Zeolite là gì? Phân loại, cấu tạo, ứng dụng của Zeolite

Zeolite là gì?

Zeolite là gì

Zeolite chính là những tinh thể khoáng alumino silicate của một số kim loại có hệ thống mao quản đồng đều có chứa các cation nhóm I và II. Chất này có công thức hóa học chung là M_x/n[(AlO₂)x(SiO₂)_y].zH₂O, trong đó:

• M là kim loại kiềm hoặc kiềm thổ hoá trị n.
• y/x là tỉ số của nguyên tử Si/Al và tỉ số này sẽ thay đổi tuỳ theo loại zeolite.
• z là số phân tử nước (H₂O) kết tinh trong zeolite.

Zeolite có khả năng hấp thụ các kim loại, amonia dạng H₂S, NO₂, NH₃, N-NH₄⁺, … tham gia đảo nước và cung cấp oxy.

Tên gọi Zeolite được nhà khoáng vật học Axel Fredrik Cronstedt (Thụy Điển) đặt năm vào 1756. Ông phát hiện ra hóa chất này khi ông nung nóng nhanh stilbit và thấy một lượng lớn hơi nước sinh ra bị một loại vật liệu hấp phụ trước đó. Dựa trên hiện tượng này mà ông gọi nhóm vật liệu hấp thụ đó là Zà zeolite.

Hiện các hạt Zeolite có kích thước dao động từ 1.000-5.000 nm và trong tương lai, kích thước này có thể sẽ giảm xuống dưới mức 100 nm nhằm tạo ra vật liệu nano.

Cấu tạo của Zeolite

Zeolite được cấu tạo từ mạng lưới 3 chiều của các tứ diện SiO₄ liên kết với nhau trong không gian 3 chiều để tạo thành các khối đa diện, trong đó có một số nguyên tố Si được thay thế bởi nguyên tử Al và tạo thành khối tứ diện AlO4.

Trong tinh thể Zeolit, các tứ diện SiO₄ và AlO₄ liên kết với nhau thông qua nguyên tử oxy. Không gian bên trong tinh thể sẽ gồm các hốc nhỏ được nối với nhau bằng những rãnh có kích thước ổn định. Nhờ có hệ thống lỗ xốp và các đường rãnh này mà Zeolit có thể hấp phụ được những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ, sau đó đẩy ra những phân tử có kích thước lớn hơn.

Vì được tạo thành khi Al thay thế một số nguyên tử Si trong mạng lưới tinh thể của SiO₄ kết tinh nên mạng lưới tinh thể của Zeolit mang điện tích âm. Để trung hòa về điện tích, Zeolite cần thêm các ion dương để bù trừ điện tích âm dư. Những ion dương đó thường là ion kim loại kiềm (Na+, K+…) hoặc kiềm thổ (Mg²⁺, Ca²⁺…). Những ion dương này nằm ngoài mạng lưới tinh thể của Zeolite và có thể dễ dàng tham gia các quá trình trao đổi ion với các ion dương khác.

Nhờ đặc tính này mà chúng ta có thể biến tính Zeolit để phù hợp với những ứng dụng mới trong các quá trình hấp phụ và xúc tác.

Zeolite có những loại nào

Có những loại zeolite nào

Hiện nay có khoảng 48 loại Zeolite có sẵn trong tự nhiên và 150 loại zeolite được tổng hợp. Cụ thể chúng sẽ được phân loại thep những tiêu chí như sau:

Cách để tạo ra Zeolite trong tự nhiên và nhân tạo

Trong tự nhiên

Trong tự nhiên, Zeolite là sản phẩm của sự kết hợp giữa tro núi lửa, đá và các kim loại kiềm có trong nước ngầm. Nó là một khoáng chất có thể tạo ra một loạt cấu trúc được tạo thành từ những mảng silica, nhôm, oxy và được gọi là aluminosilicates, trong đó loại Clinicoptilolite là phổ biến nhất. Nhờ có cấu trúc và thành phần như vậy mà Zeolite xốp và có độ nghiêng cao cho khả năng trao đổi ion dương. Đặc tính trao đổi của các loại Zeolite là khác nhau giữa các loại.

