Zeolieten zijn
microporeuze aluminosilicaatmineralen die gewoonlijk worden gebruikt als commerciële
adsorbentia en
katalysatoren. De term zeoliet werd oorspronkelijk in 1756 bedacht door de Zweedse mineraloog
Axel Fredrik Cronstedt , die opmerkte dat het snel verhitten van het materiaal, waarvan werd aangenomen dat het
stilbiet was , grote hoeveelheden stoom produceerde uit water dat door het materiaal was geadsorbeerd. Op basis hiervan noemde hij de materialen zeoliet, van de Griekse ζέω (zéō), wat "koken" betekent en λίθος (líthos), wat "steen" betekent.
Zeolieten komen van nature voor maar worden ook op grote schaal industrieel geproduceerd. Met ingang van september 2016 zijn 232 unieke zeolieten geïdentificeerd en zijn meer dan 40 natuurlijk voorkomende zeolieten bekend. Elke nieuwe zeolietstructuur die wordt verkregen, wordt onderzocht door de
Structuurcommissie van de Internationale Zeoliet Vereniging (Engels) en krijgt een drieletterige benaming.
Zeolieten hebben een poreuze structuur die een grote verscheidenheid aan
kationen kan bevatten, zoals
Na+,
K+,
Ca2+,
Mg2+ en andere. Deze positieve ionen worden tamelijk losjes vastgehouden en kunnen gemakkelijk worden uitgewisseld voor anderen in een contactoplossing. Enkele van de meer voorkomende minerale zeolieten zijn
analciem,
chabaziet,
clinoptiloliet,
heulandiet,
natroliet,
phillipsiet en stilbiet. Een voorbeeld van de minerale formule van een zeoliet is: Na
2Al
2Si
3O
10·H
2O, de formule voor natroliet. Deze met kation uitgewisselde zeolieten bezitten verschillende zuurtegraad en katalyseren verschillende zure katalyse.
Natuurlijke zeolieten worden gevormd waar vulkanische gesteenten en aslagen reageren met
alkalisch grondwater. Zeolieten kristalliseren ook in post-depositionele (Postdepositionele processen zijn gebeurtenissen die plaatsgevonden hebben nadat artefacten in de grond terecht zijn gekomen.) omgevingen over perioden variërend van duizenden tot miljoenen jaren in ondiepe zeebekkens. Natuurlijk voorkomende zeolieten zijn zelden puur en worden in verschillende mate verontreinigd door andere mineralen, metalen, kwarts of andere zeolieten. Om deze reden worden natuurlijk voorkomende zeolieten uitgesloten van veel belangrijke commerciële toepassingen waar uniformiteit en zuiverheid essentieel zijn.
Zeolieten zijn de aluminosilicaatleden van de familie van microporeuze vaste stoffen bekend als "moleculaire zeven" hoofdzakelijk bestaande uit
Si,
Al,
O,
Ti,
Sn,
Zn enzovoort. De term
moleculaire zeef verwijst naar een specifieke eigenschap van deze materialen, dat wil zeggen, het vermogen om selectief moleculen te sorteren, voornamelijk gebaseerd op een grootte-uitsluitingsproces. Dit komt door een zeer regelmatige poriënstructuur van moleculaire dimensies. De maximale grootte van de moleculaire of ionische soorten die de poriën van een zeoliet kunnen binnentreden, wordt geregeld door de afmetingen van de kanalen. Deze worden gewoonlijk gedefinieerd door de ringafmeting van de opening, waar bijvoorbeeld de term "8-ring" verwijst naar een gesloten lus die is opgebouwd uit acht
tetraëdrisch gecoördineerde silicium (of aluminium) atomen en 8 zuurstofatomen. Deze ringen zijn niet altijd perfect symmetrisch vanwege een verscheidenheid aan effecten, inclusief spanning die wordt geïnduceerd door de binding tussen eenheden die nodig zijn om de algehele structuur te produceren, of coördinatie van enkele van de zuurstofatomen van de ringen met kationen in de structuur. Daarom zijn de poriën in veel zeolieten niet cilindrisch.
