КОМПЛЕКСНЫЙ ОБЗОР ХАРАКТЕРИСТИК И ПРИМЕНЕНИЯ ЦЕОЛИТА

АННОТАЦИЯ

В этой статье представлен всесторонний обзор характеристик и областей применения цеолитов. Цеолиты – это кристаллические алюмосиликаты, известные своими уникальными структурными, термическими и химическими свойствами, которые делают их пригодными для широкого спектра промышленных применений. Их высокая площадь поверхности, ионообменная способность и термическая стабильность способствуют их эффективности в катализе, адсорбции, разделении газов и защите окружающей среды. Целью этого обзора является обобщение основных характеристик цеолитов и исследование их различных областей применения в различных отраслях промышленности, включая нефтехимическую, экологическую и сельскохозяйственную.

ABSTRACT

This paper provides a comprehensive review of the characteristics and applications of zeolites. Zeolites are crystalline aluminosilicates known for their unique structural, thermal, and chemical properties, which make them suitable for a wide range of industrial applications. Their high surface area, ion-exchange capacity, and thermal stability contribute to their efficiency in catalysis, adsorption, gas separation, and environmental protection. This review aims to summarize the fundamental characteristics of zeolites and explore their various applications in different industries, including petrochemical, environmental, and agricultural sectors.

Ключевые слова: цеолиты, кристаллические алюмосиликаты, адсорбция, катализ, ионный обмен, защита окружающей среды.

Keywords: zeolites, crystalline aluminosilicates, adsorption, catalysis, ion-exchange, environmental protection.

Введение. Цеолиты – это встречающиеся в природе и синтетически полученные кристаллические алюмосиликаты, характеризующиеся пористой структурой, большой площадью поверхности и замечательными ионообменными возможностями. Эти материалы привлекли значительное внимание в различных областях благодаря своим исключительным свойствам адсорбции, катализа и молекулярного сита. На протяжении многих лет цеолиты широко изучались на предмет их потенциала в улучшении промышленных процессов, восстановлении окружающей среды и производительности сельского хозяйства. В этой статье представлен всесторонний обзор характеристик цеолитов и их разнообразных применений в различных секторах. Кроме того, были рассмотрены механизм адсорбции H₂S_, относительная кристалличность, содержание Na⁺, удельная площадь поверхности и улучшение емкости серы при снижении соотношения Si/Al. Сорбенты на основе цеолитов показали следующую последовательность емкости адсорбции серы: ZA–1 > ZA–2 > ZA–3, причем ZA-1 показал самую высокую емкость серы при 1,67 гS /100 г сорбента [3].

Рисунок 1. Механизм адсорбции и окисления H₂S с использованием цеолита FAU

Предлагается комплексный обзор для описания стратегий термической или с помощью растворителя (химической) регенерации углеродистых материалов, полученных из различных биоресурсов (например, активированного угля, биоугля и гидроугля), а также других распространенных или новых адсорбентов (например, природных/синтетических цеолитов и металлоорганических структур). Для удаления токсичных ионов металлов использовался новый экологически чистый цеолит Lined Type-A (LTA). Цеолиты из летучей золы были впервые использованы для улавливания БТК в газовом потоке. Цеолит Na-X показал наилучшие сорбционные характеристики [2].

Рисунок 2. Иерархия в архитектуре пор цеолита существенно влияет на адсорбцию тяжелых металлов никелем

Цеолиты широко используются для удаления тяжелых металлов благодаря их высокой катионообменной емкости и поверхностной сорбционной способности [2; 5]. Иерархия в цеолите проявилась в том, что архитектура пор сильно повлияла на адсорбцию тяжелых металлов никелем. Кроме того, эффективность и селективность адсорбции Sr были улучшены путем иммобилизации цеолита в альгинатной пене из-за увеличения мест связывания Sr (цеолит). В частности, селективность Sr по отношению к Na была значительно улучшена [4].

Рисунок 3. Коэффициент набухания цеолит-альгинатной пены и альгинатных гранул в деионизированной воде и морской воде (a), Изображение 10% цеолит-альгинатной пены (b) и альгинатных гранул (c) в сухом, набухшем в воде и морской воде состоянии

Цеолиты были исследованы в качестве сорбентов тяжелых металлов из воды. Поскольку оксид графена уже был представлен как перспективный сорбент радионуклидов, были разработаны композитные материалы, содержащие как синтетический цеолит (типа A, P или Y), так и оксид графена, чтобы быть многофункциональными сорбентами, способность функционализированных серебром цеолитов (цеолиты Ag ^f ) к адсорбции до сих пор не была широко изучена [6].