Zeolite nhân tạo

Để tạo ra Zeolite nhân tạo, chúng ta có thể áp dụng một trong những cách sau đây:

- Tổng hợp từ gel đun trong autoclav có chứa các hợp chất silic, nhôm, dung môi, chất khoáng hóa và một tác nhân giúp định hình cấu trúc (SDA). Kích thước lỗ xốp, nhất là những lỗ vi xốp sẽ phụ thuộc vào tính chất gel, điều kiện phản ứng và kích thước của tác nhân định hình cấu trúc.  

- Tổng hợp trực tiếp từ aluminat và silicat.

- Tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu có trong tự nhiên, biến tính các aluminosilicat như khoáng phi kim loại (bentonite, cao lanh).

Ứng dụng thực tiễn của Zeolite là gì?

Ứng dụng của zeolite

Zeolite được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, cụ thể là:

- Trong nuôi trồng thủy sản: Zeolite có khả năng hấp phụ amonia, đặc biệt là trong môi trường nước ngọt, khả năng hấp thụ này tốt hơn. Bởi lẽ, khi độ mặn tăng, khả năng hấp phụ amonia của Zeolite bị hạn chế do các cation hòa tan trong nước lợ. 

- Sản xuất phân bón Zeolite: Khi bón vào đất, Zeolite sẽ nhả chất dinh dưỡng có trong phân bón vào đất một cách chậm rãi, giúp tiết kiệm lượng phân bón cần phải sử dụng. Bên cạnh đó, do có tính chất xốp nên phân bón Zeolite giúp đất tơi xốp hơn, từ đó tăng độ màu mỡ, độ ẩm và duy trì sự ổn định độ pH của đất.

- Trong chăn nuôi: Trộn thêm Zeolite vào thức ăn cho lợn, gà sẽ giúp tăng sức đề kháng, kích thích tiêu hóa để vật nuôi phát triển tốt hơn. Bởi lẽ, Zeolite sẽ giúp hấp thu các chất độc có trong cơ thể vật nuôi.

- Trong xử lý nước thải, chất thải: Zeolite được sử dụng để tách amoni, các ion kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ, chì, phốt pho và hexavalent chromium. Sau khi sử dụng, Zeolite bị suy giảm nhưng chúng ta có thể tái sinh nó để sử dụng lại.

- Nhờ vào khả năng tách nước có chọn lọc mà hạt Zeolite được sử dụng trong hoá dược, sản xuất cồn tuyệt đối và sản xuất hoá chất bảo vệ thực vật.

- Zeolite có khả năng loại bỏ các ion canxi và magie trong nước, giúp giảm lượng nước chảy ăn mòn kim loại và kéo dài tuổi thọ nồi hơi nên nó được dùng để làm mềm nước nồi hơi vừa và nhỏ.

- Zeolite có khả thể giải độc cho con người. Cấu trúc tế bào vi mô tổ ong của loại chất này là một trong số ít các khoáng chất tích điện âm, tức là nó có thể thu các chất gây ô nhiễm mang điện dương. Bên trong các lồng tổ ong này tích điện âm và có thể chứa những khoáng chất có lợi cho con người như kali. Zeolite sẽ hoán đổi các khoáng chất tích điện âm này bằng những chất gây ô nhiễm mang điện dương trong cơ thể người. Từ đó giúp con người có một sức khỏe tốt hơn.

- Trong công nghiệp hóa dầu: Việc tìm ra Zeolite đã tạo nên bước ngoặt lớn trong ngành công nghiệp hoá học, nhất là ngành lọc hóa dầu. Zeolite chiếm khoảng 95% tổng lượng xúc tác giúp làm tăng cả về số lượng và chất lượng của sản phẩm dầu khí. Nó được dùng trong hầu hết các công đoạn quan trọng như của lọc hóa dầu như Cracking, Alkyl hoá, Oligome hoá, thơm hoá các alken, alkan, Izome hóa.

Có thể thấy rằng, Zeolite có rất nhiều ứng dụng hữu ích cho cuộc sống của con người. Hy vọng những thông tin về Zeolite là gì mà Hóa Chất Đông Á vừa chia sẻ ở trên đã giúp cho bạn đọc có thêm những kiến thức về chất này và đừng quên chia sẻ ngay bài viết này tới mọi người bạn nhé.