زئولیت چیست؟

زئولیت چیست؟ کانی زئولیت برای اولین بار توسط بارون فردریک کانستد سوئدی در سال 1756 میلادی کشف گردید. وی موقع آزمایش با یک کریستال معدنی متوجه شد که در اثر حرارت دادن از ساختمان این ترکیب بخارات آب خارج میشود. به آن علت نام زئولیت که ترکیبی از دو کلمه Zeo (جوشان) و Lithos (سنگ) که از واژه های یونانی گرفته شده است انتخاب نموده است.

ساختار زئولیت ها چیست؟

بر اساس خواص جذب سطحی و غربال مولکولی زئولیتها ، مولکولهای متفاوت ثابتهای تعادلی متفاوتی برای جذب و ضرایب نفوذ متفاوتی در داخل حفره های زئولیتی دارند. زئولیت ها بدلیل داشتن ساختمان حفره های غربال مولکولی و جدا کردن گازها کاربرد گسترده ای دارد .
عوامل موثر در نفوذ مولکول ها به اسکلت زئولیت عبارتند از:

اندازه و شکل دریچه های ورودی کانالها و حفرات زئولیت
اندازه و شکل مولکولهای مهمان
تعداد، محل و اندازه کاتیونهای قابل تعویض
وجود یا عدم وجود نقص در ساختار کریستالی که معمولاً در اثر جابجاشدگی توده ماده و بسته شدن یا باریک شدن بعضی از راههای نفوذ به شبکه اتفاق میافتد.
حضور یا عدم حضور مولکولهای مهمان دیگر که قویاً بوسیله شبکه نگهداری میشوند مانند آب، آمونیاک و نمکها که در فرایند جذب موثرند.

زئولیت ها دارای سطحی به وسعت چند صد متر مربع به ازای هر گرم برای جذب سطحی می باشند. برخی از زئولیت ها قادر به جذب، تا %30 وزن خشک خودشان می باشند.

علاوه بر توانایی زئولیت ها در جداسازی مولکولها، توزیع نا متعادل بار در فضای خالی زئولیت آبگیری شده بدلیل حضور کاتیونها و یا گروههای هیدروکسیلی و نیز به دلیل جانشینی Al به جای Si در شبکه باعث جذب سطحی بسیاری از عناصر یا ترکیبات بصورت انتخابی در اثر ایجاد گشتاور دو قطبی دائمی میگردد .

بررسی مولکولی زئولیت چیست؟

بنابراین مولکولهای قطبی مانند H2O , SO2 , CO2 , H2S به مراتب بهتر از مولکولهای غیر قطبی جذب می گردند. از این خاصیت در خالص سازی گاز طبیعی استفاده می شود. از زئولیت ها همچنین میتوان در تولید اکسیژن استفاده نمود . گاز نیتروژن با تشکیل گشتاور چهار قطبی ضعیف بصورت انتخابی از هوا توسط زئولیت جذب می شود و طی فرایند ساده ای می توان گاز نیتروژن با درصد خلوص بیشتر از %99 تهیه نمود . گاز خروجی از ستونهای جاذب، غنی از اکسیژن خواهد بود.

زئولیت و اجزاء آن چیست؟

دانه هاي زئوليت از عناصري نظير آلومينيوم ، سيليكون، اكسيژن و سـديم تشـكيل شـده اسـت. ايـن غربـالگر مولكـولي سـراميكي داراي ساختاركريستالي سه بعدي به هم پيوسته (تتراهدرال) مشابه ساختار كندوي عسل مي باشد. ايـن سـراميك كـاملاً صـلب و غيـر قابـل اشتعال بوده و داراي حفرات سطحي مرتبط به هم و تخلخل بسيار بالاست.

