مقدمه ای بر زئولیت ها

[مهندس ایرانی]

زئوليت ها ، آلومينو سيليکات هاي بلوري و هيدراته فلزات قليايي و قليايي خاکي بويژه سديم ؛ کلسيم ، منيزيم ، استرانسيم و باريم هستند که شبکه ها ي سه بعدي متشکل از چهار وجهي هاي [SiO4]4- و[AlO4]4- دارند. اين مواد براي نخستين بار در سال 1756 توسط يک معدن شناس سوئدي به نام فرديک کرونستد شناسايي شده اند و زئوليت نام گرفته اند.
واژه زئوليت به معني سنگ جوشان از ريشه يونايي "زين " به معناي جوشيدن و "ليتوس" به معناي سنگ است . اين نام مبتني بر اين واقعيت است که در هنگام حرارت دادن زئوليت ، مقدار زيادي آب، به صورت بخار خارج مي شود .


از نظر شيميدان ها زئوليت ساختماني است از پليمر هاي معدني که داراي اندامي چهار وجهي است ، ساختمان کلي اين چهار وجهي به صورت TO4 است که در آنها ممکن است T يک عنصر سه ظرفيتي مانند Al وB وGa و يا چهار وجهي نظير Ge و Si و يا پنج ظرفيتي مثل P باشد و کليه اين چهار وجهي ها از طريق اکسيژن مشترک به يکديگر متصل مي شوند .
بعضي از کاربردهاي مهم زئوليت ها به شرح زير مي باشد:
الف- خالص سازي
- خشک کردن (LNG ؛ گازهاي حاصل از کراکينگ ، سردکننده ها )
D:\My Documents\My Pictures
- حذف گوگرد ( شيرين سازي گاز طبيعي وLPG)
- و...
از زئوليت هاي طبيعي نيز در بعضي از کاربردها مي توان استفاده کرد که عبارتند از :
الف- کاربردها در مقياس بزرگ
- به عنوان پرکننده در کاغذ
- در سيمان ها و بتن ها
- مکمل غذاي حيوانات
- کاربردهاي غربال مولکولي
- جداسازي اکسيژن و نيتروژن از هوا
- جاذب هاي مقاوم به اسيد و خشک کردن و خالص سازي
- تبادلگر يوني در فرايند هاي کاهش آلودگي
فرمول سلول واحد زئوليت ها معمولا به صورت زير است:
Mx/nn+ [(AlO2-)x (SiO2)y ] .wH2O
M: کاتيوني با ظرفيتn
w: تعداد مولکول هاي آب بر واحد ساختماني
x وy: تعداد کل چهار وجهي ها بر سلول واحد
(x+y): مجموع چهار وجهي ها در سلول واحد
y/x : مقادير 5-1 را به خود اختصاص مي دهند وليکن زئوليت هايي نيز قابل تهيه هستند که اين نسبت در آنها مي تواند به 100 يا بيشتر برسد.
قسمتي از فرمول که در کروشه قرار گرفته است ترکيب اصلي شبکه را نشان مي دهد.
کاتيون هاي فلزي که بار آنيوني اضافي در شبکه آلومينو سيليکاتي را خنثي مي سازند ، معمولا از فلزات قليايي و قليايي خاکي هستند و بعضي از آنها مي توانند به طور برگشت پذيري تعويض گردند . باقيمانده ي فضاي خالي موجود در زئوليت را ، مولکول هاي آب پر مي کنند.
در ساختار زئوليت ها چهار وجهي ها به گونه اي در کنار هم قرار مي گيرند که يک ساختار شبکه اي باز با منافذ و سطوح بسيار زياد پديد مي آورند ، شبکه ي سه بعدي به وجود آمده شامل کانال ها و حفره ها يا قفس هاي به هم پيوسته اندکه کاتيون ها و مولکول هاي آب فضاهاي بين حفره ها را اشغال مي نمايند .معمولا آب موجود در شبکه بلورين زئوليت مي تواند با عمليات حرارتي به صورت برگشت پذير برطرف گردد.

file:///C:/DOCUME%7E1/reza/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg

1- زئوليت هاي طبيعي : اين مواد در ابتدا به صورت يک جزء فرعي اما به صورت گسترده در حفره هاي بازالتي شناسايي شدند و استفاده از آنها به اين صورت ، در مقياس هاي صنعتي عملي سخت و طاقت فرسا بوده است. تشکيل زئوليت ها تنها به ماتريس بازالتي محدود نشده است .بلکه رسوبات متنوعي در چند دهه گذشته شناسايي شده اند ، زئوليت هاي طبيعي فراوان بوده و بعضي از رسوبات حاوي زئوليت داراي يک فاز زئوليتي خاص با خلوص 90% مي باشد .

