Tổng quan Zeolite: Công thức, tính chất và ứng dụng

Zeolite là gì? Công thức cấu tạo và tính chất ra sao? Nó có tác dụng gì trong ngành nuôi trồng thuỷ sản? Ở trong tự nhiên, Zeolite tồn tại ở trạng thái nào? Những câu hỏi trên sẽ được LabVIETCHEM bật mí ở phía bên dưới bài viết sau. 

1. Bột Zeolite là gì? Zeolite là gì?

Zeolite là khoáng chất silicat nhôm, ở dạng kết tinh, ngậm nước, có công thức hoá học là: Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].mH2O.

Trong đó:

- M là kim loại hoá trị (n) thường là kim loại kiềm và kiềm thổ (Na, K, Ca, Mg,...)

- y/x: Tỷ số nguyên tử Si/Al, hệ số này còn biến đổi theo từng loại zeolite.

- m là số phân tử nước kết tinh.

Hiện nay, các hạt Zeolite có kích thước dao động từ 1.000 đến 5.000 nm. Tuy nhiên, dự kiến trong tương lai sẽ giảm kích thước này xuống dưới mức 100 nm để tạo ra vật liệu nano-zeolit, nhằm nâng cao tính ứng dụng của chúng.

Hình 1: Bột Zeolite

2. Nguồn gốc tên gọi Zeolite

Vào năm 1756, nhà khoáng vật học người Thụy Điển, Axel Fredrik Cronstedt đã đặt tên zeolite trong khi ông quan sát quá trình nung nóng nhanh stilbit. Quá trình này sinh ra một lượng lớn ơi nước và bị vật liệu này hấp thụ trước đó. Vì thế mà ông đã đặt tên cho nhóm vật liệu này là zeolit, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp nghĩa là đun sôi và λίθος (líthos) mang ý nghĩa là "đá". 

3. Cấu tạo Zeolite

Zeolite được cấu tạo từ sự liên kết mạng lưới ba chiều của các tứ diện SiO4 và AlO4 trong không gian ba chiều, tạo thành các khối đa diện. Trong đó, một số nguyên tố Al sẽ thay thế cho nguyên tố Si để tạo thành khối tứ diện AlO4. 

Trong tinh thể zeolit, các tứ diện này kết nối với nhau thông qua nguyên tử oxi. Bên trong tinh thể, có các hốc nhỏ nối với nhau bằng các đường rãnh có kích thước ổn định. Nhờ vào cấu trúc lỗ xốp và các đường rãnh, zeolit có khả năng hấp phụ các phân tử nhỏ hơn kích thước của lỗ và đẩy những phân tử lớn hơn.

Hình 2: Cấu tạo Zeolite

Do thay thế một số nguyên tử silic bằng nhôm trong mạng lưới tinh thể của SiO4, zeolit mang điện tích âm. Để duy trì trạng thái trung hòa về điện tích, zeolite cần các ion dương nhằm bù trừ cho điện tích âm còn dư. Trong tự nhiên hoặc trong quá trình tổng hợp, các cation này thường là kim loại kiềm (Na+, K+...) hoặc kiềm thổ (Mg2+, Ca2+...), tồn tại bên ngoài mạng lưới tinh thể zeolit và dễ dàng tham gia vào các quá trình trao đổi ion với các cation khác.

Nhờ vào tính chất này, zeolit có thể được biến tính và mang lại nhiều ứng dụng mới  trong các quá trình hấp phụ và xúc tác

4. Phân loại Zeolite

Zeolite có thể phân loại theo các tiêu chí sau:

- Nguồn gốc: Zeolite tự nhiên và tổng hợp.

- Chiều hướng không gian của các kênh hình thành cấu trúc mao quản: Zeolit có hệ thống mao quản 1 chiều, 2 chiều hoặc 3 chiều.

- Đường kính mao quản: Zeolite mao quản nhỏ (đường kính 3-4A), trung bình (4.5-6A) vaf rộng (7->15A).

- Tỉ lệ Si/Al: Zeolite hàm lượng Si thấp (Si/Al=1-1.5: A, X), hàm lượng trung bình (Si/Al=2-5: zeolite Y, chabazit…) và hàm lượng Si cao (ZSM-5).

5. Quá trình hình thành Zeolite

5.1. Zeolite tự nhiên

Zeolit tự nhiên được tạo thành từ sự kết hợp giữa đá và tro từ núi lửa, kèm theo sự hiện diện của các kim loại kiềm trong nước ngầm.

Hình 3: Zeolite được hình thành trong tự nhiên 

5.2. Zeolite tổng hợp

Zeolit nhân tạo có thể được tổng hợp từ 2 phương pháp sau: 

- Sử dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên trực tiếp, biến tính các aluminosilicat như cao lanh, bentonite, các khoáng phi kim loại.

- Điều chế trực tiếp từ các silicat và aluminat.

6. Ứng dụng của Zeolite trong đời sống

6.1. Ngành nuôi trồng thuỷ sản

Đây là loại hoá chất được sử dụng rộng rãi trong ngành nuôi trồng, thâm canh tôm và cá, do có đặc tính hấp thụ các kim loại và amoniac, cũng như loại bỏ các chất độc thường gặp trong ao nuôi và cung cấp oxy. Từ đó, đảm bảo môi trường tốt cho tôm cá phát triển khoẻ mạnh.

6.2. Nông nghiệp

Nhờ vào đặc tính hấp phụ, zeolit được nghiên cứu để tạo ra các loại phân bón. Zeolit giải phóng từ từ các chất dinh dưỡng trong phân bón vào đất, giúp tiết kiệm lượng phân bón sử dụng, tăng độ phì nhiêu và duy trì độ ẩm, cũng như điều chỉnh độ pH của đất một cách hiệu quả.

Hình 4: Zeolit ứng dụng trong phân bón

6.3. Ứng dụng trong chăn nuôi

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu và triển khai thử nghiệm sử dụng zeolite làm chất phụ gia trong thức ăn cho lợn và gà. Khi trộn vào thức ăn, zeolite có tác dụng hấp phụ các chất độc trong cơ thể vật nuôi, giúp tăng cường khả năng miễn dịch, kích thích tiêu hóa và thúc đẩy tăng trưởng. Một điểm lợi ích đáng chú ý, zeolite không gây hại cho con người cũng như cho các loại vật nuôi.

6.4. Công nghiệp hoá học

Trong lĩnh vực công nghiệp hóa chất, zeolite đóng vai trò quan trọng:

- Trong ngành lọc dầu, zeolite chiếm tỷ lệ khoảng 95% tổng lượng xúc tác được sử dụng với công dụng làm tăng cả chất lượng và số lượng sản phẩm dầu khí.

- Bên cạnh đó, nó còn tham gia xúc tác cho nhiều quá trình phản ứng hoá học quan trọng như: Cracking, Oligomer hóa, Alkylation, Hydrogenation của các hydrocacbon, Isomer hóa…

6.5. Ứng dụng khác

- Xử lý nước: Giúp loại bỏ các ion kim loại nặng, amoni và nhiều hợp chất hữu cơ trong nguồn nước thải và nước sinh hoạt.

- Được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất hoá dược và hoá chất bảo vệ thực vật.

- Là nguyên liệu chế tạo cồn tuyệt đối nhờ vào đặc tính tách nước chọn lọc.

Mong rằng với những kiến thức mà chúng tôi chia sẻ ở trên, sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về tính chất cũng như ứng dụng của Zeolit.