
|
|
|
По своей морфологии цеолиты, вероятно, рекордсмены среди обитателей сообщества минерального царства. Встречаются в виде одиночных кристаллов, шаровых скоплений, друзовидных агрегатов, корочек, наростов, сплошных массивных, пористых или ноздреватых масс, розетковидных выделений, волокнистых, игольчатых, сноповидных и волосовидных образований. Также разнообразна окраска минералов, охватывающая практически всю гамму цветового ряда, но особенное многообразие отмечается в светлых тонах цветового спектра - белесые, желтоватые, зеленовато-голубоватые и розоватые оттенки. В пегматитах встречаются прозрачные кристаллы цеолитов - не только прекрасный коллекционный минерал, но и материал для редкой огранки. К примеру, в Южной Якутии в пегматитах Инаглинского массива отмечаются прозрачные кристаллы натролита размером до 1.5-2 см. В сибирском регионе встречаются во многих местах, наиболее значимыми и интересными являются месторождения исландского шпата на севере Иркутской области и в Эвенкии. Цеолиты (анальцим, десмин, гейландит) отмечаются в пустотах в виде замечательных крупных кристаллов музейного качества в асссоциациях с другими минералами:, кальцитом, исландским шпатом, натечным халцедоном, опалом и др. В южном и восточном Забайкалье встречается среди эффузивов, а также среди гидротермальных полиметаллических месторождений.
|
|
|
Структура цеолитов
При рассмотрении химических и каталитических свойств цеолитов часто достаточно феноменологического описания, однако по-настоящему понять эти явления можно, только детально изучив кристаллическую структуру цеолитов.
Из-за сложности физических свойств цеолитов им трудно дать точное определение. Так один из авторов[2] предлагает называть цеолитами “алюмосиликаты с каркасной структурой, в которой имеются полости, занятые большими ионами и молекулами воды, причем и те и другие характеризуются значительной подвижностью, что обеспечивает возможность ионного обмена и обратимой дегидратации”.
По наличию общих структурных элементов, сходных каналов выделяют 9 кристаллохимических групп цеолитов. Каркасы цеолитов группы анальцима построены четверными кольцами [Si, AlO4] тетраэдров. Из различных сочетаний четырёхчленных колец построены также каркасы цеолита группы ломонтита и филлипсита. Структуры цеолита группы натролита образованы из цепочек, которые составлены из четырёхчленных колец, соединённых Друг с другом пятым тетраэдром. Характерные элементы группы морденита и гейландитаклиноптилолита представлены пятерными петлями тетраэдров [Si, AlO4]. Одиночные шестерные кольца являются основой каркасов группы эрионита, двойные — шабазита и фожазита.
Каркасная структура построена из соединенных вершинами тетраэдров, в которых малые атомы (называемые Т-атомами) лежат в центрах тетраэдров и атомы кислорода - в их вершинах. Положения Т в природных цеолитах заняты преимущественно атомами Al и Si, но в синтетических цеолитах их можно заменить на близкие по природе атомы Ga, Ge и P. Роль больших ионов в полостях природных цеолитов выполняют одно- и двухзарядные катионы Na, Сa, K, Mg и Ba, содержание которых зависит от геохимического состава среды минералообразования и распределения элементов между кристаллизующимися минералами. В лабораторных условиях в цеолит можно путем ионного обмена или прямым синтезом ввести широкий набор других катионов. Общая формула цеолита MpDq[Alp+2qSirO2p+4q+2r]*sH2O. Поскольку каждая вершина принадлежит двум тетраэдрам, атомов кислорода в каркасе должно быть вдвое больше, чем T-атомов. Чтобы заряд компенсировался, число трехзарядных ионов Al должно быть равно сумме p (число однозарядных катионов) и 2q (удвоенное число двухзарядных катионов).
Микроскопически выделяют:
Волокнистые цеолиты - натролит, мезолит, томсонит, ломонтит, морденит, гоннардит, эрионит, феррьерит и другие;
Листоватые(пластинчатые) – стильбит, гейландит, брюстерит и другие;
Изометрические цеолиты- шабазит, филлипсит, гармотон, фоязит и другие;
Таблица 1
Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 19; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!