Zeolieten transformeren naar andere mineralen onder
verwering,
hydrothermale verandering of
metamorfe omstandigheden. Enkele voorbeelden:
De opeenvolging van
silica- rijke
vulkanische rotsen vordert gewoonlijk van:
Klei →
kwarts →
mordeniet -
heulandiet →
epistilbiet (Engels) → stilbiet →
thomsoniet -
mesoliet -
scoleciet → chabaziet →
calciet.
De opeenvolging van silica-arme vulkanische rotsen vordert gewoonlijk van:
Cowlesiet (Engels) →
levyne (Engels) -
offretiet (Engels) →
analciem → thomsoniet-mesoliet-scoleciet → chabaziet → calciet.
Industrieel belangrijke zeolieten worden synthetisch geproduceerd. Typische procedures omvatten het verwarmen van waterige oplossingen van alumina en silica met
natriumhydroxide (Soda). Equivalente
reagentia omvatten
natriumaluminaat en
natriumsilicaat. Verdere variaties omvatten veranderingen in de kationen met
quaternaire ammoniumkationen.
Synthetische zeolieten hebben enkele belangrijke voordelen ten opzichte van hun natuurlijke analogen. De synthetische materialen worden vervaardigd in een uniforme, fase-zuivere toestand. Het is ook mogelijk om zeolietstructuren te produceren die niet in de natuur voorkomen.
Zeoliet A is een bekend voorbeeld. Aangezien de belangrijkste grondstoffen voor de vervaardiging van zeolieten silica en alumina zijn, die tot de meest voorkomende minerale componenten op aarde behoren, is het vermogen om zeolieten te leveren vrijwel onbeperkt.
Conventionele openmijnbouwtechnieken worden gebruikt om natuurlijke zeolieten te delven. De deklaag wordt verwijderd om toegang te krijgen tot het erts. Het erts kan worden gestraald of gestript voor verwerking met behulp van tractoren die zijn uitgerust met ripperbladen. Bij de verwerking wordt het erts fijngemaakt, gedroogd en gemalen. Het gemalen erts kan volgens grootte worden gesorteerd en in zakken of in bulk worden verzonden. Het gemalen product kan worden gezeefd om fijn materiaal te verwijderen wanneer een korrelig product vereist is.
Met ingang van 2016 was jaarlijkse wereldproductie van natuurlijke zeoliet ongeveer 3 miljoen ton. Belangrijke producenten in 2010 waren China (2 miljoen ton), Zuid-Korea (210.000 ton), Japan (150.000 ton), Jordanië (140.000 ton), Turkije (100.000 ton) Slowakije (85.000 ton) en de Verenigde Staten (59.000 ton). De gemakkelijke beschikbaarheid van zeoliet-rijke gesteenten tegen lage kosten en het tekort aan concurrerende mineralen en gesteenten zijn waarschijnlijk de belangrijkste factoren voor het gebruik op grote schaal.
Er zijn meer dan 200 synthetische zeolieten die zijn gesynthetiseerd door een proces van langzame
kristallisatie van een silica. Veel meer van dergelijke structuren zouden theoretisch kunnen worden gemaakt. Naast variaties in structuren kunnen zeolieten ook worden gemaakt met een verscheidenheid aan andere atomen om ze chemisch interessant en actief te maken. Enkele voorbeelden van de zogenaamde
heteroatomen die zijn opgenomen omvatten
germanium, ijzer,
gallium,
boor, zink, tin en
titanium. Een van de belangrijke processen die wordt gebruikt om zeolietsynthese uit te voeren, is
sol-gelverwerking. De producteigenschappen zijn afhankelijk van de samenstelling van het reactiemengsel, de
pH van het systeem, de bedrijfstemperatuur. In het sol-gel-proces kunnen andere elementen (metalen,
metaaloxiden) gemakkelijk worden opgenomen.
