تصفیه ی آب های صنعتی با زئولیت

مقدمه

در عصر حاضر به دلیل آلودگی آب ها امکان استفاده از حجم عظیمی از آب های موجود روی کره ی زمین را نداریم و به دفعات زیاد نیز شنیده ایم که با مشکل کم آبی مواجه هستیم.ﺑﺎ ﺗﻮﺳﻌﻪ ی ﺳﺮﯾﻊ ﺻـﻨﺎﯾﻊ ﻣﺨﺘﻠـﻒ ﻣﻘﺪار زیادی از ﻓﺎﺿﻼب ﺻﻨﻌﺘﯽ ﺗﻮﻟﯿﺪ ﺷﺪه اﺳﺖ ﮐﻪ ﺑﻪ آبﻫﺎ ﯾﺎ ﺑﻪ ﺧﺎک ﺗﺨﻠﯿـﻪ شده و به همراه خود مواد شیمیایی خطرناکی را وارد محیط زیست کرده اند. ﻓﺎﺿـﻼب ﻣﻌﻤـﻮﻻ ﺣﺎوی آﻻﯾﻨﺪه ﻫﺎی ﺑﺴﯿﺎری از ﺟﻤﻠﻪ آﻻﯾﻨﺪهﻫﺎی ﮐﺎﺗﯿﻮﻧﯽ و آﻧﯿﻮﻧﯽ، روﻏﻦﻫﺎ و ﻣﻮاد آﻟﯽ ﻣﯽﺑﺎﺷﻨﺪ.این آلاینده ها به صورت محلول در آب و خاک وارد شده و باعث آلودگی آب های سطحی و زیرزمینی و خاک می شوند.همچنین باعث صدمه به اکوسیستمی که به آن وارد می شوند، می گردند.بنابراین باید هر چه سریع تر نسبت به حذف چنین موادی از منابع آبی اقدام نموده تا در جهت رسیدن به توسعه ی پایدار بتوان گامی مثبت برداشت بدون این که زیانی به محیط زیست وارد شود.

در حال حاضر در بسیاری از شهرهای کشور فاضلاب های خانگی و سطحی که از شهر خارج می شود در زمین های کشاورزی پایین دست استفاده می شود. برای مثال نهر فیروزآباد تهران که قسمت اعظم آلودگی های سطحی و پساب تصفیه خانه ها و کارخانه های متعددی به آن تخلیه می شود به طور گسترده ای در جنوب تهران در مناطق کشاورزی به مصرف تولید میوه و سبزی های خوراکی می رسد.در تهران در حال حاضر از ۹۷۰۰ هکتار اراضی تحت کشت در حدود ۶۹۰۰ هکتار از این اراضی با فاضلاب آبیاری می گردند.در شهر تبریز فاضلاب های خانگی و سطحی که داخل مسیل داخل شهر ریخته می شود پس از خروج از شهر در کشاورزی مصرف می شود. در شهر شیراز نیز گزارش شده که در فصول خشک سال جریان اصلی رودخانه ی نزدیک شهر را فاضلاب های تخلیه شده به آن تشکیل می دهد و این فاضلاب ها در نهایت به مصرف کشاورزی می رسد. همچنین از لجن این فاضلاب ها به عنوان کود در اراضی استفاده می شود.استفاده از فاضلاب ها و لجن آن ها در اراضی کشاورزی با مسائل عدیده ی بهداشتی و زیست محیطی همراه است. نتایج امریج و همکارانش[۲۴] در مورد کادمیوم و نیکل، سیلویرا و سومرز در مورد کادمیوم و سرب و پتروزلی و همکارانشدر مورد سرب و نیکل نشان داده است که استعمال فاضلاب با PH پایین سبب حرکت بیشتر عناصر به اعماق پایین پروفیل خاک گردیده است که این حرکت منجر به آلودگی خاک های اعماق شده و نهایتا باعث آلودگی آب های زیرسطحی و آب های زیرزمینی به این فلزات می گردد.بررسی های انجام شده توسط وندر لیدن همکاران در سال ۱۹۹۰ نشان اد که آب زیر زمینی اکثر سفره های آب زیرزمینی تحت آزمایش در آمریکا آلوده به فلزات سنگین هستند.[۱۵]

