Цеолиты свойства

 

 Цеолиты («кипящие камни») как минеральный вид известны уже более 200 лет. Длительное время они рассматривались в качестве редких минералов, не образующих промышленных скоплечи и интересных лишь для коллекционных целей. Вместе с тем ряд ценных, порой уникальных для промышленности свойств этих минералов привел в 40-х гг. к появлению в отдельных промышленно развитых странах (США и др.) производства по взращиванию их синтетических аналогов.

Прогресс в области электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа минерального вещества в 60-х гг. позволил выявить широкое развитие природных цеолитов за счет преобразования вулканического стекла туфов в промышленно значимых концентрациях. С этого времени природные цеолиты стали рассматриваться как новый вид полезных ископаемых.

Водные алюмосиликаты щелочей и щелочных земель. По своему составу они близки полевым шпатам, фельдшпатоидам и другим силикатам, от которых отличаются особенно высоким содержанием кристаллизационной воды. Сюда относят обширную группу минералов, представляющих собой по существу водные алюмосиликаты, главным образом Са и Na, отчасти Ba, Sr, K и крайне редко Mg и Mn. Судя по списку элементов, эта группа в химическом отношении имеет прямое отношение к безводным алюмосиликатам. К цеолитам можно относить анальцим.

Наиболее важными минералами этой группы являются анальцим, шабазит, десмин, гармотом, гейландит, натролит, филлилаит, сколецит

Группа

Происхождение названия
Греческое «зео» — вскипаю, «литое» — камень (по поведению перед паяльной трубкой)

Содержание

• Химический состав
• Разновидности
• Кристаллическая структура
• Форма нахождения в природе
• Физические свойства
• Происхождение минерала
• Месторождения
• Искусственное получение
• Практическое применение
• Физические методы исследования

Формула

Химический состав

Несмотря на то что общее число элементов, участвующих в этих соединениях, невелико, мы имеем весьма значительное количество минеральных видов, отличающихся друг от друга не столько по содержанию воды, сколько по соотношениям катионов между собой, часто не укладывающимся в простые химические формулы. Общая химическая формула может быть выражена таким образом: АтХрО2р · nН2О, где Х = Si, Al. Каких либо определенных соотношений между содержанием щелочей и кремнезема в различных минералах не наблюдается

Характерно для цеолитов в химическом отношении постепенное замещение кремния алюминием с изменением соотношения Al : Si от 1 : 5 до 1 : 1; отношение суммы окислов одно- и двухвалентных элементов к глинозему остается постоянным: (RJ, R2+)0 : А1203 = 1:1. 
 
Как хорошо видно из приведенных ниже формул, химическая дифференциация цеолитов связана с отношением SiO2 : Аl2O3 и содержанием воды; некоторые из этих минералов отличаются только по последнему признаку.

 Изоморфизм возможен как и в группе полевых шпатов: NaSi CaAl, KSi BaAl, и в дополнение также между Са Na2, Ва К2. Смесимость, однако, представляется ограниченной, по крайней мере для минералов с более высоким отношением Al: Si, которые также обладают более высокой энергией решетки. Это отчетливо демонстрируется на примере морденита, для которого известен совершенный ряд между натриевым членом Na2Al2Si3O10 *7Н2O и кальциевым CaAl2Si3O10*7Н2O, с одной стороны, и мезолитом Ca2Na2[Al2Si3Oi0]3*8H2O, который является
вполне определенным членом между сколецитом CaAl2Si3Oi0 *ЗН2O и его натриевым аналогом натролитом Na2Al2Si3O10 *2Н2O, с другой.

Разновидности цеолита

МИНЕРАЛЬНЫЕ ГРУППЫ ЦЕОЛИТОВ

Шабазит, (Са, Na,) rAlSi2O6]2-6H2O

Натролит, Na2[AlSi3O10]-2Н2O

Сколецит, Ca[AI2Si3O10]-ЗН2O

Гейландит, Са, Na2[AlSi3O8]2-5H2O

Филлипсит, (К2Са) [AlSi4O12]-4,5H2O

Гармотом, (К2Ва) [Al2Si5O14]-5Н20

Десмин, Ca[Al2Si7O18]-7Н2O

Томсонит, NaCa2[Al2(Al, Si)Si2O10]2-5H2O

Ломонтит, Ca[AlSiO6] -4Н2O

ЦЕОЛИТОПОДОБНЫЕ МИНЕРАЛЫ

Анальцим, Na[AlSi2O6] -Н2O

Апофиллит, KCa4[F/(Si4O10)]2-8H2O

Форма нахождения в природе

 

Облик кристаллов тесно связан со структурой соответствующих цеолитов и содержанием в них воды; цеолиты с отношением Al : Si от 0,20 до 0,40 — листоватые, другие с отношением Al: Si до 0,50 — изометричные или в основном изометричные, и с отношением Al : Si до 0,60—1,00 —волокнистые или преимущественно волокнистые.