Рисунок 4. Синтетический цеолит (тип A, P или Y), модифицированный оксидом графена и вспученным графитом. Сорбционные анализы радионуклидов Cs ⁺ и Sr ²⁺ или тяжелых металлов Pb ²⁺ и Cd ²⁺

Характеристики цеолитов

Цеолиты демонстрируют несколько важных характеристик, которые способствуют их широкому использованию в промышленных и экологических приложениях. Некоторые из ключевых особенностей включают в себя такие аспекты, как:

• пористая структура: цеолиты обладают уникальным трехмерным каркасом из тетраэдров кремния и оксида алюминия, создающим каналы и полости молекулярных размеров;
• ионообменная способность: благодаря наличию катионов, таких как натрий, калий, кальций и магний, цеолиты демонстрируют высокие ионообменные способности, что делает их полезными для очистки воды и катализа;
• термическая и химическая стабильность: цеолиты проявляют высокую устойчивость к термической деградации и химическим реакциям, что делает их пригодными для высокотемпературных промышленных процессов;
• селективность и молекулярное сито: их четко определенная структура пор позволяет селективно адсорбировать и разделять молекулы на основе размера и полярности.

Применение цеолитов в катализе

Цеолиты широко используются в качестве катализаторов в нефтехимической промышленности для таких процессов, как каталитический крекинг, гидрокрекинг и изомеризация. Важно также отметить следующие области практического применения цеолитов:

• адсорбция и разделение газов: высокая площадь поверхности и пористость делают цеолиты эффективными адсорбентами для разделения, очистки и осушки газов;
• очистка воды: цеолиты используются для удаления тяжелых металлов и ионов аммония из сточных вод, способствуя усилиям по защите окружающей среды;
• сельское хозяйство: в сельском хозяйстве цеолиты используются для улучшения качества почвы, улучшения удержания питательных веществ и обеспечения медленно высвобождающихся удобрений;
• медицинское применение: цеолиты продемонстрировали потенциал в системах доставки лекарств и заживления ран благодаря своей биосовместимости и адсорбционным свойствам.

Заключение. Цеолиты, с их уникальными структурными, термическими и химическими свойствами, оказались универсальными материалами для применения в различных отраслях промышленности. Их полезность в катализе, адсорбции, очистке воды, сельском хозяйстве и медицине подчеркивает их важность в продвижении промышленных процессов и содействии экологической устойчивости. Будущие исследования новых методов синтеза и методов модификации имеют большое значение для расширения спектра применений и повышения эффективности технологий на основе цеолитов.

Список литературы:

1. Dutta T., Kim T., Vellingiri K., Tsang D.C., Shon J.R., Kim K.H., Kumar S. Переработка и регенерация углеродистых и пористых материалов посредством термической или растворяющей обработки // Химическая промышленность Инженерное дело. – 2019. – № 364. – С. 514–529.
2. Elwakeel K.Z., El-Bindary A.A., Kouta E.Y., Guibal E. Функционализация композита полиакрилонитрила /Na-Y-цеолита с амидоксимными группами для сорбции ионов металлов Cu (II), Cd (II) и Pb (II) // Химическая промышленность. Инженерное дело. – 2018. – № 332. – С. 727–736.
3. Guo Y., Li Y., Jiang H., Liao J., Chang L. Эффективность и механизм десульфурации H2S из доменного газа с помощью цеолитового сорбента FAU // Химические инженерные науки. – 2024. – № 291. – С. 119926.
4. Hong H.J., Kim B.G., Ryu J., Park I.S., Chung K.S., Lee S.M., Lee J.B., Jeong H.S., Kim H., Ryu T. Приготовление высокостабильного цеолит-альгинатного пенопластового композита для удаления стронция (90Sr) из морской воды и оценка эффективности адсорбции Sr. // Журнал из относящийся к окружающей среде менеджмент. – 2018. –  № 205. – С.192–200.
5. Hong M., Yu L., Wang Y., Zhang J., Chen Z., Dong L., Zan Q., Li R. Адсорбция тяжелых металлов цеолитами: роль иерархической архитектуры пор // Химическая промышленность. Инженерное дело. – 2019. – № 359.  – С.363–372.
6. Smržová D., Szatmáry L., Ecorchard P., Machálková A., Maříková M., Salačová, P., Straka M. Композиты на основе углерода и цеолита для сорбции радионуклидов и тяжелых металлов // Гелион. – 2022.  – № 8 (12).