Химические катализаторы могут быть самых разных форм, размеров и форм. Они используются для снижения энергетического порога, необходимого для активации химической реакции, тем самым увеличивая скорость — часто на порядки. По оценкам, 90% промышленно синтезируемых химических веществ в той или иной степени используют катализ.
Поиск наиболее эффективных и специфических катализаторов является важной частью химических процессов, а наличие катализатора, который является одновременно легкодоступным и настраиваемым для различных реакций, является идеальным — именно здесь сияет семейство цеолитных материалов.
Цеолиты представляют собой класс материалов со схожим химическим составом и физико-химическими свойствами. Обычно они представляют собой смесь молекул кремнезема, оксида алюминия и воды со слабо связанными положительными ионами, которые можно легко заменить другими. Эти положительные ионы, а также уникальная микропористая структура цеолитов позволяют им иметь широко применимые каталитические свойства.
Известно более 250 структур цеолитов, 40 из которых встречаются в природе. Каждая уникальная структура получает трехбуквенное обозначение Комиссии по структуре Международной ассоциации цеолитов.
Кристаллы образуют повторяющуюся решетчатую структуру, которую можно идентифицировать и измерить с помощью кристаллографии. Цеолиты имеют большую площадь поверхности из-за своих пор и могут адсорбировать широкий спектр катионов, таких как натрий, кальций, калий или магний. Они также могут адсорбировать катионы водорода, чтобы действовать как твердые кислоты.
Первый цеолит был обнаружен в 18 веке, когда было обнаружено, что минерал стильбит выделяет значительное количество пара при нагревании. Это привело к пониманию того, что вода может адсорбироваться на поверхности материала. Дальнейшие исследования выявили множество минералов в семействе цеолитов с различными структурными конфигурациями и размерами пор.
Цеолиты очень стабильны, нетоксичны, пригодны для повторного использования и могут быть изготовлены из чрезвычайно распространенных природных материалов. Искусственные цеолиты могут быть синтезированы путем нагревания оксида алюминия и кремнезема с гидроксидом натрия с использованием дополнительных химических веществ-шаблонов, используемых для управления структурой кристалла по мере его формирования.
Поры каждого типа цеолита могут привести к разрыву связей в определенных и повторяющихся местах, максимизируя желаемый продукт и сводя к минимуму любые нежелательные производные. Это особенно полезно при переработке пластиковых отходов, где поры цеолита могут отделять молекулярные частицы определенного размера от гораздо более крупного полимера, которые затем можно полностью перепрофилировать в новые полимеры или новые материалы. Аналогичный принцип был успешно использован для преобразования метана, парникового газа, в метанол.
Эти удивительные материалы также обладают способностью вести себя как молекулярные сита, фильтруя молекулярные смеси в соответствии с порами в структуре цеолита. Это исключение размера позволяет фильтровать и адсорбировать различные молекулы в зависимости от того, какая из 250 цеолитных структур используется. Для этого обычно предпочтительны искусственные цеолиты, так как размером и формой кристалла можно управлять, а минерал с меньшей вероятностью будет содержать загрязняющие вещества.
Несмотря на их желаемые свойства, с некоторыми цеолитами трудно работать в промышленных масштабах. Для борьбы с этим были разработаны композитные материалы, чтобы максимизировать преимущества материала с меньшим количеством недостатков. Шведские ученые разработали легкий композит цеолит-пена, который сохраняет достаточную площадь поверхности цеолита, чтобы его можно было использовать для селективной адсорбции диоксида углерода, удаляя его из атмосферы. Каркас пены позволяет большему количеству газа контактировать с катализатором, в отличие от обычных порошков цеолита.
Цеолиты также использовались для очистки воды, поскольку кристаллы могут адсорбировать и обменивать ионы, обычно встречающиеся в жесткой воде, такие как кальций и магний, заменяя их менее вредными альтернативами.
Chemwatch опирается на более чем 30-летний опыт работы в области химии и может похвастаться обширной библиотекой паспортов безопасности и данных о веществах. Для получения дополнительной информации о физико-химических свойствах веществ или о наших услугах, пожалуйста, связаться с Chemwatch команда сегодня или по электронной почте sa***@ch*********.net.
Источники:
