дома нескучно
Как весело и с пользой пережить самоизоляцию

Цеолит

9 November 2019

Цеолит образуется в гидротермальных условиях из богатой щелочью гидрогелиевой системы, содержащей алюмосиликаты.

В такой системе вода является основным компонентом, играющим две роли

  • реактивная
  • реакционная среда

Щелочные водные растворы растворяют и транспортируют материал из полимеризованного алюмосиликатного геля в растущие кристаллы. Растворение и перенос алюмосиликатных прекурсоров приводит к пересыщенною и зарождению в определенных зонах системы.

Google картинки
Google картинки

Зарождение цеолита — это спонтанный процесс, который в определенной степени может контролироваться в лабораторных условиях.

Например, контролируя количество ядер в системе, можно настроить максимальный размер кристалла поскольку после исчерпания резервуара питательных веществ рост кристаллов прекращается.

Основными параметрами, регулирующими образование цеолита, являются состав геля и температура кристаллизации. История реактивов, их чистота и смешивание могут также влиять на синтез цеолита.

Время старения геля-прекурсора является еще одним важным параметром, который представляется критическим для некоторых типов цеолитов.

Температура кристаллизации колеблется в диапазоне от 80 до 180 °C, но синтез происходит также при температуре окружающей среды или значительно выше 180 °C.

Кристаллизация различных типов цеолитов может длиться от нескольких минут до нескольких недель. Время кристаллизации важно не только для получения высоко кристаллического материала цеолита, но и для предотвращения превращения желаемого продукта в другую фазу.

Цеолиты представляют собой метастабильные фазы, которые при длительном контакте с исходным раствором могут превращаться в более стабильные и плотные кристаллы.

Сеть пор и полостей в каркасе цеолита структурирована по видам шаблонов, которые могут быть удалены после образования цеолита.

Google Картинки
Google Картинки

В природных цеолитах роль шаблона играют щелочные водно-металлические скопления.

Впервые ввели тетраалкиламмоний катионы в синтез цеолита, что привело к образованию более богатых кремнием цеолитов.

Далее этот подход был распространен на синтез структур кремнезема с очень высоким содержанием кремнезема и цельно кремнеземистого цеолита.

Помимо расширения соотношения Si/Al до бесконечности, использование органических шаблонов обеспечивает большую гибкость для включения переходных металлов в цеолитовые каркасы.

Получены цеолиты с определенным количеством каркаса Ti, B, P, Fe, Ga или Ge, и некоторые из них, такие как Ti-силикат-1, TS-1, достигли большого коммерческого успеха. Следует отметить влияние Ge на синтез цеолитов сверхкрупных пор.

Благодаря меньшему углу связей Si-O-Ge и Ge-O-Ge по сравнению с соединениями Si-O-Si, богатые геем исходные системы образуют небольшие четырех- и трехчленные кольцевые единицы и, следовательно, цеолиты с меньшей плотностью структуры.

Некоторые из этих материалов представляли поры размером от 1 до 2 нм и преодолевали разрыв между классическими цеолитами и мезопористыми материалами.

К сожалению, ни один из этих материалов не достиг стадии промышленного использования из-за проблем со стоимостью и термостабильностью.

Цеолиты часто концептуально классифицируются единицами, составляющими структуру цеолита.

Так называемые "узлы вторичного строительства" SBU — это простые полиэдры, которые в результате различных симметричных операций образуют различные типы каркасов.

Количество Т-атомов, т. е. атомов в "тетраэдрической" координации, а именно Si и Al, образующих цеолитовый канал, в значительной степени определяет размер раскрытия пор, что является важным признаком микропористые молекулярные сита.

Переменный химический состав.

Химия цеолита может настраиваться в очень широких диапазонах, во-первых, путем изменения соотношения Si/Al от 1 до бесконечности и, во-вторых, путем включения гетероатомов в структуру цеолита.

Свойства цеолитов к ионообмену обеспечивают дополнительную гибкость в настройке химического состава цеолита.

Важные свойства, связанные с химическим составом цеолитов, таковы:

  • Химическая и термическая стабильность
  • Гидрофильное/гидрофобное взаимодействие
  • Количество, прочность
  • Распределение кислотных участков
  • Экологически чистые материалы

Кислотно-щелочные свойства цеолитов в сочетании с исключительной селективностью формы, термической и механической стабильностью делают цеолиты идеальными гетерогенными катализаторами.

Google картинки
Google картинки

Селективность формы и диполярные взаимодействия между гостевыми видами и структурами цеолита лежат в основе широкого использования цеолита в качестве адсорбционного и разделительного материала.

Эти приложения сильно зависят от характеристик пор, природы катионов заряда-балансировки и гидрофобно-гидрофильного характера каркаса цеолита.

Следует отметить, что применение цеолита не ограничивается крупномасштабными химическими процессами.

В последнее время цеолитические материалы также используются в электронике, оптике и медицине.