Computerberekeningen voorspellen dat miljoenen hypothetische zeolietstructuren mogelijk zijn. Echter, slechts 232 van deze structuren zijn tot nu toe ontdekt en gesynthetiseerd, dus veel zeolietwetenschappers vragen zich af waarom slechts deze kleine fractie van de mogelijkheden wordt waargenomen. Dit probleem wordt vaak "het knelpuntenprobleem" genoemd. Momenteel zijn er een aantal theorieën die de redenering achter deze vraag proberen uit te leggen.
- Zeolietsynthese-onderzoek heeft zich voornamelijk geconcentreerd op hydrothermale methoden; nieuwe zeolieten kunnen echter worden gesynthetiseerd met behulp van alternatieve methoden. Synthesemethoden die begonnen zijn met het gebruik, omvatten: microgolf-geassisteerde, post-synthetische modificatie, stoom.
- Geometrische computersimulaties hebben aangetoond dat de ontdekte zeolietkaders een gedrag bezitten dat bekend staat als "het flexibiliteitsvenster". Dit toont aan dat er een bereik is waarin de zeolietstructuur "flexibel" is en kan worden gecomprimeerd maar de raamwerkstructuur behoudt. Er wordt gesuggereerd dat als een raamwerk deze eigenschap niet bezit, het niet op praktische wijze kan worden gesynthetiseerd.
- Omdat zeolieten metastabiel zijn, kunnen bepaalde raamwerken ontoegankelijk zijn omdat nucleatie niet kan plaatsvinden omdat er meer stabiele en energetisch gunstige zeolieten zullen ontstaan. Post-synthetische modificatie (wijziging, aanpassing) is gebruikt om dit probleem te bestrijden met de Assembly-Demontage-Organisatie-Montage-methode, waarbij raamwerken in lagen kunnen worden gesneden en weer aan elkaar kunnen worden gebonden door silica-bindingen te verwijderen of op te nemen.
Zeolieten worden veel gebruikt als
ionenwisselingsbedden bij huishoudelijke en commerciële waterzuivering , verzachting en andere toepassingen. In de chemie worden zeolieten gebruikt om moleculen van elkaar te scheiden (alleen moleculen van bepaalde grootten en vormen kunnen er doorheen gaan) en als vallen voor moleculen zodat ze kunnen worden geanalyseerd.
Zeolieten worden ook veel gebruikt als katalysatoren en sorptiemiddelen (Elk materiaal, mengsel of systeem, hoewel meestal toch een klei of silicaat, dat een sorptiefunctie kan vervullen, zoals
absorptie,
adsorptie en
desorptie). Hun goed gedefinieerde
poriënstructuur en instelbare zuurgraad maken ze zeer actief bij een grote verscheidenheid aan reacties.
Zeolieten hebben het potentieel om precieze en specifieke scheiding van gassen te verschaffen, inclusief de verwijdering van H
2 O, CO
2 en SO
2 uit laagwaardige aardgasstromen. Andere scheidingen omvatten
edelgassen, N
2, O
2,
freon en
formaldehyde.
Synthetische zeolieten, zoals andere mesoporeuze materialen (bijv.
MCM-41)(Engels), worden algemeen gebruikt als katalysatoren in de petrochemische industrie, bijvoorbeeld bij katalytisch
kraken met
fluïdum en hydrokraken.
1. Kraken bestaat uit 2 processen
- katalytische kraking en hydrokraken: dit wordt aangewend om C5-C12 of aromaten te maken vanuit zwaardere fracties. katalytisch kraken tot 45% benzine van goede quality.
- hydrokraken er worden vnl paraffinen bekomen dus laag octaangehalte (voor diesel en kerosine) tot 85% benzine wel lage kwaliteit dus daarna nog katalytisch kraken.
