2 – الزيوليت Zeolite واستخداماته his uses & Zeolite
تقديم :
الزيوليت هو نوع من الثروات الفلزية الطبيعية الاقتصادية المفيدة والهامة . وتركيبته الكيميائية سيليكات الألمنيوم المائية Alumino silicate المتبلورة للقلويات والمعادن القلوية الأرضية . شيدت ضمن شبكة ثلاثية الأبعاد ، مكونة من الجذر SiO4 ، الحاوية على أربع جزيئات مائية . ويمكننا تمثيل الصيغة العامة للزيوليت بـ : [ M2nO .Al2O3. X SiO2.Y H2O ] ، حيث M عبارة عن شاردة قلوية أو قلوية ترابية من التكافؤ n، وX رقم يتراوح بين 2 و10، و Y رقم يتراوح بين 2 و7 .
تتكون الشوارد الأساسية : من الصوديوم Na⁺، والبوتاسيوم K⁺، والمغنزيوم Mg⁺⁺، والكالسيوم Ca⁺⁺، والسترانسيوم Sr⁺⁺، والباريوم Ba⁺⁺. وتكون الرابطة التكافئية ضعيفة في البنية البلورية . وهذا ما يفسر خاصية التبادل الشاردي وفقد واسترجاع الماء .
أطلق مصطلح الزيوليت في عام 1756 م من قبل العالم السويدي Axel Fredrik Cronstedt حيث لاحظ عند تسخين صخور الفلز الطبيعي أن الصخور بدأت تتراقص بفعل تبخر الماء . وتنبعث كمية كبيرة من بخار الماء التي كانت مدمصة به , حيث استعمل لفظ يوناني معناه ” الحجارة التي تغلي” “Stone that boils ,” .
يتصف خام الزيوليت بالخصائص التالية :
1. درجة إماهة عالية .
2. كثافة منخفضة وفراغ كبير الحجم عند نزع الماء منه .
3. ثبات البنية البلورية للزيوليت وخاصة عند نزع الماء منه .
4. شكل موحد لحجم القنوات الجزيئية في البلورات التي نزع منها الماء .
5. خصائص فيزيائية متنوعة ، من أهمها الناقلية الحرارية .
6. ادمصاص وامتزاز الغازات والأبخرة .
7. خاصة التبادل الشاردي .
8. الخصائص المحفزة ( الوسيطة ) .
9. وتعتبر التصفية الجزئية خاصة أساسية للزيوليت ، لأنها تدخل في البنية الداخلية لهذا الخام، وتتمكن الجزيئات المنتقاة ، القيام بعملية الادمصاص ، بالاعتماد على حجمها ، وشكلها ، وهذا لا يعنى أن كل من يصفي الجزيئات هو نوع من الزيوليت ، إذ إن هناك العديد من المركبات والفلزات قادرة على التصفية ، كالغضاريات ومسحوق أكسيد الألومينيوم والسيلكا الهلامية ، والتي لا تدخل ضمن مجموعة الزيوليت .
تواجد الزيوليت الطبيعي
تتواجد الزيوليتات في الحالة الطبيعية في الحجارة البازلتية وفي الرواسب ، فقد تكونت عبر العصور الغابرة تحت تأثير المياه المعدنية الساخنة . هناك أكثر من 40 نوع من الزيوليت في الطبيعة قد تم اكتشافه ، أغلبيتها سميت على اسم مكتشفها
بيلغ الإنتاج العالم السنوي للزيوليت الطبيعي بحدود 4 مليون طن ،
أهم منتجي الزيوليت الطبيعي
آ – في العالم :
الولايات المتحدة الأمريكية – كندا – كوبا – جنوب إفريقيا – روسيا – هنغاريا – بلغاريا – إنكلترا – إيطاليا – اليابان – الصين .
2 – أما في الوطن العربي :
يوجد الزيوليت في شمال شرق الأردن .
وفي السعودية يتواجد في السهل الساحلي للبحر الأحمر 100 كم شرق جدة .
