Tổng quan Zeolite: Công thức, tính chất và ứng dụng

Chu Văn An

Zeolite là gì? Công thức cấu tạo và tính chất là gì? Nó có tác dụng gì trong ngành nuôi trồng thủy sản? Zeolite tồn tại trong tự nhiên ở trạng thái nào? Những câu hỏi trên sẽ được LabvietCHEM bật mí dưới đây trong bài viết sau.

1. Bột Zeolite là gì? Zeolite là gì?

Zeolit ​​là khoáng vật nhôm silicat, ở dạng kết tinh, ngậm nước, có công thức hóa học: Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].mH2O.

Trong đó:

– M là kim loại hóa trị hai (n) thường là kim loại kiềm và kiềm thổ (Na, K, Ca, Mg,…)

– y/x: Tỷ lệ nguyên tử Si/Al, hệ số này cũng thay đổi tùy theo từng loại zeolit.

– m là số lượng phân tử nước kết tinh.

Hiện nay, các hạt Zeolit ​​có kích thước từ 1.000 đến 5.000 nm. Tuy nhiên, dự kiến ​​trong tương lai kích thước này sẽ giảm xuống dưới 100 nm để tạo ra vật liệu zeolite nano, nhằm cải thiện ứng dụng của chúng.

Hình 1: Bột Zeolit

2. Nguồn gốc tên gọi Zeolit

Năm 1756, nhà khoáng vật học người Thụy Điển Axel Fredrik Cronstedt đã đặt tên là zeolite khi ông quan sát thấy sự nóng lên nhanh chóng của stilbite. Quá trình này tạo ra một lượng lớn nước, trước đó được vật liệu này hấp thụ. Đó là lý do tại sao ông đặt tên cho nhóm vật liệu này là zeolite, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là đun sôi và λίθος (lithos) có nghĩa là “đá”.

3. Cấu trúc Zeolit

Zeolite bao gồm một kết nối mạng ba chiều của tứ diện SiO4 và AlO4 trong không gian ba chiều, tạo thành các khối đa diện. Đặc biệt, một số nguyên tố Al sẽ thay thế nguyên tố Si để tạo thành khối tứ diện AlO4.

Trong tinh thể zeolite, các tứ diện này được kết nối với nhau thông qua các nguyên tử oxy. Bên trong tinh thể có các khoang nhỏ được nối với nhau bằng các rãnh có kích thước ổn định. Nhờ cấu trúc xốp và các rãnh, zeolite có khả năng hấp phụ các phân tử nhỏ hơn kích thước lỗ chân lông và đẩy lùi các phân tử lớn hơn.

Hình 2: Cấu trúc Zeolit

Do thay thế một số nguyên tử silicon bằng nhôm trong mạng tinh thể SiO4 nên zeolit ​​mang điện tích âm. Để duy trì trạng thái điện tích trung tính, zeolite cần các ion dương để bù cho điện tích âm còn lại. Trong tự nhiên hoặc trong quá trình tổng hợp, các cation này thường là kim loại kiềm (Na+, K+…) hoặc kiềm thổ (Mg2+, Ca2+…), tồn tại bên ngoài mạng tinh thể zeolit ​​và dễ dàng tham gia vào quá trình trao đổi ion với các cation khác.

Nhờ đặc tính này, zeolite có thể biến tính và mang lại nhiều ứng dụng mới trong quá trình hấp phụ và xúc tác.

4. Phân loại Zeolit

Zeolite có thể được phân loại theo các tiêu chí sau:

– Nguồn gốc: Zeolite tự nhiên và tổng hợp.

– Hướng không gian của các kênh hình thành cấu trúc mao dẫn: Zeolit ​​có hệ thống mao quản 1 chiều, 2 chiều hoặc 3 chiều.

– Đường kính mao quản: Các mao mạch Zeolit ​​có kích thước nhỏ (đường kính 3-4A), trung bình (4,5-6A) và rộng (7->15A).

– Tỷ lệ Si/Al: Zeolit ​​có hàm lượng Si thấp (Si/Al=1-1,5: A, X), hàm lượng trung bình (Si/Al=2-5: zeolite Y, chabazite…) và hàm lượng Si cao (ZSM-5).

5. Quá trình hình thành Zeolit

5.1. Zeolit ​​tự nhiên

Zeolite tự nhiên được tạo thành từ sự kết hợp của đá và tro núi lửa, kèm theo sự có mặt của kim loại kiềm trong nước ngầm.

Hình 3: Zeolit ​​được hình thành trong tự nhiên

5.2. Zeolit ​​tổng hợp

Zeolite nhân tạo có thể được tổng hợp từ hai phương pháp sau:

– Sử dụng nguyên liệu trực tiếp từ thiên nhiên, aluminosilicat biến tính như kaolin, bentonite, khoáng phi kim loại.

– Được điều chế trực tiếp từ silicat và aluminat.

6. Ứng dụng của Zeolite trong đời sống

6.1. Ngành nuôi trồng thủy sản

Hóa chất này được sử dụng rộng rãi trong ngành nuôi tôm, cá do có khả năng hấp thụ kim loại và amoniac, cũng như loại bỏ các chất độc thường gặp trong ao nuôi và cung cấp oxy. Từ đó đảm bảo môi trường tốt cho tôm, cá phát triển khỏe mạnh.

6.2. Nông nghiệp

Nhờ đặc tính hấp phụ nên zeolit ​​được nghiên cứu để tạo ra phân bón. Zeolite giải phóng từ từ các chất dinh dưỡng trong phân bón vào đất, giúp tiết kiệm sử dụng phân bón, tăng độ phì và duy trì độ ẩm cũng như điều hòa độ pH của đất một cách hiệu quả.

Hình 4: Zeolit ​​dùng trong phân bón

6.3. Ứng dụng trong chăn nuôi

Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu và triển khai thực nghiệm sử dụng zeolit ​​làm chất phụ gia trong thức ăn cho lợn, gà. Khi trộn vào thức ăn, zeolite có tác dụng hấp phụ các độc tố trong cơ thể vật nuôi, giúp tăng cường khả năng miễn dịch, kích thích tiêu hóa và thúc đẩy tăng trưởng. Một lợi ích đáng chú ý là zeolite không gây hại cho con người hoặc vật nuôi.

6.4. Công nghiệp hóa chất

Trong công nghiệp hóa chất, zeolit ​​có vai trò quan trọng:

– Trong công nghiệp lọc dầu, zeolite chiếm khoảng 95% tổng lượng chất xúc tác được sử dụng để tăng cả chất lượng và số lượng sản phẩm dầu mỏ.

– Ngoài ra còn tham gia xúc tác nhiều quá trình phản ứng hóa học quan trọng như: Cracking, Oligomer hóa, Alkyl hóa, Hydro hóa hydrocarbon, Đồng phân hóa…

6.5. Các ứng dụng khác

– Xử lý nước: Giúp loại bỏ các ion kim loại nặng, amoni và nhiều hợp chất hữu cơ có trong nước thải, nước sinh hoạt.

– Dùng làm nguyên liệu sản xuất hóa chất dược phẩm, thuốc bảo vệ thực vật.

– Là nguyên liệu sản xuất cồn tuyệt đối nhờ đặc tính tách nước chọn lọc.

Chúng tôi hy vọng những kiến ​​thức chúng tôi chia sẻ ở trên sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về tính chất cũng như ứng dụng của Zeolite.