- stoomkraken: dit wordt aangewend om verzadigde verbindingen om te zetten tot olefinen bv ethaan -> ethyleen. Niet echt petroleumindustrie maar eerder petrochemie
2. Katalytische reforming
Heeft tot doel om het octaangehalte van de
naftafractie te verhogen. Dit gebeurt door het vormen van aromaten en/of het vormen van meer vertakte ketens.
Zeolieten beperken moleculen in kleine ruimtes, wat veranderingen in hun structuur en
reactiviteit veroorzaakt. De zure vormen van zeolieten die worden bereid zijn vaak krachtige vaste stoffen in vaste toestand, die een groot aantal door zuur gekatalyseerde reacties mogelijk maken, zoals
isomerisatie,
alkylering en kraken.
Zeolieten hebben toepassingen in geavanceerde opwerkingsmethoden, waarbij hun micro-poreuze vermogen sommige ionen kan vangen terwijl ze anderen vrij laten passeren, waardoor veel
splijtingsproducten efficiënt verwijderd kunnen worden uit
kernafval. Even belangrijk zijn de minerale eigenschappen van zeolieten. Hun alumino-silicaat constructie is extreem duurzaam en bestendig tegen straling, zelfs in poreuze vorm. Bovendien kunnen de zeolietafvalcombinaties die eenmaal zijn geladen met ingesloten splijtingsproducten heet worden geperst tot een uiterst duurzame keramische vorm, waarbij de poriën worden gesloten en het afval wordt opgevangen in een massief stenen blok. Zeolieten worden ook gebruikt bij het beheersen van lekken van radioactieve materialen. In de nasleep van de nucleaire ramp in
Fukushima Daiichi bijvoorbeeld, werden zandzakken van zeoliet in het zeewater bij de kerncentrale gedropt om radioactief
cesium te adsorberen dat in hoge concentraties aanwezig was.
Zeolieten kunnen worden gebruikt als
zonthermische collectoren en voor adsorptiekoeling. In deze toepassingen wordt hun hoge adsorptiehitte en het vermogen tot
hydrateren en
dehydrateren met behoud van structurele stabiliteit benut. Deze
hygroscopische eigenschap in combinatie met een inherente exotherme (energie-vrijgevende) reactie bij de overgang van een gedehydrateerde naar een gehydrateerde vorm, maakt natuurlijke zeolieten nuttig bij het oogsten van restwarmte en zonne-warmte-energie. Zeolieten worden ook gebruikt als een moleculaire zeef in
vacuümpompen.
Het grootste gebruik voor zeoliet is de wereldwijde markt voor wasmiddelen. Dit bedroeg 1,44 miljoen metrische ton per jaar van watervrij zeoliet A in 1992.
Niet-samenklonterende kattenbakvulling wordt vaak gemaakt van zeoliet of
diatomiet.
Synthetische zeolieten worden gebruikt als additief in het productieproces van warm asfaltmortelbeton (een mengsel van bitumen met zand en vulstof als component van een asfaltmengsel). De ontwikkeling van deze applicatie begon in de jaren negentig in Duitsland. Ze helpen door het temperatuurniveau te verlagen tijdens de productie en het leggen van asfaltbeton, wat resulteert in een lager verbruik van fossiele brandstoffen, waardoor minder
koolstofdioxide,
aerosolen en dampen vrijkomen. Het gebruik van synthetische zeolieten in heet gemengd
asfalt leidt tot een eenvoudiger verdichting en maakt tot op zekere hoogte bestrating bij koud weer en langere uitzettingen mogelijk.
Wanneer Portland-cement als een
pozzolaan wordt toegevoegd, kunnen ze de
chloridepermeabiliteit verminderen en de verwerkbaarheid verbeteren. Ze verminderen het gewicht en helpen het watergehalte te matigen, terwijl ze langzamer drogen, waardoor de
breeksterkte verbetert. Wanneer ze worden toegevoegd aan
kalkmortels en kalk-
metakaolinemortels (Engels), kunnen synthetische zeolietpellets gelijktijdig werken als puzzolaanmateriaal en waterreservoir.
