Цеолиты

Происхождение названий цеолитов и молекулярных сит

В 1756 году шведский минералог Кронстедт обнаружил, что при сжигании природного алюмосиликатного рудного вещества вода внутри кристалла вытесняется, вызывая явление, похожее на кипение и бурление, которое получило название «кипящий камень». Этот материал также называют цеолитом.

В 1932 году Макбейн предложил концепцию «молекулярных сит», которая относится к пористым материалам, способным просеивать вещества по размеру молекул. Молекулярные сита имеют однородные внутренние микропоры, размеры которых сопоставимы с размерами обычных молекул. Вещества, диаметр молекул которых меньше диаметра пор кристалла молекулярного сита, могут проникать в кристалл и адсорбироваться, в противном случае они будут отталкиваться, достигая таким образом цели просеивания молекул. Молекулярные сита могут определять порядок преимущественной адсорбции на основе полярности молекул различных веществ. В зависимости от эффективного размера пор они могут использоваться для просеивания молекул жидкости разных размеров. Этот эффект называется эффектом молекулярного сита. Хотя цеолит является лишь одним из типов молекулярных сит, он является наиболее представительным из них, поэтому термины «цеолит» и «молекулярное сито» часто используются взаимозаменяемо. Для точного обозначения категории молекулярного сита перед названием молекулярного сита следует добавлять название вещества, например, цеолитное молекулярное сито, углеродное молекулярное сито и т. д.

Структура и свойства молекулярного сита цеолита типа А

Цеолит типа А имеет тетрагональную структуру, подобную хлориду натрия, его химическая формула — Na2O·Al2O3·2SiO2·4,5H2O, а внутренний диаметр пор составляет 4,2 Ангстрема, поэтому его называют цеолитом 4А. Когда более 60% ионов натрия в молекулярном сите цеолита 4А замещены ионами калия, оно называется молекулярным ситом цеолита 3А; когда более 70% ионов натрия в молекулярном сите цеолита 4А замещены ионами кальция, оно называется молекулярным ситом цеолита 5А. Таким образом, молекулярное сито 4А является основным сырьем для получения молекулярных сит 3А и 5А.

Поскольку цеолит типа А имеет тетрагональную структуру, подобную структуре хлорида натрия, он обладает многими особыми свойствами, такими как ионообменные свойства. Каждый атом кислорода в каркасе цеолита 4А разделен между двумя соседними тетраэдрами. Эта структура может создавать внутренние поры, вмещающие такие вещества, как катионы и молекулы воды, и эти катионы и молекулы воды обладают большей подвижностью, что позволяет осуществлять катионный обмен и обратимую дегидратацию. Ионный обмен в цеолите 4А осуществляется на каркасе с помощью ионов алюминия. Каждый ион алюминия несет отрицательный заряд, который может соединяться не только с ионами натрия, но и с другими катионами. Например, ионы кальция и магния могут проникать в большие кристаллические полости, первоначально занятые ионами натрия, и замещать ионы натрия в цеолите 4А. То есть ионы натрия в цеолите 4А могут осуществлять ионный обмен и обмен с ионами Ca2+ и Mg2+ в жесткой воде, тем самым достигая цели смягчения качества воды.

Хотя цеолит 4A связывает ионы кальция и магния медленнее, чем триполифосфат натрия (STPP), и его способность связывать ионы магния слабее, цеолит 4A легко удаляет небольшое количество вредных ионов тяжелых металлов, таких как Pb2+, Cd2+, Hg2+ и др., из водного раствора. Быстрое удаление имеет большое значение для очистки воды.

В ходе экспериментов одна и та же формула, содержащая различные добавки, изменялась для сравнения ее дезактивирующей способности. Было установлено, что 20% STPP, 20% цеолита 4A и 4% полимера обладают таким же дезактивирующим эффектом, как и 40% STPP. В формулу к 20% цеолита 4A добавляют 10% карбоната натрия и 4,5% полимера для получения продукта с идеальной дезактивирующей способностью.

Благодаря пористой структуре кристаллов цеолита 4A и большой удельной поверхности частиц, цеолит 4A обладает высокой адсорбционной способностью. По показателю адсорбции неионогенных поверхностно-активных веществ цеолит 4A в три раза превосходит нитрилотриацетат (NTA) и карбонат натрия, и в пять раз — триполифосфат натрия (STPP) и сульфат натрия. Это свойство обычно используется для производства высококонцентрированных стиральных порошков, где добавление большего количества поверхностно-активных веществ значительно улучшает качество стирки и текучесть моющих средств. Эксперименты показали, что при показателе жидкой емкости цеолита 4A ≥30% добавление цеолита 4A в процессе производства стирального порошка позволяет получить моющее средство с хорошим внешним видом, текучестью и антислеживающими свойствами.

