スウェーデンの鉱物学者、アクセル・フレドリック・クロンシュテットは、1756 年に「ゼオライト」という用語を作り出しました。スティルバイトであることが判明した物質を急速に加熱すると、大量の蒸気が発生しました。これは、以前に材料に吸収された水分によるものでした。彼はそのような出来事を目の当たりにして、ゼオライトという用語を作りました。これは、ギリシア語の「沸騰する」を意味する (zé) と「石」を意味する (lthos) に由来します。
シリコーン化合物
地球の地殻で最も豊富な化合物は、シリカとケイ酸塩です (約 95% )。シリカとしても知られる二酸化ケイ素 (SiO2) は、さまざまな結晶形態で存在します。石英、クリストバライト、およびトリジマイトは、適切な温度に加熱すると相互変換可能なシリカの結晶形態です。二酸化ケイ素は、4 つの酸素原子に四面体結合している共有結合化合物です。
SiO2 は、酸素原子とシリコン原子が交互に 8 員環を形成する塊状の構造をしています。 Si-O 結合は結合エンタルピーが高いため、多くの酸、ハロゲン、およびアルカリに対して反応しませんが、HF および NaOH には溶解します。
乾燥剤であるシリカゲルは、クロマトグラフィー材料と触媒のサポートにも役立ちます。
シリコーン
これは、繰り返し単位を持つ有機ケイ素ポリマーのファミリーを指します。シリコーンは、出発物質としてアルキルまたはアリール置換シリコーンから作られます。ご存知のように、シリコーンは、自然界で水をはじく非極性のアルキル基に囲まれています。熱安定性が高く、耐酸化性と耐薬品性があります。電気絶縁体として、また手術において、この化合物には幅広い用途があります。
ケイ酸塩
ゼオライトなどのケイ酸塩にはさまざまな形があります。ケイ酸塩は、1 つのシリコン原子に 4 つの酸素原子が結合した SiO44- 構造を持っています。ケイ酸塩単位が結合すると、環、鎖、および立体構造を形成します。ガラスとセメントは、2 つの重要な人造ケイ酸塩です。
ゼオライト
二酸化ケイ素の三次元構造において、一部のケイ素原子がアルミニウム原子に置き換わると、アルミノケイ酸塩が形成されます。石油化学産業では、ゼオライトは主に触媒として使用されます。 ZSM-5と呼ばれるゼオライトを使用すると、アルコールを直接ガソリンに変換できます。これらのゼオライトは、硬水を軟化するためにも使用できます。
ゼオライトの種類
ゼオライトにはさまざまな形とサイズがあります。ゼオライトは、工業的に合成または製造することも、自然に形成することもできます。現在、50 種類のゼオライトが利用可能です。
ゼオライトは、次のようなさまざまな形で見られます。
<オール>ゼオライトの特性
- さまざまな環境条件下で、ゼオライトは非常に安定した固体です。ゼオライトの融点は 1000 ℃ と非常に高く、水やその他の無機溶媒には溶けません。
- ゼオライトは、開いたケージのような骨格構造で知られており、水、カリウム、カルシウム イオンの捕捉に役立ちます。
- 天然ゼオライトはさまざまな形状とサイズで発見され、細孔サイズは均一ではありませんが、合成ゼオライトは精密に作られ、細孔サイズが均一です。
- アルミナが豊富なゼオライトは水のような極性分子に引き付けられますが、シリカが豊富なゼオライトは非極性分子に引き付けられます。
出現と生産
前述のように、ゼオライトは、アルカリ性の地下水が火山岩や火山灰層と反応する地域で自然に発生します。レポートによると、約 245 のユニークなゼオライト フレームワークが発見されており、約 40 の天然ゼオライト フレームワークが知られています。国際ゼオライト協会構造委員会は、発見された新しいゼオライト構造を注意深く調べます。材料は、識別された後、3 文字の指定が割り当てられます。
一方、工業的に重要なゼオライトは合成的に製造されています。アルミナとシリカの水溶液を水酸化ナトリウムで加熱することは、使用される最も一般的な手順の 1 つです。試薬のアルミン酸ナトリウムとケイ酸ナトリウムも互換性があります。第 4 級アンモニウム カチオンの追加など、カチオンの変更も別のバリエーションです。これまでに 200 を超える合成ゼオライトが作成されました。これは、シリカ-アルミナ ゲル、アルカリ、および有機テンプレートを含むゆっくりとした結晶化プロセスによって達成されました。
一方、合成ゼオライトには、天然ゼオライトに勝る利点はほとんどありません。合成ゼオライトは、相が純粋で均一な状態で製造されます。さらに、工業的に製造されたユニークなゼオライト構造が可能です。例えば、ゼオライトA。さらに、シリカとアルミナは地球上で最も豊富な鉱物成分であるため、ゼオライトは無期限に製造および配布できます。
ゼオライトの応用
以下は、ゼオライトの最も一般的な用途の一部です。
イオン交換
ゼオライトのケージのような構造は、イオン交換に最適です。例えば、硬水は、ナトリウム含有ゼオライトのカラムを通してろ過されます。カルシウムイオンとマグネシウムイオンはゼオライトに捕捉され、ナトリウムイオンは放出され、水が軟化してナトリウムが濃縮されます。現在、水からマグネシウムとカルシウムを除去するためにゼオライトが洗剤に使用されており、水を柔らかくし、洗剤の効果を高めています.
触媒として
クラッキング、異性化、および炭化水素合成はすべて、ゼオライトが触媒として使用される反応です。ゼオライトは、その多孔質構造により非常に効果的な触媒です。さらに、特定のゼオライトの細孔は固定された形状とサイズであるため、ゼオライトは特定の分子に対して選択的であるため、形状選択触媒と呼ばれることがあります。
吸着剤
ゼオライトは、吸着能力が高いため、幅広い物質の吸着に使用されます。精製、乾燥、分離の分野で、幅広い用途があります。
有害物質の排除
放射性粒子は、ゼオライトを使用して核廃棄物から効果的に除去できます。重毒性金属で汚染された水や土壌の洗浄にも使用できます。
商業用および住宅用
- 凍結吸着真空ポンプは、モレキュラーシーブとしてゼオライトを頻繁に使用します。
- 合成ゼオライトは、ウォーム ミックス アスファルト コンクリートの製造工程で添加剤として使用されます。
宝石
希少なゼオライト鉱物の 1 つであるトムソナイトは、宝石として珍重されています。
生物学的
- 医療用酸素は、一般にゼオライトベースの酸素濃縮システムを使用して生成されます。
- 農業では、クリノプチロライト (天然のゼオライト) が土壌処理剤として使用されます。
太陽エネルギーの貯蔵と応用
太陽熱収集器から取り込まれた太陽熱を熱化学的に貯蔵することは、ゼオライトで行われています。吸着冷却にも使用できます。ゼオライトの構造安定性を維持しながら高い吸着熱と水和および脱水能力が、このような用途で広く使用されています。天然ゼオライトは、脱水状態から水和状態への移行中に固有の発熱反応と組み合わされる吸湿特性により、太陽エネルギーと廃熱エネルギーの収集に非常に役立ちます。
