تطبيقات مختلفة للزيوليت

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الكيمياء

خلال السنوات الخمسين الأخيرة، أصبحت الزيوليتات، التي بدأت كفضول مختبري خلال القرن الثامن عشر، صناعة حجمها عدة مليارات من الدولارات (Newsam 1986 and Higgins 1994).

ويشكل عموم حقل كيمياء الزيوليت مثالاً آخر حول كيفية ترجمة تطور علوم القرن العشرين إلى منتجات مصنعة من الرمل. دعنا ننظر إلى عدد قليل من الأمثلة لتطبيقات مختلفة للزيوليت.

في بداية ثلاثينات القرن العشرين، حقق ر. م. بارر (R. M. Barrer) في لندن و ج. سامشيما (J. Sameshima) في اليابان بين آخرين قدرة هذه المواد على التبادل الأيوني وعلى الامتصاص الانتقائي للغازات والسوائل.

وفي الكيمياء، من المهم أن نكون قادرين على تنقية المادة أو فصل مادة عن أخرى. والتبادل الأيوني هو العملية التي يتم فيها امتزاز (adsorption) التفصيلي لنوع واحد من الأيونات بواسطة وسط مسامي. وفي عام 1950، حضّر روبرت ميلتون (Robert Milton) في شركة يونيون كاربايد المتحدة (Union Carbide Corporation) مادة زيوليتية اسمها الزيوليت-أ (zeolite-A) تمتلك قدرة أعلى بكثير على التبادل الأيوني من مواد مثل الفحم وهلام السيليكا شائعة الاستعمال كمواد امتزاز (Milton 1935).

ليس الزيوليت-أ مادة امتزاز فقط ولكنه انتقائي في الأيوني الممتزة بسهولة. وعلى سبيل المثال، يمتز الزيوليت-أ 40 مرة من الأوكسجين أكثر مما يمتز من الآزوت عند درجة حرارة غليان الآزوت السائل، وتدخل جزيئات الأوكسجين الصغيرة إلى الأنفاق بسهولة أكبر من جزيئات الآزوت. ويستعمل هذا الفرق لفصل الأوكسجين من الهواء.

يعتبر تجفيف الكحول مثالاً آخر على الامتزاز الانتقائي للجزيئات، فالماء يُمتز بشكلٍ متميز على الزيوليت- 3أ، أما الكحول فهو لا يُمتز. وبإمرار الكحول الأتتيلي فوق الزيوليت-3أ، يمكن تخفيض محتوى الماء حتى 0.04 جزء بالمليون.

 

ويعتبر مهاد القطة من التطبيقات الأقرب إلى المنزل لقدرة امتزاز الزيوليتات الصنعية والطبيعية على السواء، فالزيوليت يؤدي دور مجفف ويمتز الماء، لكنه أيضاً يمتز النشادر ويقلل الرائحة.

تشكل الزيوليتات حوامل هامة للمحفزات في الصناعة البتروكيميائية. والمحفز يزيد سرعة التفاعل الكيميائي دون استهلاكه في العملية. ويعتبر البلاتين واحداً من أكثر المحفزات شيوعاً وهو يستعمل في المحول التحفيزي في السيارات. ومع ذلك، فغلاء سعر البلاتين يجعل المرء يستعمل أقل ما يمكن منه. ومن أجل ذلك، يعتبر إدخاله إلى أنفاق الزيوليتات واحدة من الطرائق. ولجعل الزيوليت محفزاً، يتم تبادل البلاتين مع أيونات الصوديوم المندمجة في الأنفاق والبنية لتحقيق حياد الشحنة. 

تستعمل المحفزات لتسهيل التفاعلات التي تُحوِّل المكونات الثقيلة في النفط الخام إلى مركبات أكثر تطايراً تستعمل في البنزين (تسمى العملية بالتقطير). وتتحسن فعالية المحفز بتصنيع الزيوليتات ذات الأنفاق التي تتوافق أبعادها مع الجزيئات المعنية في التفاعل الكيميائي وفي الحالات المؤاتية بالتحكم باتجاه الجزيء بالنسبة للبلاتين داخل الأنفاق من أجل التحسين الإضافي للتفاعل.

في عام 1962، أدخلت شركة موبيل (Mobil) محفزاً يستعمل الزيوليت-واي (zeolite-Y) المرتبط بالفلز الطبيعي الفوجاسيت (Faujasite) (الشكل 8.2). إنه 1000 مرة أفضل من المحفزات السابقة، وخلال بضعة سنوات، أصبح المعيار الصناعي في تقطير النفط الخام.

 

والملفت أن الزيوليتات التي تمتلك نسباً من السيليكون إلى الألمنيوم أكبر منها في الزيوليت- وإي تعمل كمحفزات لتحويل الميثانول إلى بنزين عالي الأوكتان. في عام 1997، أدخلت شركة موبيل عملية تصنيع البنزين من الميثان في الغاز الطبيعي باستعمال زيوليت عالي محتوى السيليكا يرمز له ZSM-5. يتم تحويل الميثان إلى ميثانول، ويتم تمريره فوق  ZSM-5في درجة حرارة عالية لإنتاج البنزين.

يقود التحكم الدقيق في تحضير الزيوليتات، من جهة، إلى محفزات تقلل الوزن الجزيئي للمركبات في النفط الخام المستعمل لإنتاج البنزين، ومن جهة أخرى، إلى محفزات يمكن أن تزيد الوزن الجزيئي وذلك بأخذ جزيئات صغيرة مثل الميثانول وتحويلها إلى البنزين.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]