Zeolit có khả năng trao đổi ion. Nguyên tắc sự trao đổi ion của zeolit là trao đổi thuận nghịch hợp thức giữa các cation trong dung dịch với các cation bù trừ điện tích âm trong khung mạng zeolit. Nhờ có tính chất này mà người ta có thể đưa vào cấu trúc zeolit các cation có tính chất xúc tác như cation của kim loại kiềm, kim loại chuyển tiếp. Các cation bù trừ trong zeolit này khá linh động nên chúng có thể bị thay thế bởi các ion khác theo quy luật tỉ lượng 1-1 theo hóa trị[3,7,17]. Trong quá trình hoạt hóa zeolit, 1 cation H+ trao đổi với 1 cation Na+ không những tăng được tính axit bề mặt mà còn tăng được đường kính mao quản vì đường kính của H+ nhỏ hơn của Na+. Khi trao đổi ion, các thông số mạng của zeolit không thay đổi, khung zeolit không bị trương nở, nhưng đường kính trung bình của mao quản thay
16
đổi[7,19,34].Đặc điểm này là ưu điểm của zeolit so với các nhựa trao đổi ion vô cơ thông thường khác.Ví dụ như khi thay thế 30% Na+ trong zeolit NaA bằng Ca2+ thì đường kính mao quản tăng từ 0.38nm (loại 4A) lên 0.43 nm (loại 5A). Ngược lại khi thay thế 25% Na+ bằng K+ sẽ làm cho kích thước cửa sổ giảm xuống còn 0.3 nm (loại 3A).
Quá trình trao đổi cation có thể viết dưới dạng [7,34]: bAa+/zeolit + aBb+(dd) ⇋ aBb+/zeolit + bAa+(dd)
(a và b là điện tích của các cation trao đổi A và B)
Khả năng trao đổi cation của zeolit phụ thuộc chủ yếu vào 7 yếu tố sau [7,29]:
(1) Bản chất cation trao đổi (điện tích, kích thước cation trong trạng thái hydrat hóa và dehydrat hóa);
(2) Nhiệt độ môi trường trao đổi; (3) Nồng độ cation trong dung dịch;
(4) Bản chất của anion kết hợp với cation trong dung dịch ( chủ yếu sự trao đổi được thực hiện trong dung môi trường là nước, chỉ một số ít thực hiện trong dung môi hữu cơ);
(5) Dung môi hòa tan cation (thông thường dung môi là nước, đôi khi là dung môi hữu cơ);
(6) Thành phần và đặc điểm cấu trúc của zeolit; (7) pH của dung dịch trao đổi.
Sự trao đổi cation trong zeolit được thực hiện do trong cấu trúc của chúng có các tứ diện AlO4-. Bởi vậy, khi zeolit có đường kính mao quản lớn hơn kích thước của cation trao đổi thì tỉ lệ SiO2/Al2O3 của zeolit có ảnh hưởng rất lớn đến dung lượng trao đổi. Thông thường, các zeolit có tỉ lệ SiO2/Al2O3 càng thấp thì khả năng trao đổi cation càng cao và ngược lại. Bảng 1.3 trình bày dung lượng trao đổi cation (CEC: cation exchange capacity) tính theo mili đượng lượng gam/gam vật liệu (meq: miliequivalents per gram) của một số zeolit phụ thuộc vào tỉ số SiO2/Al2O3[7,13,42].
17
Bảng1.3: Dung lượng trao đổi cation của một số zeolit
Zeolit 4A X Y Erionit T Clinoptilolit Mordenit
SiO2/Al2O3 2 2,5 4 6 7 9 10
CEC, meq
Na+/g 7,0 6,4 5,9 3,8 3,4 2,6 2,6
Tốc độ trao đổi cation phụ thuộc mạnh vào đường kính mao quản và kích thước của các cation. Tốc độ trao đổi càng lớn khi kích thước cation trao đổi càng nhỏ và đường kính mao quản của zeolit càng lớn. Khi cation trao đổi có kích thước lớn hơn đường kính mao quản của zeolit thì sự trao đổi có thể diễn ra chậm trên bề mặt zeolit. Sự trao đổi cation trong zeolit dẫn tới sự thay đổi độ bền, tính chất hấp phụ, độ chọn lọc, hoạt tính xúc tác và các tính chất quan trọng khác của zeolit.
Những zeolit có tỷ lệ SiO2/Al2O3 thấp, từ 2÷6 thì không bền trong môi trường axit có pH ≤ 4. Các zeolit A, X, Y ít có khả năng trao đổi cation trong môi trường axit vì chúng sẽ bị phá vỡ một phần cấu trúc, đặc biệt zeolit A sẽ bị phá vỡ hoàn toàn cấu trúc trong môi trường axit mạnh. Do vậy, quá trình trao đổi cation tốt nhất là thực hiện trong môi trường kiềm.
Dựa vào khả năng trao đổi cation, các zeolit có tỉ lệ SiO2/Al2O3 thấp thường được sử dụng trong công nghiệp sản xuất các chất tẩy rửa và xử lý nước thải công nghiệp có chứa các cation kim loại nặng như Zn2+, Pb2+ [6,8,12,14,26], ứng dụng làm mềm nước, tách NH4+ từ nước thải công nghiệp[2,8] và tách các ion phóng xạ từ các vật liệu thải phóng xạứng dụng để xử lí phế thải phóng xạ của công nghiệp hạt nhân[10].