اين ساختار متخلخل ، سطح بسيار زياد تماس با گـاز درحـدود چندصد مترمربع در هر گرم زئوليت ايجاد مي كند. اولين زئوليت سنتزي در سال 1950ميلادي تهيه شد و در سال 1960 از آن در خشك كردن و خالص سازي گازها در صنايع پتروشيمي استفاده شد. در سال 1970 جهت تهيه اكسيژن در ارتش از آن استفاده شد. هم اكنون بيش از 150 نوع زئوليت با كاربرد هـاي مختلـف در دنيا مورد استفاده قرار مي گيرند

غربالگري مولكولي زئولیت چیست؟

به دليل بار منفي زئولیت، مولكولهاي قطبي نظير آب به شدت جذب زئوليت شده و داخـل حفـرات وارد مـي شـوند. در صـورتي كـه قطـر مولكولهاي گاز برابر قطر حفرات تخلخل سطحي زئوليـت باشـند ايـن مولكولهـا تحـت فشـار بـالا و قطبيـت زئوليـت وارد حفـرات شـده و مولكولهايي كه بزرگتر از اندازه حفرات تخلخل هاي سطحي هستند به آساني از مجاور آن عبوركرده و بدين ترتيب عمل غربـالگري صـورت مي پذيرد.

مكانيزم اتصال مولكولهاي گاز ، آب و هيدروكربنها به زئوليت از نوع پيوند شيميايي و بدون تغييرات در ساختار فيزيكي زئوليـت مي باشد. مولكولهاي نيتروژن بطور شيميايي به زئوليت مي چسبد. ولي خواص فيزيكي و ساختار صلب و Rigid زئوليت را تغيير نمي دهد. اين مكانيزم را جذب سطحي ( Adsorption) مي نامند.

در صورتي كه جذب منجر به تغيير خواص فيزيكـي شـود ايـن مكـانيزم را ( Absorption ) مي نامند، مانند جذب آب به دستمال كاغذي كه منجر به تغيير خواص فيزيكي دستمال مي گردد.

قابليت جذب زئولیت چیست؟

قابليت جذب مولكولها به زئولیت به ترتيب از بيشترين به كمترين عبارت است از :

آب
دي اكسـيد كـربن
هيـدروكربن هـا
نيتـروژن
اكسيژن
آرگون

در حالت عادي هوا متشكل از %78نيتـروژن، %21 اكسـيژن و %1 گازهـاي خنثـي و آرگـون اسـت. در اكسـيژن سـاز مولكولهاي نيتروژن كه داراي قطر بزرگتري از اكسيژن هستند، فقط در اثر فشار بالا به زئوليت جذب شده و اكسـيژن و گازهـاي خنثـي از مجاوردانه هاي زئوليت عبور مي كند. اين سيكل دانه هاي زئوليت اشباع از نيتروژن شده و پس از كاهش فشار به فشار اتمسفر، نيتروژن از حفرات خارج و به محيط تخليه مي شود.

اگر %78نيتروژن از هوا جدا شود، گاز خروجي داراي درصدي معادل %21 +%1 =%22 در هـوا است. پس از خروج از اكسيژن ساز غلظت آن به %100 مي رسد. اگر عدد %100 به %22 تقسيم شود عدد 4/55 بدست مي آيـد. بنـابراين در اين حالت %1 گازهاي خنثي در هوا به ميزان % 4/55 در گاز خروجي از اكسـيژن سـازمي رسـد كـه نشـان دهنـده آن اسـت كـه بـا دستگاههاي اكسيژن ساز متداول حداكثر به خلوص اكسيژن %95/5 مي توان دست يافت.

لازم به ذكر است سيستم هايي جهت خالص سازي و افزايش خلوص اكسيژن به بيش از خلوص %95/5 نيز وجود دارد كه در آنها با استفاده از غربالگرهاي مولكولي از جنس كربن فعال، اكسيژن به دانه ها جذب شده و نيتروژن و آرگون از مخزن خـارج مـي شـود و پـس از آن در فشار پايين اكسيژن با خلوص %99 از دستگاه غني كننده خارج مي شود.

برای آشنایی با اکسیژن ساز بیمارستانی این مقاله را مطالعه فرمایید.