ويتواجد في اليمن : في منطقة إب
وفي سورية : في نهاية الفرن العشرين الماضي تم اكتشاف عدة مواقع هامة ، لخام الزيوليت الطبيعي في المنطقة الجنوبية الشرقية من سورية في : ( منطقة جبل السيس ، منطقة أم أذن وتل نجار، رقعة سبع بيار , منطقة المكيحلات ) ، وقدر مجمل الاحتياطي لخام الزيوليت / 562 / مليون طن . كما يتواجد بشكل غير مدروس في منطقة القسطل ( البسيط ) وتل أحمر( السويداء) .
وأغلب الزيوليت السوري هو زيوليت البوتاسيوم ,
وللزيوليت في الطبيعة ثلاثة أشكال
-1 الزيوليت المالىء للشقوق والعروق وفجوات الصخور البركانية .
-2 الزيوليت الحر : المتشكل بدرجات حرارة عالية إما مغماتي ( من أعماق الأرض ) أو استحالي ( تحول تماسي ) , أو المتشكل تحت ظروف قرب سطح الأرض ، أو الناتج عن توضعات المياه الجوفية الخلالية ، أو الناتج عن التجوية ، أو رسوبيات البحيرات الملحية القلوية .
– 3 الزيوليت المتشكل بالحرارة المنخفضة ، وهو نوعان:
أ – زيوليت البيئة البحرية .
ب – زيوليت المتشكل عند فوهات البراكين ( السيس . (
وكل أنواع الزيوليت ذات تعدين سطحي ( منجم مفتوح ) . ويستخلص الزيوليت من طحن ونخل الطف الحامل للزيوليت ثم وضعه بالاستهلاك مباشرة .
والزيوليت خفيف الوزن ، وهو هش، ذو دبغة صفراء أو خضراء فاتحة ً أو ذو مظهر حواري.
ويصنف الزيوليت ضمن سبع مجموعات ، وهي :
Chabazite , Clinoptiliolite , Hedandite , Erionite , Mordenite , Phillipsite , Analcime
الزيوليت الاصطناعي :
نظرا لندرة الزيوليتات الطبيعية النقية لجأ العلماء إلى محاولة صنع زيوليت له نفس خواص الزيوليت الطبيعي… يوجد 150 نوع من الزيوليتات الاصطناعية ، وهي الأكثر استعمالا في الصناعة، منها ما لبس له نظير في الزيوليتات الطبيعية ، وهناك بعض منها بدون بنية هيكلية كاملة.
من المواد الرئيسية التي تدخل في صناعة الزيوليت : السيليكا وأكسيد الألمنيوم .
خصائص الزيوليت :
1 – التبادل الشاردي
التبادل الشاردي هو عملية مهمة ، لأنها تسمح له بإظهار خصائصه ( التحفيز والامتصاص ) ، وهو استبدال الأيونات الموجبة الموجودة داخل الزيوليت بأيونات موجبة أخرى ذات تكافؤ مختلف . عن طريق التبادل مع محلول مائي للملح الذائب . أو عن طريق التبادل مع المركبات الغازية .
2 – مسامية السطح
المسامية الموجودة في البنية التركيبية للزوليت تسمح له بفصل مكونات الخليط علي أساس اختلاف الحجم والشكل للجزيئات ؛ لذا يعتبر الزيوليت كمنخل إذ يقوم بغربلة المواد واختيارها وفصلها عن الجزيئات الأخرى فهو يسمح مثلا بمرور المركبات الخطية ( المستقيمة ) ويمنع المركبات المتفرعة .
استعمالات الزيوليت :
الخصائص المتنوعة للزيوليت جعلته يملك أهمية كبيرة , وقد تم تصنيفه بجدارة صديق البيئة واستعمالاته الكبيرة في مجالات عدة أكدت قيمته في السوق العالمية . ومن بين استعمالاته :
أولا – الزراعة وتربية الحيوانات :
1 – يستعمل الزيوليت لمعالجة التربة ؛ وذلك لقدرته على تحرير البوتاسيوم من مركباته ، وكذلك يساعد على تحرير النتروجين في التربة من المركبات النيتروجينية ويغنيها بالازوت ليستفيد منها النبات ويرجع ذلك لقدرته على التبادل الشاردي .
2 – إضافة إلى هذا خاصية الزيوليت المتمثلة في امتصاص وفقد الماء التي تجعله يمتص الماء الزائد من التربة من ثم وببطء يعمل على تزويد النبات به ؛ و بذلك يمنع تعفن الجذور ويقلل من الجفاف ، كما يساعد النبات على التكيف مع البيئة الجافة أو الرطبة إذ يحافظ على مستوى ثابت للرطوبة.
3 – كما يستعمل الزيوليت مع كمية من السماد الكيميائي وهذا يؤدي إلى الحصول على فائدتين :
الأولى : يؤدي إلى طول فترة فعالية هذه الأسمدة.
الثانية : يبقى السماد مع الزيوليت في الطبقة العليا من التربة فيستفيد منها النبات مباشرة دون ضياع .
كما أن استعمال الزيوليت في البيوت البلاستيكية مع السماد الطبيعي يؤدي إلى نضح المحصول قبل وقته بحوالي أسبوعين وبزيادة الإنتاج.
4 – استصلاح الأراضي المالحة : تخسر الأراضي الزراعة سنوياً مساحات هامة ، بسبب التملح كما في سةرية , خاصة في مناطق وادي الفرات ، والجزيرة ، بسبب وجود الجص والانهدريت , ويمكن أن تساهم خامات الزيوليت في تخفيف ملوحة التربة .
5 – السيطرة على الروائح : يتجلى دور الزيوليت في مثل هذه التطبيقات في حظائر تربية الحيوانات : قطط , كلاب , أغنام , ماعز , بقر , خيول , ويستند إلى الخواص الهامة للتبادل والانتخاب الشاردي ، حيث يسيطر على غازات النشادر وثاني أوكسيد الكربون والرطوبة ،
ثانيا – الصناعة
آ – يدخل الزيوليت في صناعة الأسمنت حيث يساعد على استخدام حرارة أقل أثناء تصنيع الأسمنت ، و بالتالي يقلل من استهلاك الوقود وهذا يقلل من تصاعد غاز ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى .كما يعطي إسمنت خفيف ( منخفض الكثافة ) .
ب – يستخدم كعامل مساعد في عملية تكسير الهيدروكربونات الثقيلة الموجودة في النفط الخام
ج – تنقية الغاز الطبيعي في آبار ومصافي النفط : حيث أن للزيوليت إمكانية نزع وفصل بعض الغازات مثل بخار الماء وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت .
دـ – ومن الصناعات التي يدخل فيها الزيوليت أيضاً :
صناعة المنظفات الكيميائية ( مساحيق الغسيل ومعجون التنظيف ) .
صناعة الزجاج .
صناعة الاطارات المطاطية .
صناعة الاجهزة الالكترونية كماص للرطوبة .
صناعة الخزف والبورسلين .
انتج الكجول الإيثيلي المطلق ( الخالي من الماء ) .
ثالثا – في معالجة تلوث البيئة :
معالجة الفضلات والشوارد الذرية : للزيوليت ميزة هامة هي امتصاص الشوارد الضائعة وغير المسيطر عليها وذلك بتمريرها خلال خزان يحوي الزيوليت خصوصا ً من نوع الشابازيت والكلينو بتيلوليت مثال: استعمل في مفاعل تشير نوبل عندما أصابه خلل كبير حوالي ( 1.5 ) مليون طن من الزيوليت للسيطرة على الشوارد الذرية الضائعة.
رابعا – في تطرية المياه :
يستعمل لتطرية المياه العالية القساوة لتصبح صالحة للشرب أو الصناعة حيث يعمل على استبدال عنصري الكالسيوم والمغنزيوم المسببين للقساوة بعنصر الصوديوم الموجود في صيغته الكيميائية
وتعطي البحرية الامريكية لجنودها عبوات معدنية أو بلاستيكية معبأة بمادة زيوليت الفضة , يستعملها الجندي في الحلات الطارئة لتحويل مياه البحر المالحة إلى مياه صالحة للشرب , كما في المعادلة التمثيلية التالية :
زيوليت الفضة (صلب) + محلول كلور الصوديوم (ماء البحر) =
زيوليت الصوديوم (صلب) + كلور الفضة (راسب صلب) + ماء صالح للشرب خال من الملح