Цеолиты

ЦЕОЛИТЫ (от греч. zeo — киплю и fithos — камень, т.к. образуют пузырчатое стекло при сильном и быстром нагревании * а. zeolites; н. Zeolithe; ф. zeolithes; и. ceolitas) — группа минералов, каркасные алюмосиликаты с обобщённой формулой K_x/nAl_xSi_yO₂(х+у)•ZH₂О, где К — катионы щелочных и щелочноземельных металлов, аммония, у синтетических цеолитов — также алкиламмония, и др.; n — заряд катиона. Впервые описаны в 18 в. Известно более 40 минеральных видов природных цеолитов; наиболее распространённые: клиноптилолит (К₂Na₂Ca)₃ Al₆Si₃₀О₇₂•20H₂О, гейландит (Na, К) Ca₄Al₉Si₂₇О₇₂•24H₂О, филлипсит К₂(Ca_0,5Na)₄Al₆Si₁₀O₃₂•12H₂О, ломонтит Ca₄Al₈Si₁₆O₄₈•16H₂О, морденит (Na₂К₂Ca)₄Al₈Si₄₀ О₉₆•28H₂О, эрионит NaK₂Mg, Ca_1,5Al₈Si₂₈О₇₂•28H₂О, шабазит (Ca, Na₂)₂Al₄Si₈O₂₄•12H₂О, феррьерит (Na, К) Mg₂Ca_0,5Al₈Si₃₀О₇₂•20H₂О, анальцим. Цеолиты — нестехиометрические соединения, их составы изменяются в широких пределах, образуя ряды твёрдых растворов. Кристаллические структуры цеолитов соcтoят из тетраэдров SiO₄^4- и AlO₄^5-, соединённых вершинами в ажурные каркасы, в полостях и каналах которых находятся катионы и молекулы H₂О. По геометрии вторичных строительных элементов (колец, полиэдров) и общей топологии каркасов цеолиты подразделяются на 7 кристаллохимических групп (гейландита, филлипсита, морденита, шабазита и др.).

В природе образуют хорошо огранённые кристаллы различной симметрии и габитуса (изометричные, призматические, игольчатые, таблитчатые) с различным проявлением спайности (от совершенной до отсутствия её) и размерами от долей мкм до 10 см (анальцим); обычно белые, иногда бесцветные и прозрачные, реже окрашенные в красноватые, коричневые и зеленоватые оттенки. Твердость 3-5. Плотность 1900-2800 кг/м³. Цеолиты образуются при температурах не свыше 250°С и давлениях 200-300 МПа в результате гидротермальных, гидротермально-метасоматических, диагенетических и метаморфических процессов в вулканических (базальт-андезит-риолитовых) и вулканогенно-осадочных породах. Крупнейшие скопления цеолитов возникают при метаморфизме вулканических туфов за счёт изменения вулканических стёкол главным образом кислого состава и при диагенезе осадков океанов и солёных озёр. Промышленные месторождения цеолитов представлены преимущественно цеолитсодержащими туфами (до 60-95% цеолита); в CCCP имеются в Закарпатье, Закавказье, Кузбассе, Якутии, Бурятии, Приморье, на Камчатке и острове Сахалин (всего более 20); за рубежом — в США, Японии, Болгарии, Венгрии, Монголии, на Кубе. Всего в мире известно около 1000 крупных (с запасами свыше 105 т) месторождений цеолитов более чем в 40 странах. Промышленную ценность представляют клиноптилолит, морденит, шабазит; перспективны также анальцим, филлипсит и некоторые другие цеолиты.

С 50-х гг. 20 века в промышленных масштабах производятся искусственные цеолиты. В лабораториях синтезировано более 100 структурных видов, большинство которых не имеют природных аналогов. Получают их в виде микрокристаллических агрегатов из высокоактивных реакционных смесей (гелей и других аморфных веществ) при температурах не свыше 200°С.

Промышленная ценность цеолитов определяется главным образом наличием у них уникальных ионно-молекулярно-ситовых и каталитических свойств, обусловленных кристаллохимическими особенностями цеолитов, их способностью к катионному обмену, потере и поглощению воды и других молекул без разрушения структурного каркаса. Особенно большое значение имеют природные (клиноптилолит, морденит) и искусственные высококремнистые цеолиты, а также их модифицированные формы, получаемые введением в структуру цеолитов катионов I-VIII групп. Обезвоженные цеолиты — высокоактивные сорбенты большой ёмкости (до 50% свободного объёма). В промышленности цеолиты применяются для выделения, очистки и катализа углеводородов (например, в крекинге нефти); разделения и глубокой осушки газов (в т.ч. природного) и жидкостей; получения вакуума; в качестве мягких наполнителей бумаги, при производстве цемента и силикатного кирпича; в сельском хозяйстве в виде кормовой добавки, повышающей сохранность, продуктивность и качество животных и домашней птицы; в земледелии — в качестве увеличивающих плодородие многолетних ионообменных регуляторов водно-солевого режима почв, пролонгаторов действия водорастворимых удобрений. Кроме того, цеолиты используют для удаления на предприятиях из отходящих газов SO₂, H₂S, NO_x; очистки воды от ионов аммония, токсичных (Pb, Hg, Tl) и радиоактивных металлов (Sr, Cs); в почвах в качестве селективной "ловушки" для ионов радиоактивных изотопов Sr и Cs. Крупные кристаллы и друзы природных цеолитов — ценный коллекционный материал.