از نظر صنعتي زئوليت هاي طبيعي داراي کاربردهاي کمي مي باشند که دليل اصلي آن يکنواخت نبودن خواص آنها است .همچنين ساختمان بلورين اين زئوليت ها از نظر اندازه ي حفره ها براي بسياري از کاربردهاي صنعتي مناسب نمي باشند.

در مورد شرايط و علل تشکيل زئوليت ها در طبيعت ، نظريه هاي گوناگوني ارائه شده است که یک نمونه از آنها به شرح زير است :

الف – زئوليت ها اغلب در لايه هاي رسوبي ، بعد از تشکيل و دفن رسوبات در اثر واکنش آلومينيم سيليکات با آب حفره ها ، در درزها و شکستگي ها تشکيل شده اند .

الف – زئوليت ها اغلب در لايه هاي رسوبي ، بعد از تشکيل و دفن رسوبات در اثر واکنش آلومينيم سيليکات با آب حفره ها ، در درزها و شکستگي ها تشکيل شده اند .

ب- شيشه هاي آتشفشاني سيليسي را مي توان مواد اوليه ( آلومينيم سيليکات ) مورد نياز براي تشکيل زئوليت ها در طبيعت دانست.

ج- تمام کاني هاي گروه زئوليت که تا به حال در حدود 60 نوع آن شناسايي شده اند ، کاني هاي ثانوي بوده و از تخريب يا دگرساني کاني هاي اوليه اي نظير فلدسپات و فلدسپاتوئيد ها ،رس ها و در نهايت از ژلهاي سيليکاته ي طبيعي به وجود مي آيند.

ايران پتاسيل بسيار بالايي در اين زمينه دارا مي باشد . کانسارهاي زئوليت ايران در نواحي دماوند ، سمنان ، کرمان ، گردنه نعل شکن ( جاده ي قم – تهران ) کوه هاي جنوبي تهران ( کوه مره ) و اطراف حوض سلطان شناسايي شده اند . مساعد ترين نواحي ، جنوب دماوند ، اطراف ورامين ، سمنان در جنوب کوه هاي طلحه و همچين سر کوير رشم سمنان مي باشد.

1- زئوليت هاي مصنوعي

زئوليت هاي مصنوعي مواد شيميايي ويژه اي با خلوص بالا هستند که دامنه ي کاربرد وسيعي دارند. محققين پيش از سال 1950 جهت توليد زئوليت ها در صدد تشکيل طبيعي و ژئوشيميايي کاني هاي شناخته شده بودند و تصور مي کردند که تشکيل زئوليت ها مستلزم ايجاد درجه حرارتي در حدود 200 تا 400 درجه سانتيگراد و دهها اتمسفر فشار مي باشد .اما در سال 1957 شيميدان ها موفق شدند زئوليت هايي در دماي پايين(C0 100 >) و در مقياس صنعتي تهيه نمايند.

توليد زئوليت ها

توليد زئوليت ها تحت شرايط گرمآبي انجام مي گيرد. اصطلاح گرمابي در اينجا به معني تبلور زئوليت ها از محلول آب دار حاوي اجزاي شيميايي لازم است. پليمرهاي آلومينا سيليس آبدار با وزن مولکولي کم يعني Si(OH)4 و Al(OH)3 مونومر هايي هستند که در اثر ترکيب با هم واحدهاي ساختاري ثانوي را در فاز محلول به وجود مي آورند واحدهاي ثانوي يا به طور مستقيم به روي هسته يا وجهي از بلور در حال رشد مي نشينند و يا قبل از اتصال به صورت چند وجهي بزرگتر شکل مي گيرند ، بسياري از واحدهاي ساختاري از اين قبيل ممکن است در محلول شکل بگيرند ، لکن فقط تعداد معدودي از آن ها هستند که با موفقيت به بلور در حال رشد متصل مي شوند .نوع زئوليت به دست آمده توسط شرايط توليد تعيين مي شود .از جمله ي اين شرايط مي توان به غلظت مواد واکنشگر ،pH ، دما و غلظت مواد افزودني اشاره نمود.فاکتور هاي موثر بر فرايند توليد عبارتند از :

