ЦЕОЛІТИ ПРИРОДНІ

ЦЕОЛІТИ ПРИРОДНІ (грец. zéō — киплю та lithos — камінь; при сильному та швидкому нагріванні спучуються з утворенням пухирчастого скла) — група близьких за складом мінералів вулканічно-осадового походження, каркасні алюмосилікати лужних та лужноземельних металів. Широко розповсюджені по всіх країнах світу, головним чином у низькотемпературних гідротермальних жилах та тріщинах ефузивних порід. Перші дослідження Ц.п. почалися понад 250 років тому, після відкриття в 1765 р. стильбіту — першого представника класу цеолітових мінералів. На сьогодні науці відомо понад чотири десятки мінералів групи Ц.п. За відмінністю складу класів активних центрів обміну виділяють алюмосилікатний, цирконосилікатний, уранофосфатний та окисний типи, а згідно з класифікацією, яка заснована на різниці в складі поліаніонних каркасів, − алюмосилікатні, берилосилікатні, алюмофосфатносилікатні, титаносилікатні, цирконосилікатні типи мінералів. Питання нормування Ц.п. ускладнює їх здатністю до іонного обміну. Тому віднесення ізоструктурних мінералів до різних типів є досить умовним і потребує деталізації структурової будови, іонообмінних та сорбційних властивостей, термічної та хімічної стійкості складу. Для алюмосилікатних цеолітів важливою характеристикою є відносний вміст Si та Al у каркасах. За відношенням Si/Al можна відмітити три групи: висококремнієві — фер’єрит, кліноптилоліт, морденіт, гейландит; проміжні — філіпсит, офретит, фожазит, шабазит; високоалюмінієві — толесоніт, натроліт, скалезит, лизоліт, гонардит. Зі зростанням частки алюмінію в цеолітному каркасі збільшується об’ємна ємність. Тому в практичному відношенні найбільше зацікавлення викликають висококремнієві та проміжні цеоліти. Сорбційні властивості Ц.п. визначаються ефективним діаметром вхідних вікон, за розміром яких визначають три класи: широкопористі — фожазит, офретит; середньопористі — шабазит, еріоніт, кліноптилоліт, морденіт; вузькопористі — анальцит, філіпсит, помонтит, натроліт, тонсоміт, стильбіт.

Алюмосилікатні цеоліти розділяють на основні групи: морденіту (морденіт, лактальбіт), гейландиту (стильбіт, клиноптилоліт, гейландит); філіпситу (філіпсит, ломонтит, гаріотом); шабазиту (шабазит, еріоніт); натроліту (натроліт, скалецит, томеаліт); анальциту (анальцит, вейкарит); фожазиту (фожазит). Ц.п. утворює, як правило, білі, іноді безбарвні та прозорі, рідше — червонуваті, коричневаті та зеленкуваті кристали будь-яких кристалографічних сингоній. Твердість — 5–5,5 (за мінералогічною шкалою); густина — 1,9–2,8 г/см3; межа міцності при стисканні — 8–15 МПа; питома теплоємність — 0,83–1 кДж/(кг·К), теплопровідність — 0,14 Вт/(м·ч·К). Ц.п. не розчинні у воді, кислотах, лугах та органічних розчинниках. Термостійкі в межах температур до 500 °С (найбільшу термостійкість виявляє клиноптилоліт). Ц.п. є молекулярними ситами, тобто мікропористими, з розміром чарунок 2,6–8 Å (рисунок).

Ceoliti_prerodni.ai

Рисунок. Проекція фрагмента пористої кристалічної структури цеоліту фожазиту

Пориста структура Ц.п. містить активні обмінні катіони і зумовлює унікальні адсорбційні, катіонообмінні та каталітичні властивості цих мінералів. Різниця в ефективному діаметрі вхідних вікон має важливе практичне значення для адсорбції газів, рідин та молекулярно-ситового розподілу сумішей. Кількість молекул цеолітної води, а також види та кількість інших молекул, які можуть бути адсорбовані, визначаються об’ємом вільного внутрішньокристалічного простору. За цією ознакою Ц.п. поділяють на: пухкі — полінгіт, фожазит, фабазит, гліменіт; середні — гейландит, клиноптилоліт, еріоніт, ломотит; щільні — анальцит, натроліт. Така класифікація допомагає оцінити можливості використовувати Ц.п. як іоніти та адсорбенти. Проте молекулярно-ситові властивості не визначаються лише особливостями геометрії їх каркасів, а значною мірою залежать від хімічного складу кристалів. Від хімічного складу цеоліту залежать також термічна стабільність решітки, хімічна стійкість до кислих середовищ, адсорбційна здатність та ін.

Ц.п. нагадують алюмосилікатні каркасні структури, склад яких може бути виражений загальною формулою:

Mx/n[(Al2O3)x(SiO2)y]∙WH2O,

де M — n-валентний катіон металу, здатного до іонного обміну; W — кількість молекул води; x/n — від 1 до 5.

Фізичні характеристики: питома вага ρs=2,38 кг/дм3; об’ємна вага в щільному стані ρmax=1,41 кг/дм3; об’ємна вага в рухомому стані ρmіn=1,17 кг/дм3; питома поверхня S=229,1 м2/г; сумарна ємність поглинання катіонів Есум=40мг-екв/100г; ємність поглинання катіонів тільки зовнішньою поверхнею цеоліту Епов=2,44 мг-екв/100г. Хімічний склад Ц.п., на відміну від синтетичних, вважається стабільним. Наявність шкідливих елементів не перевищує: плюмбуму — 0,003%; цинку — 0,04%; купруму — 0,0015%; арсену — 0,0001%.

Використовують Ц.п. у нар. медицині, фармації, хімічній промисловості, сільському господарстві та багатьох інших галузях нар. господарства; з метою виробництва каталізаторів хімічних реакцій, створення полімерних композицій в радіокераміці; як поглиначі окису азоту, сірки з газових викидів, радіоактивних елементів та амоніаку із стічних вод; у будівництві «саркофагів» схоронення РР, що утворюються при переробці ядерного палива; для консервування бурових газових та нафтових свердловин; у виробництві цементу; для декоративного оздоблення приміщень; як добавка до кормів у тваринництві. Широта використання Ц.п. в Україні пов’язана з їх унікальними властивостями, наявністю в Україні багатих родовищ із порівняно низькою вартістю видобування.

Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. — М., 1976; Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. — М., 1976; Химическая энциклопедия: В 5 т. / Редкол.: Н.С. Зефиров (гл. ред.) и др. — М., 1998. — Т. 5.