برای جلوگیری از زیان های زیست محیطی لازم است از تخلیه ی فاضلاب ها در آب های پذیرنده جلوگیری شود.ﺑـﺮای ﺣـﺬف اﯾﻦ آﻻﯾﻨﺪهﻫﺎ، ﺗﮑﻨﯿﮏﻫﺎی ﻣﺘﻌﺪدی در ﺳﺎلﻫﺎی اﺧﯿﺮ در نقاط مختلف جهانﺑﻪ ﮐﺎر ﮔﺮﻓﺘﻪ ﺷﺪه اﺳﺖ ﮐـﻪ ﻣـﯽ ﺗـﻮان ﺟـﺬب ﺳـﻄﺤﯽ، ﺑﯿﻮﺗﮑﻨﻮﻟﻮژی، ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎی ﮐﺎﺗﺎﻟﯿﺰوری، ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎی ﻫﺴﺘﻪای، ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫـﺎی ﺗـﺎﺑﺶ (ﺗﺠﺰﯾـﻪ ﯾـﻮﻧﯽ) و ﻓﺮآﯾﻨـﺪﻫﺎی اﺳﺘﻔﺎده از ﻣﻮاد ﻣﻐﻨﺎﻃﯿﺴﯽ را ﻧﺎم ﺑﺮد. در ﺣﺎل ﺣﺎﺿﺮ اﻋﺘﻘﺎد ﺑﺮ اﯾﻦ اﺳﺖ ﮐﻪ ﻓﺮاﯾﻨﺪ ﺟﺬب روش ﺳﺎده و ﻣـﻮﺛﺮی در ﺗﺼﻔﯿﻪ ﺑﻪ ﺷﻤﺎر ﻣﯽرود. از ﺟﻤﻠﻪ ﺟﺎذبﻫﺎ ﻣﯽﺗﻮان ﮐﺮﺑﻦ ﻓﻌﺎل، ﻣﻮاد ﻣﻌﺪﻧﯽ ﺧﺎک رس و زﺋﻮﻟﯿﺖﻫﺎ را ﻧﺎم ﺑﺮد. اﺳﺘﻔﺎده از زﺋﻮﻟﯿﺖﻫﺎی ﻃﺒﯿﻌﯽ و ﻣﺼﻨﻮﻋﯽ در ﻓﺮاﯾﻨﺪ ﺗﺼﻔﯿﻪ ﻓﺎﺿﻼبﻫﺎ ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﯾﮏ روش ﺟﺎﯾﮕﺰﯾﻦ ﻣﻌﺘﺒـﺮ در ﺣﺎل ﺑﺮرﺳﯽ ﻣﯽﺑﺎﺷﺪ. ﺑﻪ دﻟﯿﻞ ﺧﻮاص ﻣﻨﺤﺼﺮ ﺑﻪ ﻓﺮد زﺋﻮﻟﯿﺖ از ﺟﻤﻠﻪ: ﺗﺒﺎدل ﮐﺎﺗﯿﻮﻧﯽ ﺑﺎﻻ، در دﺳﺘﺮس ﺑـﻮدن و ﻫﺰﯾﻨﻪﻫﺎی ﻧﺴﺒﺘﺎ ﮐﻢ ﺑﻪ ﻃﻮر ﮔﺴﺘﺮده ای ﺑﻪ ﻋﻨﻮان ﺟﺎذب در ﻓﺮآﯾﻨﺪﻫﺎی ﺟﺪاﺳﺎزی و ﺧﺎﻟﺺﺳﺎزی در دﻫﻪﻫـﺎی ﮔﺬﺷﺘﻪ از آن اﺳﺘﻔﺎده ﺷـﺪه اﺳـﺖ.

