ساخت ستون تصفیه آب با نانوفناوری - جلسه سوم - آشنایی با نانوزئولیت

حدود 40 نوع زئولیت طبیعی توسط محققان بررسی شده است که از مشهورترین آن‌ها می‌توان بهclinoptilolite، chabazite، erionite، heulandite، mordenite stilbiteو phillipsite اشاره کرد. نانوزئولیت‌ها ساختاری سه بعدی دارای خلل و منافذ داخلی هستند که این منافذ به وسیله کاتیون‌ها و مولکول‌های آب اشغال شده است و برای تعادل بار الکتریکی واحدهای تتراهدرال آلومینیم و سیلیسیم مورد نیاز است. افزایش سطح داخلی منافذ باعث تأثیر بسیار آن در واکنش‌های تبادل کاتیونی است. عدم تعادل بار به‌علت حضور آلومینیوم در ساختار نانوزئولیت است که تعیین‌کننده خصوصیات تبادل یون بوده و به نظر می‌رسد باعث تحریک پتانسیل اسیدی سایت‌ها می‌شود. نسبت Si/Al رابطه عکس با محتوای کاتیون دارد، در حالی‌که نسبت مستقیمی با پایداری دمایی دارد. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌ها، به همراه فراوانی آن‌ها در نهشته‌های رسوبی و سنگ‌ها با مواد مادری آتشفشانی، باعث کاربردهای مفید زیادی در زمینه تصفیه آب شده است.

2-تشکیل نانوزئولیت‌ها
نانوزئولیت‌ها از واکنش سنگ‌های آتشفشانی و لایه‌های خاکستر با آب‌های قلیایی زیرزمینی تشکیل می‌شود. همچنین این مواد در محیط‌های رسوبی در رنج دوره‌هایی از هزار تا میلیون‌ها سال در دریاچه‌های کم عمق بازی کریستاله می‌شوند. نانوزئولیت‌ها بر اساس خصوصیات مورفولوژی، ساختار کریستالی، ترکیب شیمیایی، قطر مؤثر منفذ، نحوه تشکیل و غیره طبقه‌بندی شده‌اند.

نسبت Si/Al یک خصوصیت مهم نانوزئولیت‌ها است که عدم تعادل بار به علت حضور آلومینیوم در ساختار نانوزئولیت‌ها تعیین‌کننده پارامترهای تبادل یون نانو زئولیت است و انتظار می‌رود سایت‌های پتانسیل اسیدی را تحریک کند. این نسبت به طور معکوس متناسب با محتوای کاتیون است، ضمناً نسبت مستقیمی با پایداری گرمایی دارد. نانوزئولیت‌ها بر اساس نسبت سیلیکا به آلومین به صورت زیر طبقه‌بندی می‌شوند:
الف) نانوزئولیت‌های با نسبت Si/Al پایین (5/1-1)
ب) نانوزئولیت‌های با نسبت Si/Al متوسط (5-2)
ج) نانوزئولیت‌های با نسبت Si/Al بالا (چندین هزار-10)
نانوزئولیت‌ها بر اساس قطر منفذ به انواع نانوزئولیت‌های با منفذ ریز، با منفذ متوسط، منافذ درشت و منافذ خیلی ریز طبقه‌بندی می‌شوند. چند نوع طبقه‌بندی دیگر برای نانوزئولیت‌ها انجام گرفته است که شامل طبقه‌بندی بر اساس شکل بلور (بلورهای رشته‌ای، ستونی و مختلط)، بر اساس منشأ شکل‌گیری آن‌ها (انواع رسوبی و آتشفشانی) و بر اساس خواص اسیدی یا بازی تقسیم‌بندی می‌شوند. نانوزئولیت‌های موجود در ایران از نوع رسوبی هستند در حالی‌که اکثر گونه‌های طبیعی نانوزئولیت‌های موجود در جهان از نوع آتشفشانی هستند.