Edelstenen. Gepolijst thomsoniet
Thomsoniet, een van de zeldzamere zeolietmineralen, zijn verzameld als edelstenen uit een reeks lavastromen langs
Lake Superior in Minnesota en in mindere mate in
Michigan. Thomsonite knobbeltjes uit deze gebieden zijn geërodeerd uit
basalt lavastromen en worden verzameld op stranden en door duikers in Lake Superior.
Deze thomsoniet knobbeltjes hebben concentrische ringen in combinaties van kleuren: zwart, wit, oranje, roze, paars, rood en vele tinten groen. Sommige knobbeltjes hebben koperen insluitsels en zullen zelden worden gevonden met koperen "ogen". Wanneer ze worden gepolijst door een
lapidarium, vertonen de thomsonieten soms een "kattenogen" -effect.
Biologisch
Onderzoek naar en ontwikkeling van de vele biochemische en biomedische toepassingen van zeolieten, met name de van nature voorkomende soorten heulandiet, clinoptiloliet en chabaziet is aan de gang.
Op zeoliet gebaseerde zuurstofconcentratorsystemen worden veel gebruikt om zuurstof van medische kwaliteit te produceren. Het zeoliet wordt gebruikt als een moleculaire zeef om gezuiverde zuurstof uit de lucht te creëren met behulp van het vermogen om onzuiverheden op te vangen, in een proces dat de adsorptie van
stikstof omvat, waarbij zeer zuivere zuurstof en tot 5%
argon achterblijven.
Het
hemostatische middel van het merk QuikClot, dat wordt gebruikt om ernstige bloedingen te stoppen, bevat een met calcium beladen vorm van zeoliet die in
kaolienklei wordt aangetroffen.
In de landbouw wordt clinoptiloliet (een in de natuur voorkomende zeoliet) als bodembehandeling gebruikt. Het levert een bron van langzaam afgegeven
kalium. Indien eerder beladen met
ammonium, kan het zeoliet een soortgelijke functie vervullen bij de langzame afgifte van stikstof. Zeolieten kunnen ook fungeren als watermoderators, waarin ze tot 55% van hun gewicht in water opnemen en deze langzaam vrijgeven op vraag van de plant. Deze eigenschap kan wortelrot en matige droogteperioden voorkomen. Clinoptiloliet is ook toegevoegd aan kippenvoer, de absorptie van water en ammoniak door de zeoliet maakt de uitwerpselen droger, minder geurig en daardoor gemakkelijker te hanteren.
Pet-winkels brengen zeolieten op de markt voor gebruik als filteradditieven in aquariums. In aquaria kunnen zeolieten worden gebruikt om ammoniak en andere stikstofverbindingen te adsorberen. Vanwege de hoge affiniteit van sommige zeolieten voor calcium, kunnen ze echter minder effectief zijn in hard water en kunnen ze calcium uitputten. Zeolietfiltratie wordt in sommige zeeaquaria gebruikt om de
nutriëntenconcentraties laag te houden ten behoeve van
koralen die zijn aangepast aan van nutriënten ontdaan water.
Waar en hoe de zeoliet werd gevormd, is een belangrijke overweging voor aquaria . De meeste natuurlijke hemolieten op het noordelijk halfrond werden gevormd wanneer gesmolten lava in contact kwam met zeewater, waardoor het zeoliet werd "geladen" met natriumion-opofferende ionen. Het mechanisme is de chemici goed bekend als ionenuitwisseling. Deze natriumionen zullen speciëren met andere ionen in oplossing, dus de opname van stikstof in ammoniak, met de afgifte van het
natrium. Zeoliet filtert ammoniak effectief, maar moet met enige zorg worden gebruikt, vooral met delicate tropische koralen die gevoelig zijn voor de chemie en temperatuur van het water.