1- طبيعت مواد شرکت کننده در واکنش و فرايند آماده سازي آن ها

2- روشي که از طريق آن، مخلوط واکنش آماده مي شود و ترکيب کلي اجزاي مخلوط پس از آماده شدن

3- همگن بودن يا غير همگن بودن

4- pH مخلوط

5- زمان ماند در دماي پايين براي ژل ها

6- نطفه بندي ( هسته زايي )

7- اضافه کردن افزودني هاي خاص

8- دما و فشار

سه فاکتور اول نشانگر اين هستند که نطفه بندي به وسيله ي متغير هاي ترموديناميکي اي چون ترکيب ، دما يا فشار کنترل نمي شود .بلکه با فاکتورهاي حساس محيطي کنترل مي گردد. به طور کي واکنشگر ها عبارتند از : سديم آلومينات ، سديم سيليکات ؛ سيليسيک اسيد ، سديم هيدروکسيد که براي تنظيم pH اضافه مي شود .


تجربيات تعدادي از كشورها در استفاده از ازن 1-كشورآمريكا در سال 1940 نخستين واحد ازن زني به منظور از بين بردن طعم وبوي حاصل از مواد فنلي در آمريكا تاسيس گرديد . البته همواره از كلر زني نيز بصورت توامان استفاده مي گرديد تا در سيستم توزيع مقدار باقيمانده پايدار از گندزداها وجود داشته باشد. تحقيقات نشان داده كه استفاده ازازن قبل ازكلر زني باعث كاهش توليد تري هالومتانها در حد كمتر از 1 ميكروگرم در ليتر مي باشد. با توجه به بالاتر بودن كيفيت آب منابع در دسترس در آمريكا نسبت به منابع آبي اغلب كشورهاي غربي ، استفاده از ازن در ايالات متحده كمتر مورد توجه قرار گرفته است لكن با افزايش آلودگي آبهاي سطحي وزير زميني در دهه 90 قوانين جديدي در راستاي بهبود كيفيت آب وضع شده كه از جمله آنها رويكرد بيشتر به استفاده از ازن در جهت افزايش كيفيت وقابليت اعتماد به آب شرب مصرفي مي باشد . از اين رو تعداد تصفيه خانه هاي داراي تاسيسات ازن زني دراين كشور بين سالهاي 90تا 94 از 20 به 60 عدد افزايش يافته است. 2-كشوركانادا
اولين تاسيسات ازن زني در كانادا در سال 1956 نصب و راه اندازي شد. در اين كشور از ازن بعنوان گندازدا ونيز حذف كننده طعم وبو وكنترل كدورت استفاده گرديده است هرچند جهت حفظ مقادير باقيمانده گندزدا در شبكه سيستم كلر زني نيز بصورت همزمان بكار گرفته شده است . عمده كاربرد ازن در كانادا در حذف مشكلات طعم وبوهاي فصلي جهت كمك به امر گند زدايي بوده است.
3-كشورفرانسه
در سال 1992 حدود700 تصفيه خانه در فرانسه با استفاده از سيستم ازن زني مشغول بكار بوده اند كه آب تمامي اين تصفيه خانه ها از آبهاي سطحي تامين مي شده است . هدف اصلي براي استفاده از ازن كنترل طعم بو ، تخريب فنل ، حذف مواد آلي وغير فعال سازي ويروسها واز بين بردن باكتريها مي باشد . در تعدادي از تصفيه خانه ها از ازن براي حذف رنگ وآهن ومنگنز استفاده مي شود ودر اكثر تصفيه خانه ها گزارش شده كه ازن باعث افزايش راندمان حذف كدورت گرديده است.
4- كشورسوئيس
در سوئيس 150تصفيه خانه بزرگ وكوچك از ازن زني براي از بين بردن باكتريها وويروسها ، حذف طعم وبو ومواد آلي استفاده مي نمايند.
5-كشوراستراليا