3- ساختار نانوزئولیت‌ها
زئولیت‌ها گروهی از آلومینوسیلیکات‌های بلورین با فرمول عمومی:

MxDy[Al(x+2y)+2ySin-(x+2y) O2n].mH2O

هستند که در آن x بیان‌گر تعداد کاتیون‌های یک‌ظرفیتی، y تعداد کاتیون‌های دوظرفیتی، n ظرفیت کاتیون، و m تعداد مولکول‌های آب است. زئولیت‌ها در ردیف رایج‌ترین کانیهای موجود در سنگ‌های رسوبی قرار دارند و از فراوانی ویژه‌ای در سنگ‌های آتشفشانی برخوردار هستند. زئولیت در زبان یونانی به معنای سنگ جوشان است، چرا که این کانی‌ها دارای قابلیت کف کردن در دمای حدود 200 درجه سانتیگراد هستند. این کانال‌ها فضای خالی وسیعی را برای جذب و تبادل کاتیون‌ها فراهم می‌آورند.برخی گزارشات حاکی از آن است که مساحت درونی این کانال‌های تهی به چند صد متر مربع در هر گرم از کانی زئولیت بالغ می‌شود و همین ویژگی زئولیت را به یکی از موثرترین تبادل‌کنندگان یون بدل ساخته است. کانی زئولیت دارای شبکه بلورین سه‌بعدی همراه با کاتیون‌هایی است که پیوندهای ضعیفی برقرار نموده‌اند و این ویژگی امکان آب‌گیری و آب‌دهی این کانی را بدون آن‌که ساختمان بلورین آن دستخوش تغییر شود فراهم می‌آورد. سایر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مفید کانی زئولیت شامل حجم زیاد فضای خالی (در حدود 50 درصد)، چگالی اندک (2. 1 تا 2. 2 گرم بر سانتی‌متر مکعب)، صفات غربال مولکولی فوق‌العاده، و ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) 150 تا 250 سانتی‌مول بر کیلوگرم است.
ساختار نانوزئولیت‌ها در مناطق به دو بخش شکسته می‌شود: ستون‌های ذوب شده حلقه‌ها که با دما منبسط می‌شود و مناطق ستونی داخلی که تمایل به انقباض در اثر حرارت دارند. این تغییرات رقابتی به منجر به تولید یک ماده می‌شود که به طور موازی در ابعاد موازی بلورشناسی a و b منقبض شده و در جهت c منبسط می‌شود. در ساختار نانوزئولیت طبیعی، آب و کاتیون‌ها به طور معکوس می‌تواند به وسیله کاتیون‌های دیگر حذف یا جایگزین شود. ساختار 8 حلقه اشاره دارد به حلقه بسته‌ای که از 8 چهار وجهی پیوندی با اتم‌های سیلیس و آلومین با اتم‌های اکسیژن متعادل ساخته شده است. تحقیقات اخیر در حوزه وسیع تولیدکننده‌های مصنوعی، استخراج بیشتر نانوزئولیت‌ها در فرایندهای تجاری و به کارگیری تکنیک‌های توصیف شده مدرن برای از هم باز کردن کمپلکس‌ها و خصوصیات ساختاری نانوزئولیت متمرکز شده است. به طور کلی ساختار زئولیت به صورت زیر است (شکل 1).

4-مشخصات کلی نانوزئولیت‌ها
اکثر مواد نانوزئولیتی به صورت سفید رنگ هستند. با این حال بعضی از آن‌ها که حاوی مقادیر جزئی یا کم آهن هستند، به رنگ زرد کم رنگ یا قهوه‌ای مایل به قرمز دیده می‌شوند. با این حال بعضی از آن‌ها که حاوی مقادیر جزئی یا کم آهن هستند، به رنگ زرد کم رنگ یا قهوه‌ای مایل به قرمز دیده می‌شوند. به طور کلی نوع رسوبی یک گونه زئولیت خاص، در مقابل اسید پایدارتر از نوع آتشفشانی آن است زیرا معمولاً حاوی Si بیشتری است. به طور کلی نانوزئولیت‌ها با خواص زیر مشخص می‌شوند:
درجه بالای آب‌دار شدن- در زمان بی‌آب شدن، تراکم پایین و فضاهای خالی بالایی دارند- ساختمان بلوری اغلب زئولیت‌ها موقع بی‌آب شدن، پایدار می‌ماند- دارای خاصیت تبادل کاتیونی هستند- بلور دهیدراته دارای کانال‌های یکنواختی از نظر مولکولی و اندازه است- خواص فیزیکی متنوعی از قبیل هدایت الکتریکی- ضریب گازها و بخارها- خواص کاتالتیکی- جذب و شبکه یونی.
خاصیت تبادل کاتیونی نانوزئولیت از مهمترین خصوصیات آن است. کاتیون‌های قابل تبادل یک نانوزئولیت کاتیون‌هایی هستند که به طور سستی با چهارچوب چهار وجهی پیوند شده و حفظ می‌شوند و به آسانی می‌توانند توسط شستن زئولیت با محلولی قوی از کاتیونی دیگر برداشته شده و مبادله شوند. زئولیت‌ها به دلیل سطح ویژه بالا به عنوان جاذب نیز عمل می‌کنند (شکل 2).