۱- زﺋﻮﻟﯿﺖ ﭼﯿﺴﺖ؟

ﻧﺨﺴﺘﯿﻦ ﺑﺎر در ﺳﺎل ۱۷۵۶ ﺑﻠﻮرﻫﺎی ﺧﺎﺻﯽ ﮐﻪ در زﯾﺮ ﺷﮑﺎفﻫﺎی ﺻﺨﺮهﻫﺎ ﺗﺸﮑﯿﻞ ﺷﺪه ﺑﻮدﻧﺪ ﺗﻮﺳﻂ ﯾﮏ ﻣﻌﺪنﺷﻨﺎس ﺳﻮﺋﺪی ﺑﻪ ﻧﺎم اﻟﮑـﺲ ﻓﺮودرﯾـﮏ ﮐﺮوﻧﺴـﺘﺪت ﮐﺸﻒ ﺷﺪ.او ﻣﺸﺎﻫﺪه ﮐﺮد ﮐﻪ ﻫﻨﮕﺎم ﮔﺮﻣﺎ دادن ﺑﻪ ﺑﻠﻮرﻫﺎ، ﻣﻘﺪار زﯾﺎدی آب ﺑﻪ ﺻـﻮرت ﺑﺨـﺎر از آن خارج می شود.ﺑﻨﺎﺑﺮاﯾﻦ ﺑﺎ ﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ دو ﻟﻐﺖ ﯾﻮﻧﺎﻧﯽ زﯾﻦ ﺑﻪ ﻣﻌﻨﺎی جوشیدن و لیتوس به معنای سنگ اﯾﻦ ﺑﻠﻮرﻫﺎ زﺋﻮﻟﯿﺖ (ﺳﻨﮓ ﺟﻮﺷﺎن) ﻧﺎﻣﯿﺪه ﺷﺪﻧﺪ .[۲۵]زئولیت ها خانواده ی بزرگی از کانی های آلومینو سیلیکاته را تشکیل می دهند که از قرن ۱۸ میلادی برای دانشمندان و معدن شناسان شناخته شده بودند ولی تا حدود ۷۰ سال پیش کار علمی یا عملی قابل توجهی روی آن ها انجام نشده بود.بعد ها و پس از شناخت خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد آن ها توجه بسیاری از محققان به این علم جلب شد به گونه ای که طی ۳۰ سال گذشته گسترش فوق العاده ای در زمینه ی علوم زئولیت ها پدید آمده است[۲۲].در واقع کشف خواصی از زئولیت مانند دهیتراسیون بدون تخریب ساختمان کریستالی زئولیت ها (دامور, ۱۸۵۷ میلادی)، عبور نکردن برخی مایعات مانند بنزین، الکل، کلروفرم و جیوه از زئولیت های دهیدراته (فریدل, ۱۸۹۶ میلادی)، جذب سطحی گازهای هیدروژن، آمونیاک، سولفید هیدروژن و هوا روی شابازیت (گرادجین, ۱۹۰۹ میلادی) و جذب سطحی مولکول های آلی کوچک و دفع مواد آلی بزرگتر توسط زئولیت های دهیدراته (ویگل و اشتنهف, ۱۹۲۴ میلادی) محققان را به سوی این علم جذب نمود.زئولیت ها را به دو گروه زئولیت های طبیعی و مصنوعی می توان تقسیم بندی نمود که ﺗﺎﮐﻨﻮن حدود ۴۰ ﻧﻮع زئولیت طبیعی و حدود ۱۰۰ نوع زئولیت مصنوعی شناسایی شده است[۱۳]. زئولیت های طبیعی، تشکیل دهنده ی گروه بزرگی از آلومینوسیلیکات های کریستالین و هیدراته فلزات قلیایی و قلیایی خاکی می باشند.به دلیل ویژگی های ساختمانی و ترکیب شیمیایی منحصر به فرد و نیز امکان تهیه ی فرم های اصلاح شده، منافع بالقوه ی مطلوبی برای استفاده در زمینه های مختلف علمی و صنعتی از قبیل صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع هسته ای، صنایع کشاورزی و دامپروری، پاک سازی فاضلاب های صنایع گوناگون اعم از شهری، کشاورزی، و صنعتی از آلودگی های شیمیایی به حساب می آید[۸].به دلیل ارزانی و فراوانی این گونه ی معدنی و نیز انحصاری نبودن ذخایر آن در دست یک یا چند کشور خاص، استفاده از این کانی در صنایع مختلف به سرعت رو به افزایش است.در ایران نیز وجود ذخایر عظیمی از زئولیت های گوناگون باعث جذب محققین رشته های مختلف علوم و انجام پژوهش های زیادی در این زمینه شده است.[۹] از گونه های معدنی مهم می توان به آنالیسم، شابازیت، فوژاسیت، کلینوپتیلولیت و ناترولیت اشاره کرد.زئولیت ها به وفور در سنگ های آتشفشانی یافت می شدند اما به دلیل نبود روش های اقتصادی جهت استخراج آن ها، تولیدشان بسیار اندک بود و از این رو شیمیدانان به سمت تولید نمونه های ترکیبی و مصنوعی روی آوردند. در بین گونه های مصنوعی نیز انواع A, X, P, L فوژاسیت مصنوعی و zsm-5 از اهمیت تجاری برخوردارند.[۱۸]