Цеолит 4A также обладает хорошей устойчивостью к повторному осаждению. Цеолит 4A обладает хорошей адгезией к маслу. После добавления цеолита 4A к таким добавкам, как карбонат натрия, карбоксиметилцеллюлоза натрия (КМЦ), силикат натрия и сульфат натрия, он может значительно снизить адсорбцию масляных пятен на нейлоновой ткани. При размере частиц цеолита 0,4-1,0 мкм его дисперсия достаточно хороша, и он может эффективно предотвращать прилипание к тканям. Хотя диспергирующая способность цеолита 4A не так хороша, как у STPP, проблему диспергирования загрязнений можно решить путем компаундирования с полиакрилатом натрия.

Применение цеолита 4А

Цеолит 4А — один из наиболее широко используемых в промышленности видов цеолита, имеющий широкий спектр применения. Различные отрасли промышленности предъявляют разные требования к качеству цеолита 4А.

Основные области его применения:

Ежедневные химикаты

(1) Используется в качестве моющего средства. Функция цеолита 4А в качестве добавки к моющему средству заключается главным образом в обмене ионов кальция и магния в воде для смягчения воды и предотвращения повторного осаждения загрязнений. В настоящее время цеолит 4А является наиболее широко используемым и зрелым продуктом для замены фосфорсодержащих добавок. 4А

Цеолит заменяет триполифосфат натрия в качестве моющего средства, что имеет большое значение для решения проблемы загрязнения окружающей среды.

(2) Цеолит 4А также может использоваться в качестве формовочного агента для мыла.

(3) Цеолит 4А также может использоваться в качестве фрикционного агента в зубной пасте.

В настоящее время наибольшее количество цеолита 4A используется в стиральных порошках. Для стирки цеолита 4A, как правило, требуется высокая кальциевая обменная способность и высокая скорость обмена.

Экологическая отрасль

(1) Используется для очистки сточных вод. Цеолит 4А способен удалять NH3-N, Pb2+, Cu2+, Zn2+ и Cd2+ из сточных вод. Сточные воды, сбрасываемые промышленностью, сельским хозяйством, бытовым использованием и рыбоводством, содержат аммонийный азот, который не только вредит выживанию рыб и загрязняет среду их размножения, но и способствует росту водорослей и вызывает засорение рек и озер. Благодаря высокой селективности цеолита 4А по отношению к NH4+, он успешно применяется в этой области. Сточные воды, сбрасываемые металлургическими рудниками, плавильными заводами, предприятиями по обработке металлических поверхностей и химической промышленностью, содержат ионы тяжелых металлов, которые чрезвычайно вредны для организма человека. Использование цеолита 4А для очистки этих сточных вод не только обеспечивает соответствие качества воды стандартам, но и позволяет извлекать тяжелые металлы.

В качестве цеолита 4А для очистки сточных вод необходимо максимально эффективно удалять вредные ионы из сточных вод, поэтому требуется продукт с относительно высокой степенью кристалличности.

(2) Улучшение качества питьевой воды. Используя ионообменные и адсорбционные свойства цеолита, циркуляционная система применяется для сжижения морской воды, смягчения жесткой воды и избирательного удаления или уменьшения количества элементов, бактерий, вирусов и т. д., вредных для организма человека, в определенных источниках питьевой воды.

(3) Очистка вредных газов. Области применения в этой области включают очистку промышленных газов, экологическую очистку промышленных и бытовых отходящих газов.

Обработка пластмасс

В пластмассовой промышленности, особенно в производстве поливинилхлорида (сокращенно ПВХ), для поглощения свободного хлористого водорода в процессе обработки ПВХ и предотвращения его деградации (т.е. старения) используются термостабилизаторы на основе кальция и цинка. Цеолит 4A не только обладает щелочными свойствами, но и имеет пористую внутреннюю структуру, поэтому он может нейтрализовать и адсорбировать свободный хлористый водород в ПВХ, предотвращая его старение. При использовании цеолита 4A с термостабилизатором на основе кальция и цинка, цеолит 4A не только выполняет функцию термостабилизатора, но и снижает стоимость последнего.

Цеолит 4А используется в качестве термостабилизирующей добавки для ПВХ, что является экологически чистым и экономичным решением. В настоящее время применение цеолита 4А в ПВХ находится на начальной стадии, и ожидается, что в ближайшем будущем спрос на него значительно возрастет. Моя страна является одним из крупнейших производителей и переработчиков ПВХ. По объему производства ПВХ она занимает первое место в мире и будет продолжать расти на 5-8% в год в будущем. Поэтому перспективы применения цеолита 4А в ПВХ широки.

При использовании цеолита 4А в качестве термостабилизирующей добавки для ПВХ существуют строгие ограничения на наличие посторонних примесей, таких как черные пятна, обычно не более 10 штук/25 г. Поскольку черные пятна, как правило, гидрофильны и несовместимы с высокомолекулярными органическими соединениями (гидрофобными), такими как ПВХ, они могут вызывать дефекты в обработанных изделиях и влиять на прочность и внешний вид продукции.

Нефтехимическая промышленность

Молекулярное сито 4А в основном используется в нефтехимической промышленности в качестве адсорбента, осушителя и катализатора.

