технологическое оборудование
для энергетики

Цеолит

Широкое использование молекулярных сит обусловлено их необычными свойствами: способностью цеолитов обратимо сорбировать водяной пар или различные вещества в газообразном состоянии, катионы цеолитов легко обмениваются на любой другой положительный ион. Внешняя поверхность гранулы цеолита небольшого размера составляет доли квадратного сантиметра, а при оценке площади, занимаемой молекулами в адсорбированном слое, исходя из их геометрических размеров, получаем величины в сотни квадратных метров на 1 г. Дело в том, что гранула любого адсорбента пронизана каналами, диаметр которых в обычных широкопористых адсорбентах (оксиды алюминия или кремния) достигает 10 нм и более, а в объеме образуются полости различной конфигурации. Совокупность каналов и полостей создает систему пор, поверхность которых (внутренняя поверхность адсорбента) и может составлять сотни квадратных метров на 1 г. Внутренняя поверхность цеолитов составляет от 10 000 до 100 000 значений величины внешней поверхности. Эти свойства цеолитов используют в процессах сушки и селекционного разделения. 

Наиболее распространенные типы синтетических цеолитов - это типы А; Х ; Y. 

Тип А.

Базовый материал - алюмосиликат натрия с диаметром пор 4 А0 (т.е. 4 нм  или 4. 10 -8см ), что соответствует цеолиту с коммерческим названием  4А  (NaA ). 

Тип Х (фожазит). 

Данная кристаллическая структура построена с более широкими входными отверстиями. Как и для типа А, исходной структурой является натриевая форма с входным отверстием порядка 10А0. Соответствует молекулярным ситам 13Х ( NaX).

Тип Y.

Имеет ту же кристаллическую структуру, что и тип Х, но иной химический состав. Тип Y применяют преимущественно в области катализа (каталитический крекинг). 

Молекулярные сита относительно стабильны как химически, так и термически. При предварительном восстановлении активности молекулярные сита подвергают воздействию температур порядка до 700 ⁰С. Однако для регенерации (использование свойства обратимости адсорбции) достаточно температуры 200-300 ⁰С. С химической точки зрения, погружение в воду не приводит к разрушению, в разбавленных щелочных растворах стабильность тоже хорошая. С другой стороны, кристаллический каркас разрушается под воздействием сильных кислот. Некоторые соли обмениваются своим катионом с катионом цеолита. Форма частиц цеолитов. Природные цеолиты образуют агломераты, а синтетические цеолиты получаются в виде мелких кристаллов с размерами частиц порядка нескольких микрон( 1-6). В связи с этим их применение в промышленности затруднено. Следовательно, молекулярным ситам необходимо <придать форму> - получить частицы диаметром в несколько миллиметров, по этому цеолиты необходимо гранулировать с определенным связующим веществом. Этот метод, в зависимости от условий, позволяет получить экструдаты диаметром от 1 до 5 мм или шарики от 0,5 до 6 мм. 

Во многих случаях возможно применение цеолитов вместо других адсорбентов типа активированного угля, селикагеля и алюмогеля. Свойства цеолитов и возможности их использования исследовались во многих областях науки: неорганической, органической, физической и коллоидной химии, биохимии, минералогии, геологии, химии поверхности, океанографии, кристаллографии, катализе и во всех отраслях химической технологии. Среди разнообразных примеров использования цеолитов достаточно назвать:   выделение и очистку нормальных парафиновых углеводородов,  каталитические реакции углеводородов,  сушку хладагентов,   разделение компонентов воздуха,   получение носителей для катализаторов, процессов вулканизации пластмасс и резины,   извлечение радиоактивных изотопов из жидких отходов атомной промышленности,  выделение двуокиси углерода и сернистых соединений из природного газа,  получение вакуума с использованием цеолитных ловушек,  отбор проб воздуха на больших высотах,  выделение ферментов,   разделение изотопов водорода,   удаление примесей загрязняющих атмосферу, таких как двуокись серы.

Цеолиты поглощают и выделяют не только воду, но и другие различные молекулы и без изменения кристаллической структуры. Поглощение цеолитами в отличие от координационного связывания в кристаллогидратах связано с явлением адсорбции - концентрированием вещества из газовой фазы на поверхности твердого тела (адсорбента) или в объеме, образуемых его структурой пор. Но поглотительная способность природных цеолитов (адсорбционный объем) невелика. Кроме того, они, как правило, адсорбируют только малые по размерам молекулы - воду, кислород, поэтому их и не использовали как адсорбенты. Не показали они особых преимуществ перед аморфными алюмосиликатными катализаторами различных превращений, в первую очередь крекинга. Однако присутствие катионов делает цеолиты способными к ионному обмену в водной среде. Видно, что объем цеолита пронизан каналами, диаметр входных отверстий которых составляет 0,26 нм, что совпадает с размерами молекулы воды.

Синтетические цеолиты активно внедряются и в другие процессы химической технологии (гидрокрекинг - каталитический крекинг, протекающий в присутствии водорода и при повышенном давлении, удаление примесей серо- и азотсодержащих примесей из нефтяных фракций, нефтехимический синтез и др.). На их основе создаются катализаторы нейтрализации вредных соединений в отходящих газах производств и автомобильных двигателей. Например, на медьсодержащем цеолите Cu-ZSM-5 при 5000С NO превращается в азот и кислород.

Сейчас известно около 600 цеолитов (около 50 природных), часто не имеющих природных аналогов.