۲- ساختمان زئولیت

به طور کلی ساختمان زئولیت ها را می توان متشکل از سه جز چارچوب آلومینوسیلیکاتی، فضاها و حفره های به هم متصل حاوی کاتیون های قابل تعویض و مولکول های آب که معمولا آن ها را به عنوان فاز به دام افتاده و محبوس در نظر می گیرند فرض کرد [۶]. زئولیت ها در اصل آلومینو سیلیکات های هیدراته ی کریستالی عناصر گروه I و II اصلی جدول تناوبی اند[۲۲]. این عناصر عبارتند از سدیم، منیزیم، کلسیم، استرانسیم و باریم.زئولیت ها آلومینوسیلیکات های کریستاله با خلل و فرج های ریز شامل واحد های چهاروجهی سازنده ی ساختار اسکلت می باشند که سیستمی از خلل و فرج و حفرات در اندازه ی مولکولی تولید می کنند[۲۷].ساختار آن ها آنیونی بوده و شامل کانال ها و حفراتی است.[۴۱] زئولیت ها کریستال های آلومیناسیلیکات میکرومتخلخلی می باشند که از چهار وجهی AlO4 وSiO4 که توسط اتم اکسیژن (O) متصل می شوند، تشکیل می شوند. برای یک ساختار کامل سیلیسی، ترکیب واحد های SiO4 گرایش به سمت تشکیل سیلیکا (SiO2) با چهار بار منفی دارند.با مشارکت Al در ساختار سیلیکا با وجود سه بار مثبت Al کل ساختار دارای یک بار منفی می شود و برای این که از احاظ بار الکتریکی خنثی باشد نیازمند یک ساختار کاتیون آلی یا معدنی می باشد[۳۸]. ترکیب شیمیایی زئولیت که تعیین کننده ی خواص آن می باشد را می توان به صورت زیر بیان کرد:



در فرمول نشان داده شده M نشانگر کاتیون اضافه شده با بار m می باشد.این کاتیون ها توسط پیوند الکترواستاتیکی به ساختار متصل شده و در شبکه ی کریستالی زئولیت سیار می باشند.y و x اعداد صحیح هستند و z تعداد مولکول های آب می باشد[۳۰].



