Οι χημικοί καταλύτες μπορούν να υπάρχουν σε όλα τα διαφορετικά σχήματα, μεγέθη και μορφές. Χρησιμοποιούνται για να μειώσουν το ενεργειακό όριο που απαιτείται για την ενεργοποίηση μιας χημικής αντίδρασης, αυξάνοντας έτσι τον ρυθμό —συχνά κατά τάξεις μεγέθους. Υπολογίζεται ότι το 90% των βιομηχανικά συντιθέμενων χημικών ουσιών περιλαμβάνει κάποια χρήση της κατάλυσης.
Η εύρεση των πιο αποτελεσματικών και ειδικών καταλυτών είναι ένα ουσιαστικό μέρος των χημικών διεργασιών και η ύπαρξη ενός καταλύτη που είναι και άμεσα διαθέσιμος και συντονισμένος σε διαφορετικές αντιδράσεις είναι ιδανικό - εδώ λάμπει η οικογένεια υλικών ζεόλιθου.
Οι ζεόλιθοι είναι μια κατηγορία υλικών με παρόμοια χημική σύσταση και φυσικοχημικές ιδιότητες. Είναι συνήθως ένα μείγμα μορίων πυριτίου, αλουμίνας και νερού, με χαλαρά συνδεδεμένα θετικά ιόντα που μπορούν εύκολα να ανταλλάσσονται με άλλα. Αυτά τα θετικά ιόντα, καθώς και η μοναδική μικροπορώδης δομή των ζεόλιθων, τους επιτρέπουν να έχουν ευρέως εφαρμόσιμες καταλυτικές ικανότητες.
Υπάρχουν πάνω από 250 γνωστές δομές ζεόλιθου, 40 από τις οποίες απαντώνται στη φύση. Κάθε μοναδική δομή λαμβάνει μια ονομασία 3 γραμμάτων από την Επιτροπή Δομής της Διεθνούς Ένωσης Ζεόλιθων.
Οι κρύσταλλοι σχηματίζουν μια επαναλαμβανόμενη δομή πλέγματος, η οποία μπορεί να αναγνωριστεί και να μετρηθεί μέσω κρυσταλλογραφίας. Οι ζεόλιθοι διαθέτουν εκτεταμένη επιφάνεια λόγω των πόρων τους και μπορούν να προσροφήσουν μια μεγάλη ποικιλία κατιόντων όπως νάτριο, ασβέστιο, κάλιο ή μαγνήσιο. Μπορούν επίσης να προσροφήσουν κατιόντα υδρογόνου για να λειτουργήσουν ως στερεά οξέα.
Ο πρώτος ζεόλιθος ανακαλύφθηκε τον 18ο αιώνα, όταν διαπιστώθηκε ότι το ορυκτό στιλβίτη απέδιδε σημαντικές ποσότητες ατμού όταν θερμανόταν. Αυτό οδήγησε στην κατανόηση ότι το νερό μπορούσε να προσροφηθεί στην επιφάνεια του υλικού. Περαιτέρω μελέτη έχει εντοπίσει πολλά ορυκτά μέσα στην οικογένεια των ζεόλιθων, με πολλές διαφορετικές δομικές διαμορφώσεις και μεγέθη πόρων.
Οι ζεόλιθοι είναι ιδιαίτερα σταθεροί, μη τοξικοί, επαναχρησιμοποιήσιμοι και μπορούν να κατασκευαστούν από εξαιρετικά άφθονα φυσικά υλικά. Οι τεχνητοί ζεόλιθοι μπορούν να συντεθούν από τη θέρμανση αλουμίνας και πυριτίου με υδροξείδιο του νατρίου, με πρόσθετα χημικά πρότυπα που χρησιμοποιούνται για την καθοδήγηση της δομής του κρυστάλλου καθώς σχηματίζεται.
Οι πόροι κάθε διαφορετικού τύπου ζεόλιθου μπορούν να προκαλέσουν το σπάσιμο των δεσμών σε συγκεκριμένες και επαναλαμβανόμενες θέσεις, μεγιστοποιώντας το επιθυμητό προϊόν και ελαχιστοποιώντας τυχόν ανεπιθύμητα παράγωγα. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο στην ανακύκλωση πλαστικών απορριμμάτων, όπου οι πόροι του ζεόλιθου μπορούν να αποκόψουν μοριακά κομμάτια ειδικού μεγέθους από το πολύ μεγαλύτερο πολυμερές, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί σε νέα πολυμερή ή νέα υλικά εξ ολοκλήρου. Μια παρόμοια αρχή ήταν επιτυχής στη μετατροπή του μεθανίου, ενός αερίου θερμοκηπίου, σε μεθανόλη.
Αυτά τα συναρπαστικά υλικά έχουν επίσης την ικανότητα να συμπεριφέρονται ως μοριακά κόσκινα, φιλτράροντας μοριακά μείγματα σύμφωνα με τους πόρους μέσα στη δομή του ζεόλιθου. Αυτή η εξαίρεση μεγέθους επιτρέπει το φιλτράρισμα και την προσρόφηση διαφορετικών μορίων ανάλογα με το ποια από τις 250 δομές ζεόλιθου χρησιμοποιείται. Οι τεχνητοί ζεόλιθοι προτιμώνται συνήθως για αυτό, καθώς το μέγεθος και το σχήμα του κρυστάλλου μπορούν να τροποποιηθούν και το ορυκτό είναι λιγότερο πιθανό να περιέχει ρύπους.
Παρά τις επιθυμητές ιδιότητές τους, ορισμένοι ζεόλιθοι μπορεί να είναι δύσκολο να εργαστούν σε βιομηχανική κλίμακα. Για να καταπολεμηθεί αυτό, έχουν επινοηθεί σύνθετα υλικά για να μεγιστοποιήσουν τα οφέλη του υλικού με λιγότερα μειονεκτήματα. Σουηδοί επιστήμονες ανέπτυξαν ένα ελαφρύ σύνθετο ζεόλιθο-αφρό, το οποίο διατηρεί αρκετή επιφάνεια ζεόλιθου ώστε να είναι χρήσιμο στην επιλεκτική προσρόφηση διοξειδίου του άνθρακα, αφαιρώντας το από την ατμόσφαιρα. Το πλαίσιο αφρού επιτρέπει σε περισσότερο αέριο να έρχεται σε επαφή με τον καταλύτη, σε αντίθεση με τις συμβατικές σκόνες ζεόλιθου.
Οι ζεόλιθοι έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για να βοηθήσουν τις προσπάθειες καθαρισμού του νερού, καθώς ο κρύσταλλος μπορεί να προσροφήσει και να ανταλλάξει ιόντα που βρίσκονται συνήθως στο σκληρό νερό, όπως το ασβέστιο και το μαγνήσιο, αντικαθιστώντας τα με λιγότερο επιβλαβείς εναλλακτικές λύσεις.
Chemwatch υποστηρίζεται από πάνω από 30 χρόνια χημικής τεχνογνωσίας, με εκτενή βιβλιοθήκη δεδομένων SDS και ουσιών. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των ουσιών ή για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τις υπηρεσίες μας, παρακαλούμε επικοινωνήστε με το Chemwatch σήμερα ή email sales @chemwatch. Καθαρά.
Πηγές:
