1.3 Zeolite
1.3.5 Tính chất zeolite
a. Tính hấp phụ của zeolite [6]
Chính vì zeolite là những vật liệu xốp, có hệ thống mao quản với kích thước lỗ trống đều đặn và vững chắc, bề mặt trong rất phát triển (diện tích bề mặt bên trong lớn hơn bên ngồi). Do đó zeolite có tính chất hấp phụ và chọn lọc cao.
Hấp phụ là quá trình làm tăng nồng độ chất bị hấp phụ lên trên bề mặt của chất hấp phụ. Vì zeolite có bề mặt trong phát triển nên hiện tượng hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bề mặt trong, tức là phân tử hấp phụ phải đi qua được lỗ trống. Những phân tử có kích thước nhỏ hơn hay bằng kích thước các lỗ trống mới đi vào bề mặt trong được. Những phân tử có kích thước lớn hơn kích thước các lỗ trống thì bị đẩy ra ngồi và khơng được hấp phụ trên zeolite. Điều này chứng tỏ đặc tính hấp phụ chọn lọc của zeolite.
b. Tính chất trao đổi ion [6]
Sự xuất hiện của các cation bù trong cấu trúc tạo nên tính trao đổi ion một cách chọn lọc của zeolite. Các cation bù rất linh động và dễ dàng bị trao đổi với các cation khác. Qua việc trao đổi cation, zeolite có khả năng biến tính để tạo thành nhiều vật liệu có hoạt tính đa dạng, đáp ứng được nhiều yêu cầu để ứng dụng trong nghiều lĩnh vực.
Thông thường, trong zeolite tự nhiên hay tổng hợp ban đầu đều có cation bù là Na+.
Phản ứng trao đổi ion có thể mơ tả như sau : nNa+ - Zeol- + Mn+
Mn+
-(Zeol-)n + nNa+ Mn+ là cation kim loại hóa trị n, Zeol-
là một điểm mang điện tích âm trên khung zeolite.
18
Những ion phổ biến nhất đều dễ dàng trao đổi bằng zeolite. Tuy nhiên, zeolite có hệ thống lỗ trống với kích thước phân tử đồng đều và xác định nên sự trao đổi ion cũng có tính chọn lọc, gọi là hiệu ứng lưới. Hiệu ứng lưới này chỉ cho các ion có kích thước bé hơn hay bằng kích thước của lỗ trống trao đổi qua zeolite.
Dung lượng trao đổi ion của zeolite phụ thuộc vào tỉ lệ SiO2/Al2O3. Vì mỗi tứ diện AlO4 trong khung sườn của zeolite có một điểm trao đổi ion. Dung lượng trao đổi ion còn phụ thuộc vào dạng cation trao đổi.
Độ lựa chọn và tải trọng trao đổi ion trên zeolite phụ thuộc vào pH (vì H+ là ion cạnh tranh), nhiệt độ và độ hoạt hóa của nước. Các cation cạnh tranh, dung mơi, sự tồn tại các nhân tạo phức, nồng độ dung dịch và các anion là những yếu tố có thể thay đổi chất lượng tách các ion trong dung dịch. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của các yếu tố trên đối với zeolite không quá phức tạp và có thể dự đốn dễ dàng hơn so với các loại nhựa trao đổi ion (vì zeolite có khung sườn chắc chắn hơn).
c. Tính axít [6]
Tính axít của zeolite giữ vai trị quan trọng trong cơng nghệ chế tạo xúc tác. Nhờ tính axít, zeolite được sử dụng làm xúc tác cho nhiều q trình phản ứng hóa học, đặc biệt trong hóa dầu. Zeolite có vai trị xúc tác đặc biệt với phản ứng crắcking, đồng phân hóa và tổng hợp hydrocarbon. Ngồi ra, zeolite cịn được sử dụng trong quá trình xúc tiến các phản ứng axít-bazơ và phản ứng của kim loại. Các phản ứng này xuất hiện trên bề trong các lỗ trống của zeolite nên cho khả năng chọn lựa sản phẩm tốt hơn.
Tính axít của zeolite xuất phát từ khả năng trao đổi ion. Nếu ion bù là Na+ thì zeolite khơng có tính axít. Nhưng khi Na+ trao đổi với ion H+, thì zeolite lại trở nên có tính axít. Khi xử lý zeolite với một axít (HCl, H2SO4,..) thì có thể chuyển zeolite thành dạng axít:
Na+-Zeol + H+
H+-Zeol + Na+
19
Zeolite cũng có thể thành dạng axít khi ion Na+ được trao đổi với cation đa hóa trị trong mơi trường nước (vì ở trong nước, các ion thường tồn tại dưới dạng hydrat), sau đó xử lý nhiệt sản phẩm thu được:
2Na+-Zeol- + Mg(H2O)2+
Mg(H2O)2+-(Zeol)2 + 2Na+ Mg(H2O)2+-(Zeol-)2
Mg(OH)+Zeol- + H+-Zeol-
Độ axít của zeolite cũng phụ thuộc vào tỉ số Si/Al trong zeolite. Nếu tỉ số này cao thì zeolite có tính axít mạnh và ngược lại.
d. Tính bền nhiệt và bền hóa [6]
Zeolite có khung mạng cứng chắc và bền vững, nên zeolite bền với nhiệt, tác dụng oxy hóa-khử, bức xạ ion và khó bị mài mịn vật lý do các tác nhân thẩm thấu hơn so với các loại nhựa trao đổi ion hữu cơ. Do đó, tính trao đổi ion của zeolite tương đối ổn định và dễ dự đoán hơn trong khoảng nhiệt độ và lực ion rộng hơn so với các vật liệu trao đổi ion khác. Zeolite không bị nhiễm bẩn và không hấp thụ các ion hay phân tử hữu cơ. Zeolite cũng bền ở pH cao, mà các vật liệu trao đổi ion vô cơ thường bị mất các nhóm chức do phản ứng thủy phân chậm. Vì các zeolite được tổng hợp ở điều kiện pH cao và nhiệt độ cao nên bền ở điều kiện đó.