میزان Al موجود در ساختار زئولیت در محدوده ی وسیعی تغییر می کند. نسبت Si/Al از یک تا بینهایت قابل تغییر است. این نسبت پارامتر مهمی برای زئولیت ها می باشد که نشان دهنده ی میزان کاتیون مورد نیاز در ساختار بوده و میزان اسیدیتع هر واحد سلول را نشان می دهد.با افزایش این نسبت پایداری هیدروترمال و آب گریزی زئولیت افزایش می یابد که با این وجود زئولیت ها در کاربرد های صنعتی فراوانی قابل استفاده اند.طبیعت کریستالی زئولیت نشان می دهد که حفرات به طور یکنواخت در کریستال موجودند و می توانند به طور متمایز با ابعاد مختلف مولکول ها عمل کنند و به همین دلیل به عنوان غربال مولکولی شناخته می شوند. زئولیت ها با استفاده از خاصیت غربال مولکولی و قدرت جذب سطحی خود می توانند بین مولکول ها تمایز قائل شده و فرایند جداسازی را با کارایی قابل توجهی انجام دهند[۵]. ابعاد این حفره ها ریز و در محدوده ۳ تا ۱۰ آنگستروم است[۲].

۳- انواع زئولیت ها

تا کنون حدود ۱۷۰ نوع زئولیت طبیعی و سنتز شده شناسایی شده است.در نامگذاری زئولیت ها از یک کد سه حرفی برای انواع ساختارهای تایین شده توسط کمیسیون ساختار انجمن بین المللی زئولیت (Structure Commossion of International Zeolite Assosiation) استفاده می شود.این کد ها معمولا از اسم زئولیت یا نوع ماده ی مشتق شده است.مثلا FAU از ماده ی معدنی faujasite، LTA از Linde Type A و ZSM-5 از Zeolite Socony Mobile مشتق شده است.[۴۶]

ساختار زئولیت ها توسط واحد های سازنده، چیدمان، اندازه و شکل هندسی حفرات تعیین می گردد.ساختار بدنه ای زئولیت می تواند با رشد منظم واحد های ساختاری و بلوکه های چهاروجهی TO4 که (T=Si, Al) سازنده ساخته شود.در ساختار زئولیت ها پیوند های Si-O-Al وSi-O-Si شبکه را تشکیل داده و چیدمان سه بعدی چهاروجهی های TO4 که واحد های سازنده ی پایه (BBU) نیز نامیده می شوند، به روش های مختلف می تواند صورت پذیرد.در برخی موارد زئولیت ها از ترکیب واحد های سازنده ی مرکب (CBU) و BBU ها تشکیل می شود. این CBU ها ی توانند حلقه های تک یا زنجیره های تک باشند و یا ساختارهای پیچیده تر مانند زنجیره های شاخه دار یا ساختارهای چندوجهی بسازند.برای اکثر زئولیت ها اندازه ی حفره یک ویژگی کلیدی به شمار می آید. محدوده ی دهانه ی کانال ها یا حفره ها از ۰٫۳ تا ۱ نانو متر بسته به ساختار زئولیت متغیر می باشد[۴۰].

۳-۱ زئولیت های طبیعی

حدود ۴۰ نوع زئولیت در طبیعت شناخته شده است که برخی از آن ها استفاده های صنعتی دارند. زئولیت های طبیعی نتیجه ی غیر مستقیم فعالیت های آتشفشانی بوده و از طریق دگرگونی هیدروترمال بازالت، خاکستر آتشفشانی و سنگ پا تشکیل می شوند.اکثر زئولیت های طبیعی شناخته شده دارای نسبت کم Si/Al می باشند.گاهی اوقات زئولیت های طبیعی در تک کریستال های بزرگ یافت می شوند.این در حالی است که ساختن کریستال های بزرگ به طور آزمایشگاهی تقریبا غیر ممکن است. زئولیت های با تخلخل زیاد مانند FAU، که نمونه ی مصنوعی آن X و Y می باشد، در طبیعت بسیار کمیاب هستند.دو نوع زئولیت طبیعی با ارزش کلینوپتیلولیت (HEU) و موردینیت (MOR) برای تعویض یونی رادیواکتیو، کاربرد های کشاورزی و جاذب استفاده می شوند.فعالیت کاتالیستی زئولیت های طبیعی به دلیل خلوص و سطح تماس کم آن ها محدود می باشد.یکی دیگر از زئولیت های طبیعی اریونیت (ERI) نام دارد که سمیت قابل مقایسه و یا حتی بیشتر از پنبه های نسوز به خصوص در ایجاد بیماری سرطان ریه دارد.