Физические свойства

Оптические

Цвет.

Черта

Блеск

Отлив

Прозрачность

Показатели преломления Как и полевые шпаты, цеолиты могут быть разделены на кальций-натриевые и калий-бариевые; последние отличаются относительно более высокими показателями преломления и удельными весами, тогда как Са- Na-цеолиты, кроме того, отличаются по характеру удлинения и двупреломлению.

 

Механические

Минералы группы цеолитов по сравнению с безводными алюмосиликатами характеризуются меньшей твердостью, меньшим удельным весом, меньшими показателями преломления и более легкой разлагаемостью кислотами.

Твердость

Плотность

Спайность

Излом

Химические свойства

Прочие свойства

Происхождение и нахождение

Много общего у цеолитов с каркасными силикатами в условиях их образования. При эндогенных процессах они возникают в условиях низких давлений в самые последние низкотемпературные стадии гидротермальных процессов, встречаясь в ассоциации большей частью с кальцитом, халцедоном, кварцем, гиббситом и другими минералами. Они встречаются, как правило, в гидротермально измененных магматических породах, часто в пузыристых эффузивах (мандельштейнах), приурочены к молодым базальтовым, трахитовым и фонолитовым лавам особенно в базальтах (при подводных извержениях), затем в пегматитах, где образуется в числе последних минералов, либо в пустотах, либо метасоматическим путем за счет ранее выделившихся минералов (полевых шпатов, нефелина и др.); в ряде гидротермальных рудных месторождений и в некоторых современных отложениях горячих источников.

В экзогенных условиях цеолиты имеют также широкие области распространения. Имеются указания, например, на образование цеолитов в почвах. Как новообразования цеолиты встречаются в осадочных породах молодого возраста.

Образование природных цеолитов происходит в различных геологических условиях: позднемагматических, гидротермальных, метаморфических, диагенетических, выветривания. В общем случае механизм их формирования представляет реакцию поровых водс вулканическим стеклом, слабо раскристаллизованным глинистым осадком, плагиоклазами или кремнеземом. В зависимости от состава исходных пород и физико-химической обстановки (температура, давление, парциальное давление воды, активность различных ионов и др.) происходит образование того или иного вида цеолитов. Так, клиноптилолит и морденит обычно образуются за счет кислой тефры, в то время как филлипсит и анальцим —чаще за счет основной. Первоначально возникшие цеолиты с течениемвремени могут переходить в другие более устойчивые в изменившихся условиях формы. Например, хорошо известно замещение клиноптилолита анальцимом, а последнего — в свою очередь ломонтитом.

Наиболее широко распространенные диагенетически-осадочные цеолиты, единственные, дающие существенные промышленные концентрации, относятся к кайнозойскому и мезозойскому возрасту. В палеозойских и более древних толщ ах такие образования практически отсутствуют. Ч ащ е всего благоприятными для диагенетической цеолитизации оказываются морские туфы кислого состава, стекло которых на глубине около 100 м при температуре в десятки градусов взаимодействует с поровыми водами, в результате чего образуются клиноптилолит либо морденит: вулканическое стекло + Н 20 *- клиноптилолит + S i 0 2 + Fe2+4 (морденит). Прямые определения pH растворов, экстрагированных из верхнемиоценовых цеолитизированных кислых туфов, колеблются от 8,3 до 9,5, составляя в среднем 8,9 (Иидзима). По тем же данным, при повышении температуры до 85— 125 °С (как результат метаморфизма нагрузки либо наложения гидротермальных растворов) указанные цеолиты переходят в анальцим:
KNaAl2S i10O 24 • 8 Н 20(клиноптилолит) + С а2+ + 2H C O J  ----- >

------> NaA lSi20 6( анальцим) • Н 20 + KAlSi30 8( адуляр) + 5 S i 0 2(кварц) + С а С 0 3(кальцит) + + С 0 2 + 8 Н 20 ;

C aA l2S il0O 24 • 7Н 20 (морденит) + 2 N a+ + C O i ------ >  ^ 2NaAISi20 6 • Н20(анальцим) + 6 S i 0 2( кварц) + С а С 0 3 (кальцит) + 5 Н 20 .