در استراليا نيز تعداد 42 تصفيه خانه با سيستم ازن زني فعاليت دارند كه تعدادي بعنوان گند زداي مكمل كلر وتعدادي نيز بعنوان حذف كننده رنگ ومواد آلي بكار گرفته شده اند.
هزينه ها هزينه هاي مربوط به خريد ونصب تاسيسات ازن زني با توجه به ميزان ازن مورد نياز ودبي تصفيه خانه متفاوت است ولي بطور متوسط هزينه اي بالغ بر 500 تا 600 هزار دلار براي آن پيش بيني مي گردد. انرژي متوسط مورد نياز جهت توليد هر كيلو گرم ازن ، 15تا20 كيلو وات ساعت خواهد بود . اين در حاليست كه براي انجام مناسب گند زدائي با ازن ، دوز تعيين شده mg/lit 5/1-1 مي باشد. تاسيسات توليد ازن حدود 68 در صد از الكتريسته مورد نياز فيلتر اسيون تصفيه خانه را مصرف مي نمايد. تخمين زده مي شود كه در صورت تزريق mg/lit 1 ازن ، به ازاي هر يك هزار متر مكعب آب تصفيه شده يك دلار صرف گردد. مزايا ومعايب استفاده از پيش ازن زني در مقايسه با كلر : 1- مزايا 1-1- كاهش مقادير رنگ ،طعم وبو به ميزان قابل توجه 1-2- افزايش راندامان فيلتر اسيون ( حدود 50 در صد ) 1-3-افزايش راندمان گند زدائي 1-4-كاهش زمان مورد نياز براي تشكيل فلوك ولخته سازي 1-5-كاهش مواد شيميائي مورد نياز براي فرايند انعقاد 1-6-كاهش تركيبات تري هالومتان به ميزان قابل توجه ونيز ديگر تركيبات آلي كلر دار 1-7-كاهش لجن حاصل از بك واش[6] (http://www.yazdwater.ir/admin/fce.asp?page=18&code=2#_ftn6) فيلتر 2- معايب 2-1- هزينه نصب وراه اندازي بالا 2-2- ناپايداري وعدم ايجاد باقيمانده در آب 2-3- ايجاد تركيبات جانبي مضر (اين تركيبات نسبت به تركيبات جانبي كلر از حجم وعوارض كمتري برخوردار است) 2-4- عدم امكان ذخيره سازي جهت موارد اضطراري نتيجه گيري به سختي مي توان تمام كاربردهاي ازن درآب آشاميدني را در اين مبحث كوتاه ارائه نمود . مهمترين موضوعي كه لازم است بخاطر داشته باشيم اينست كه با بكار گيري ازن در تصفيه آب آشاميدني مي توان بسياري از مشكلاتي كه توسط ديگر گند زداها واكسيد كننده ها قابل رفع نيستند را برطرف نمود كه از جمله مي توان از اكسيد اسيون آلاينده هاي ميكرو ، تثبيت بيولوژيكي آب وضد عفوني نام برد. درست مثل هر اكسيد كننده ديگر ، با بكار گيري ازن در تصفيه آب نيز فراورده هاي جانبي حاصل مي شود كه برخي از آنها از نقطه نظر بهداشتي قابل توجه هستند. افزايش دانش وتجربيات محققين در 25 سال گذشته در خصوص كاربرد ازن منجر به كاهش مخاطرات ونگرانيها مربوط به استفاده از آن به كمترين حد ممكن گرديده است.
منابع
1- ضد عفوني كننده ها در تصفيه آب وفاضلاب – ترجمه حسين عليدادي – انتشارات تصفيه خانه آب اصفهان – سال 1379 2-واحد هاي عملياتي وفرايند در مهندسي محيط زيست – نوشته تام دي رنلرزوپل اي ريچاردز ترجمه ايوب تركيان وسعيد مردان – انتشارات شركت شهركهاي صنعتي تهران – سال 1381 3- ازن وتصفيه نوشته g.p. Duget انتشارات تصفيه خانه آب اصفهان – سال 1381