۳- ۲ زئولیت های مصنوعی

زئولیت های مصنوعی در مقایسه با زئولیت طبیعی از خلـوص بـالایی برخـوردار بـوده و دارای دامنـه ی کـاربرد وسیع تری می باشند. محققین پیش از سال ۱۹۵۰ جهت تولید زئولیت ها، در صدد ساخت ژئو کانی های طبیعـی شناخته شده بودند و تصور می کردند که تشکیل زئولیت ها مستلزم درجه حرارتی در حدود ۲۰۰ تا ۴۰۰ درجـه سانتیگراد و ده ها اتمسفر فشار می باشد. ولی در سال ۱۹۵۷ شیمیدانان موفـق شـدند زئولیـت هـا را در دمـای پایین (۱۰۰>) در مقیاس صنعتی تهیه نمایند. از لحاظ مقدارمنبع Si و مقدار نسبت Si/Al زئولیتها به سه دسته:

۱-زئولیـت بـا مقـدار کـم سـیلیکا

۲-زئولیت با مقدار متوسـط سـیلیکا

۳-زئولیت با مقـدار زیـاد سـیلیکا

تقسیم بندی می شوند.

از مهم ترین و پرکاربردترین زئولیت های مصنوعی می توان بـه CHA ،MFI ،MEL ،FER ،MOR ،FAU ،LTA،

DDR و AFI اشاره نمود، که زئولیت MFI بدلیل اهمیت کاربرد صنعتیاش در بخش زیر توضیح داده می شود.

۳-۳ زئولیت ZSM-5(MFI)

یکی از انواع زئولیت ها،ZSM-5 می باشد که به عنوان کاتالیست کاربرد وسیعی در صنعت و رفـع آلاینـده هـای زیست محیطی دارد. طراحی کاتالیست زئولیت نقش معنی داری در توسعه فرایندهای جدید و پیشـرفته تکنولـوژی در آینده خواهد داشت. به دلیل کاربردهای کاتالیتیکی معـروف زئولیـت ZSM-5 ، در تعـداد زیـادی از فراینـدهای شیمیایی و پتروشیمی، این نوع زئولیت ماده ای بسیار مفید و پرکـاربرد در صـنعت مـی باشـد.

زئولیت MFI در سال۱۹۷۰ توسط شرکت تحقیقاتی موبایل کشف شد. استفاده از زئولیت (ZSM-5) MFI و سـیلیکات) در فرایندهای جداسازی گازها و مایعات، فرایندهای غـشایی و کاتالیـستی گـزارش شـده اسـت. این زئولیت با مقدار زیاد سیلیکا در بـیش از ۵۰ فراینـد بـه عنـوان جـزء اصـلی کاتالیـست اسـتفاده می شود. این زئولیت بعد از زئولیتY، پرکاربردترین زئولیـت کاتالیـستی مـی باشـد. غـشاهای ZSM-5) MFI و سیلیکات) در میان غشاها به دلیل پایداری حرارتی، شیمیایی و مکانیکی بالا، ویژگـی آب گریـزی، عمـر دراز مدت، و ظرفیت جذب سطحی بالا بسیار مورد توجه می باشد. مقالات بسیاری برای سنتز آن هـا بـر روی انـواع پایه های متخلخل، و اثر دما و فشار بر روی سنتز آنها ارئه شده است. این زئولیـت از حلقـه هـای ۵ عضوی تشکیل شده و همان گونه که در شکل (۱) نشان داده شده، به یکدیگر متصل می شـوند. ایـن سـاختار کاملا انعطاف پذیر بوده و تقارن دقیق کریستالوگرافی آن به ترکیب، دما، و مولکول های جـذب شـده بـستگی دارد. زئولیت MFI از دو نوع کانال مختلف با روزنه حلقـو ی۱۰ عـضوی تـشکیل شـده اسـت. یـک کانـال مستقیم با دهانه دایره ای با قطر ۰٫۵۴ نان.متر و یک کانال سینوسی بـا دهانـه بیـضوی بـا قطـر ۰۵۱*۰٫۵۵ نانومتر (شکل ۲). در شکل (۳) هندسه تقاطع کانال ها نیز نشان داده شده است. این زئولیت بـا نـسبت متغیـر در MFI افزایش مـی یابـد. Si/Al از ۵ تا بینهایت قابل تهیه می باشد. با افزایش میزان Al ویژگی آب دوستی سیلیکات (فرم سیلیسی خالص) آلی دوست بـوده و دارای پایـداری حرارتـی بـالایی مـیباشـد. زئولیـت MFI ظرفیت بالایی در جذب دی اکسیدکربن در مخلوط های مختلف گازی حتی با وجود بخار آب دارد.