Стекло кислых туфов, отложившихся в условиях соленых озер, содержавших ионы С О 2- и НСОТ с pH около 9,5, обычно пРевращалось в филлипсит, клиноптилолит, реже в морденит и шабазит. Такие озера типичны для аридных климатических зон этой обстановке седиментации нередко проявляется горизонтальная зональность, когда в пределах одного слоя в прибрежной части озера фиксируются туфы и глины, далее цеолиты, а в центре озера появляются калиевые полевые шпаты.

Соответственно морским либо озерным условиям формирования цеолитов в кислых туфах в настоящее время отчетливо выделяются два главнейших их геолого-промышленных типа месторождений:

1. пластовые согласные залеж и и линзы в морских вулканогенноосадочных толщах мезокайнозойского возраста;
2. пластовые согласные залеж и и линзы в флювиально-лакустриновых толщах кайнозойского возраста.

К первому типу относятся месторождения Японии (Итая и другие в районе «зеленых туфов»), Украина Сокирница в Закарпатье; Айдагское, Дзегви, Ноембрянское в Закавказье и д р .),
Италии, Венгрии (Токай, Харча и д р .), Югославии, Мексики, Германии и других стран.

Представителями второго типа являются многочисленные миоцен-плейстоценовые месторождения Запада США, а так же ряда стран Восточной Африки.

Искусственное получение

Промышленный синтез цеолитов осуществляется при относительно невысоких температурах (до 200 °С) и давлении насыщенных паров воды в щелочной среде (pH 14) из высокореакционного материала. Изменение свойств природных цеолитов производится путем их обработки различными кислотами, щелочами и солями. Так, кислотная обработка клиноптилолита может привести к его деалюминированию без разрушения каркаса, сопровождающемуся расширением входных окон, благодаря чему повышается адсорбция к парам воды и бензола.

Практическое использование цеолитов

В настоящее время известно около 40 природных и более 150 искусственных аналогов цеолитов. Учитывая широкое разнообразие свойств и областей использования этих минералов, высокую стоимость их синтеза и наличие крупных природных скоплений некоторых из них, с одной сторбны, продолжает развиваться производство по выращиванию искусственных кристаллов цеолитов и направленному изменению свойств их природных разновидностей, а с другой — наращиваются добыча и использование природного сырья. Мировая добыча природных цеолитов в настоящее время не превышает 0,5 млн т; ее главная доля приходится на Японию и США, а так же Венгрию, Болгарию, Германию, Кубу, Новую Зеландию, Исландию и Италию.

Цеолиты, как природные, так и их синтетические аналоги, находят широкое применение в промышленности, особенно в химической, в качестве материала поверхностей для нанесения катализаторов, в роли сорбентов, ионообменников и молекулярных сит для разделения нефтепродуктов на фракции, в вакуумных насосах,  для смягчения воды (пермутиты).

Использование цеолитов чрезвычайно разнообразно и неуклонно увеличивается. В промышленности с их помощью осушают и очищают всевозмож ные газы и жидкости, получают кислород и азот из воздуха, путем ввода в них платины, рения и других катализаторов используют при крекинге нефти, разделяют металлы и получают особо чистые соли, извлекают металлы из подземных и рудничных вод, используют в качестве наполнителей при производстве бумаги и как гидравлические добавки в поргландцементы, применяют для создания глубокого вакуума и др. В сельском хозяйстве цеолиты эффективны для удерж ания в почве удобрений и влаги, как кормовые добавки скоту и птице, как дезодоранты (поглотители сильно пахнущих газов) и др. В области охраны окружаю щей среды — это очистители газовых выбросов от сернистого ангидрида, азота, углерода, аммиака, сероводорода, промышленных сточных вод от цветных и радиоактивных металлов, хлора, стронция, продуктов нефтепереработки; их широко используют при очистке вод морей и океанов при авариях танкеров и нефтепроводов, применяют при дезактивации местности. Природные цеолиты используют при синтезе некоторых искусственных цеолитов. Последние применяются для получения ракетного топлива, биологически разрушающихся моющих средств и в других областях. Высокоглиноземистые цеолиты рассматриваются в качестве потенциального сырья д ля получения глинозема.

Физические методы исследования

Дифференциальный термический анализ

Старинные методы. Под паяльной трубкой большинство цеолитов вспучивается перед паяльной трубкой, чем и обусловлено их название: от греческого "цео" — вскипать.