(1) В качестве адсорбента. Молекулярное сито 4А в основном используется для адсорбции веществ с молекулярным диаметром менее 4А, таких как вода, метанол, этанол, сероводород, диоксид серы, диоксид углерода, этилен и пропилен. Его селективная адсорбционная способность по отношению к воде выше, чем у любых других молекул.

(2) В качестве осушителя. Молекулярное сито 4А в основном используется для осушения природного газа и различных химических газов и жидкостей, хладагентов, фармацевтических препаратов, электронных материалов и летучих веществ.

(3) В качестве катализатора. Молекулярное сито 4А редко используется в качестве катализатора. В области катализа в основном используются молекулярные сита на основе цеолитов X-типа, Y-типа и цеолита ZK-5.

Нефтехимическая промышленность в основном нуждается в цеолитах типа молекулярного сита 4А, а следовательно, и в более высокой степени кристалличности.

Сельское хозяйство

(1) Используется в качестве почвоулучшителя. Катионообменные и адсорбционные свойства цеолита непосредственно используются в качестве почвоулучшителя для улучшения снабжения сельскохозяйственных культур необходимыми микроэлементами, снижения кислотности почвы и повышения способности почвы к солевому обмену.

(2) Используется в качестве удобрения длительного действия и удобрения с замедленным высвобождением. Например, сочетание цеолита с дигидроамином, гидрофенолом, редкоземельными элементами и другими микроэлементами может быть использовано для создания синергиста удобрений длительного действия, который может не только значительно продлить эффективность азотных удобрений, повысить эффективность использования азота, но и существенно улучшить эффективность азотных удобрений, улучшить питательный статус растений, стимулировать рост и развитие растений, повысить противовирусные свойства и увеличить урожайность.

(3) Используется в качестве кормовой добавки. Использование адсорбционных и катионообменных свойств цеолита, а также использование цеолита в качестве носителя для производства кормовых добавок может повысить противовирусную активность сельскохозяйственных животных, стимулировать синтез белка, ускорить набор веса и улучшить усвоение корма.

(4) Используется в качестве консерванта для сохранения свежести. Адсорбционные и обменные свойства цеолита могут быть использованы для предотвращения и контроля болезней сельскохозяйственных культур и насекомых-вредителей, а также для улучшения свежести и антисептических свойств овощей, фруктов и других сельскохозяйственных продуктов, а также водных продуктов.

Металлургическая промышленность

В металлургической промышленности он в основном используется в качестве разделительного агента для отделения и извлечения калия, рубидия, цезия и др. из рассола, а также в таких процессах, как обогащение, разделение и извлечение металлов; его также можно использовать для рафинирования и очистки некоторых газов или жидкостей, таких как аргон, для получения, разделения метана, этана и пропана.

Фармацевтическая промышленность

(1) Фармацевтическая промышленность. Адсорбционные свойства и легкая диспергируемость цеолита используются для адсорбции активных ингредиентов лекарственного средства на цеолите. Изготавливаются лекарства для внутреннего или наружного применения. Благодаря эффекту пролонгированного высвобождения активных ингредиентов лекарственных средств, цеолит может эффективно повысить эффективность и продлить время действия, а также одновременно уничтожать или подавлять бактерии и вирусы путем их загрузки. Он может эффективно уничтожать патогенные бактерии и вирусы без каких-либо других токсических побочных эффектов.

(2) Неорганические фунгицидные препараты. Размножение и распространение микроорганизмов, бактерий и вирусов в кондиционерах, холодильниках и домашних условиях серьезно влияют на здоровье людей. Использование ионообменных свойств цеолита для загрузки подходящих ионов тяжелых металлов позволяет получить высокоактивный и стойкий неорганический фунгицид. В качестве наполнителей могут быть разработаны бактерицидные и антибактериальные материалы или другие бактерицидные (дезодорирующие) материалы, такие как покрытия, пластмассы, резина, химические волокна и т. д. Эти стерилизующие материалы и их продукты безопасны и надежны в использовании и не имеют токсичных или побочных эффектов.

Бумажная промышленность

Использование цеолита в качестве наполнителя в бумажной промышленности может улучшить эксплуатационные характеристики и качество бумаги, увеличить ее пористость, повысить водопоглощение, облегчить резку, улучшить качество письма и обеспечить определенную огнестойкость.

Лакокрасочная промышленность

Цеолит, используемый в качестве наполнителя и основного пигмента в красках, может придавать краскам такие свойства, как антибактериальные, износостойкие, коррозионно-стойкие, термостойкие и устойчивые к изменениям климата.

Продукция компании Pengfeng включает цеолит 4A для моющих средств, молекулярное сито 4A (в виде порошка) и термостабилизирующие добавки для ПВХ. Производство цеолита 4A компанией Pengfeng осуществляется методом спекания, благодаря чему продукция обладает высокой белизной, малым количеством черных пятен и низким содержанием тяжелых металлов.