۴- خواص زئولیت

شبکه زئولیت دارای حفرهها و شیارهایی است که مولکولهای آب و کاتیونها در آن جای میگیرند. ابعاد حفرهها ثابت بوده، و برای هرگونه زئولیت، مشخص و ویـژه ی آنگونـه اسـت. ایـن امـر باعـث بـروز خاصـیت انتخابی یعنی گرفتن یک یون یا یک مولکول در حضور یونهـا یـا مولکـول هـای دیگـر مـی شـود. از ایـن ر و زئولیتها به غربالهای مولکولی نیز معروفند. ابعاد این حفرهها بسیار ریز و در محدودهی ۳ تا ۱۰ آنگسـتروم است [۲]. پدیده تبادل یونی یکی از ویژگیهای زئولیتهاست و ایـن کـار بـدون تغییر ساختار زئولیت انجام میگیرد. در پدیده تبادل یونی یک یون با یون دیگر تبادل میشود و یون قبلی به صورت موقت نگهداری شده و سپس در محلـول شـیمیایی دیگـری آزاد مـی گـردد [۴۲]. استفاده از زئولیتها به دلیل کم هزینـه بـودن، در دسـترس بـودن آن هـا در نقـاط مختلـف جهـان، خـواص مکانیکی و حرارتی خوب، ظرفیت جذب بالا به سرعت گسترش پیدا کرده است[۳۴].



۵- غشاهای زئولیتی

غشاهای زئولیتی از دو بخش لایه متراکم و پایه ی متخلخل تشکیل شده است. پایه متخلخل باعث استحکام مکانیکی غشا می گردد. به همین دلیل فیلم زئولیت می تواند نازکتر بوده و مقاومت کمتـری در برابـر انتقـال جرم در فرایندهای غشایی داشته باشد. پایه های متخلخلی که عمدتا به کار می رود، سرامیکی و فلزی هـستند[۲۳]. اولین پتنت برای تهیه غشای زئـولیتی توسـط سوزوکی در سال ۱۹۸۷ گزارش شده است[۲۴]. غشاهای زئولیتی می توانند بر روی پایه های متخلخـل آلومینـا، مواد کربنی، و شیشه های متخلخل سنتز گردند. نوع پایه بر روی فاکتور جداسازی بسیار اثر گذار می باشد. قطر حفره پایه های آلومینا بین γ) ۵nm-آلومینا) و α)۲۰۰nm-آلومینا) می باشد، و قطر حفـره استیل ضدزنگ بین ۰/۴-۰/۵μm می باشد. شکل زیر یـک عکـس SEM (مقطـع عرضـی) از یـک لایـه زئولیت بر روی پایه متخلخل را نشان می دهد. از این نما، فقط کریستالهای زئولیت برروی سطح بالای پایه دیده می شود، اما کریستال های زئولیت نیز در حفرات پایه موجود می باشند. کریستال های بذردار گاهی اوقـات به پایه اولیه اضافه می شوند تا شرایط کریستالیزاسیون و رشد زئولیت را فراهم نماید و کنترل رشـد کریـستال را بهبود بخشد.[۴۷]



۶- سنتز زئولیت

گوناگونی ساختار در زئولیتها بسیار زیاد می باشد. بنابراین، شرایط سنتز بـرای اینکـه چـه سـاختاری حاصـل گردد، بسیار تعیین کننده است. سنتز زئولیت اصولا بر اساس دو روش، کـه در ادامـه توضـیح داده شـده است، انجام می شود.