در عمل رفتار تبادل یونی یک نانوزئولیت به عوامل دیگری نیز بستگی دارد که عبارتند از: ناصاف بودن چهار چوب (شکل و ابعاد کانال)، اندازه و شکل یون‌ها (قدرت قطبی بودن)، تراکم بار الکتریکی در کانال‌ها و حفره‌ها، ظرفیت بار منفی بودن و تراکم آن، ترکیب و غلظت در محلول خارجی.
نانوزئولیت‌های طبیعی کلینوپتیلولایت به دلیل تعداد Al کم در ساختمان خود دارای ظرفیت تبادل یونی حدود 2/3 میلی اکی والان در گرم است و ترتیب انتخاب‌کنندگی آن برای جابه‌جایی کاتیون‌های مختلف به صورت زیر است:

5-خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌ها
خواص فیزیکی و شیمیایی نانوزئولیت‌های طبیعی متفاوت بوده و در بین نمونه‌های مختلف یک نوع خاص از نانوزئولیت نیز تفاوت‌هایی در خواص فیزیکی (اندازه منفذ، اندازه بلور، ظرفیت تبادل یونی و ظرفیت جذبی) و ترکیب شیمیایی وجود دارد. موارد استفاده نانوزئولیت‌های مصنوعی و طبیعی از خواص فیزیکی و شیمیایی وجود دارد. دو فرایند اصلی به عنوان سینتیک فرایند تبادل یون در نانوزئولیت‌ها شناسایی شده‌اند: پخشیدگی ذرات و پخشیدگی لایه. نانوزئولیت‌ها یکی از بزرگ‌ترین مبادله‌کننده‌های درونی کاتیونی هستند و ظرفیت تبادل درونی 2 تا 3 برابر بزرگ‌تر از دیگر انواع کانی‌های یافت شده در خاک‌ها است. نانوزئولیت‌ها به علت توانایی ساختارهای با منفذ ریزشان برای جذب مولکول‌ها در فشار نسبتاً پایین، جاذب‌های توانایی هستند. بنابراین به طور خلاصه نانوزئولیت‌ها مواد طبیعی هستند با توانایی تبادل یون‌ها، جذب گازها و بخار آب و به عنوان غربال با مقیاس مولکولی عمل می‌کند و واکنش‌های کاتالیزوری مختص به اندازه منافذ فیکس شده و سایت‌های فعال در شبکه کریستال را به عهده دارد. جذب آب در هر واحد سلولی نانوزئولیت نسبتاً زیاد است. البته میزان جذب آب بستگی به نوع نانوزئولیت و همچنین نوع کاتیون‌های موجود در کانال‌های آن دارد. به طور کلی عرض کانال‌ها، اندازه کاتیون‌ها و انرژی هیدراتاسیون، تعیین‌کننده میزان آب جذب شده به وسیله این کانی‌ها هستند. جذب انتخابی یون‌های فلزات سنگین Ag و Th در همه نانوزئولیت‌های بسیار متداول مانند کلینوپتیلولایت برای جدا کردن و غیرمتحرک کردن یون‌های رادیواکتیو از فاضلاب‌ها به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. کلینوپتیلولایت از لحاظ رده‌بندی جزء سلیکات‌هاست و دارای شکستگی ناصاف است. شکل بلوری تقریباً کمیاب و بیشتر در آمریکا، استرالیا، زلاندنو و چک اسلواکی مشاهده شده است. منشأ تشکیل آن هیدروترمال است. فرمول عمومی آن را می توان صورت زیر نشان داد:
(Na2,K2,Ca)3Al6Si30O72·24H2O.

برای مطالعه بیشتر می‌توانید به مقالات موجود در سایت باشگاه نانو به آدرس www.nanoclub.ir مراجعه نمایید.