۶-۱ سنتز فاز مایع (فرایند هیدروترمال)

در اکثر مقالات علمی زئولیت ها با روش سنتز هیدروترمال تهیه می شوند. سنتز هیـدروترمال شـامل دو روش:

۱-سنتز در محل و ۲-روش رشد بذردار می باشد.در روش اول سنتز هیدروترمال کریستالیزاسیون یک لایه زئولیت بر روی پایه متخلخل می باشد. ایـن کریـستالیزاسیون از ژلـی کـه معمـولا شامل ترکیب آب، سیلیکای بی شکل، یک منبع برای اتم های ساختاری چهاروجهی بـه جـز Si، یـک عامـل هدایت ساختاری (SDA) یا قالب آلی و گاهی اوقات یک عامل معـدنی سـاز ماننـد NaOH اسـت، صـورت می پذیرد. این ژل در تماس با پایه در یک اتوکلاو قرار می گیرد. بسته به نوع زئولیت زمان، دما، و ترکیـب ژل کریستالیزاسیون متفاوت است. به عنوان نمونه، میتوان دمای ۱۸۰°C برای MFI و دمـای ۹۰-۱۰۰°C بـرای تولید FAU یا LTA را ذکر نمود. همچنین نقش کـاتیون هـای فلـزی موجـود در سـاختار مهـم مـی باشـد. در کریستالیزاسیون در محل، کریستال های زئولیت بر روی سطح پایه هسته زایی و رشد می کنند. امـا در بعـضی موارد کریستال ها در توده محلول هسته زایی کرده، که مطلوب نمی باشد. این اتفاق بیـشتر در ژل هـای رقیـق رخ می دهد. با پیشرفت تکنیک های سنتز تولیـد زئولیـت هـا بـدون مولکـول قالـب آلـی صـورت مـی پـذیرد. زئولیت های نوع A معمولا با همین روش تولید می شوند. استفاده از کریستال های بذردار بـه کریـستالیزاسیون دو مرحله ای مربوط می شود. این تکنیک برای تهیه زئولیت های جهت دار نیز استفاده می شود. در این روش با هم تراز کردن حفرات در جهت مورد نیاز، شار افزایش می یابد. حفرات معیوب بوجود آمده درون کریستالی یا همان حفرات غیر زئولیتی باعث کاهش کیفیت و انتخاب گری زئولیت می گردد. برای رفع این عیـب تـاکنون تلاش های زیادی صورت گرفته است و همچنان ادامه دارد.[۴۷,۴۳]

۶-۲ انتقال فاز گاز

در روش انتقال فاز گاز یک ماده اولیه ی خشک که شامل SDA (Structure – Directing – Agent) می باشد را بر روی یک سطح پایه توسط بخار اشباع ته نشین می کنند.در این روش ضخامت غشا توسط مقدار ماده ی اولیه به خوبی کنترل می شود اگر چه کریستال های تولید شده به صورت تصادفی گسترش می یابند. پارامتر های متفاوتی از جمله ترکیب محلول اولیه، PH، دما، زمان و برخی فاکتورها مانند شرایط ماندگی و شدت هم زدن و حتی مرتبه ی مخلوط شدن نوع زئولیت را تعیین می کنند.

یرای دانلود متن کامل روی لینک زیر کلیک کنید.

رمز فایل فشرده: www.irchemeng.irحجم فایل: ۱٫۸۲MB


دانلود

منبع:انجمن مهندسی پزشکی