Zeolite là gì?
Zeolit là các khoáng chất aluminosilicat ngậm nước được tạo ra từ các tứ diện liên kết với nhau của nhôm (AlO 4 ) và silica (SiO 4 ). Nói một cách đơn giản hơn, chúng là chất rắn có cấu trúc tinh thể ba chiều tương đối mở, được xây dựng từ các nguyên tố nhôm , oxy và silicon, với các kim loại kiềm hoặc kiềm thổ (như natri, kali và magiê) cộng với các phân tử nước bị mắc kẹt trong khoảng trống giữa chúng. Zeolit hình thành với nhiều cấu trúc tinh thể khác nhau, có các lỗ rỗng lớn mở (đôi khi được gọi là các hốc) sắp xếp rất đều đặn và có kích thước gần bằng các phân tử nhỏ.
Công thức hoá học có thể biểu diễn như sau Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y].zH2O
M : kim loại hoá trị n
y/x: tỉ số nguyên tử Si/Al, tỉ số này thay đổi tuỳ theo loại zeolite.
z: số phân tử H2O kết tinh trong zeolit.
M : kim loại hoá trị n
y/x: tỉ số nguyên tử Si/Al, tỉ số này thay đổi tuỳ theo loại zeolite.
z: số phân tử H2O kết tinh trong zeolit.
Hiện các hạt Zeolite có kích thước 1.000-5.000 nm và trong tương lai sẽ giảm kích thước hạt tới dưới mức 100 nm nhằm tạo ra vật liệu nano – zeolite nhằm tăng khả năng ứng dụng của vật liệu này.
Có khoảng 40 zeolit tự nhiên, hình thành trong cả đá núi lửa và đá trầm tích; Theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, các dạng khai thác phổ biến nhất bao gồm chabazite , clinoptilolite và mordenit . Hàng chục zeolit tổng hợp , nhân tạo khác (khoảng 150) đã được thiết kế cho các mục đích cụ thể, nổi tiếng nhất là zeolit A (thường được sử dụng làm chất tẩy giặt), zeolit X và Y (hai loại faujasit khác nhau , được sử dụng để crackinh xúc tác) , và chất xúc tác dầu mỏ ZSM-5 (tên thương hiệu của pentasil-zeolit).
SỰ HÌNH THÀNH CỦA ZEOLITE
Zeolite có thể gặp ở trạng thái tự nhiên hoặc nhân tạo.
Zeolite tự nhiên được hình thành từ sự kết hợp giữa đá và tro của núi lửa với các kim loại kiềm có trong nước ngầm.
Để tổng hợp zeolite nhân tạo có thể thực hiện theo 2 cách:
Trực tiếp từ các nguồn nguyên liệu tự nhiên, biến tính các aluminosilicat là các khoáng phi kim loại như cao lanh, bentonit.
Tổng hợp trực tiếp từ các silicat và aluminat
Cấu trúc của Zeolite
Zeolite tự nhiên có cấu trúc tinh thể rỗng rất nhỏ dạng khung liên kết tetrahedra SiO44- mà ion Al3+ thay thế chỗ của một vài ion Si4+ (Mumpton, 1984). Sự thay thế này sẽ để lại vài mối gắn kết trống với hóa trị âm trên bề mặt hay trong cấu trúc của tinh thể zeolite. Các mối gắn kết sẽ được lắp đầy với cácion mang điện tích dương (cation) như Na+, K+, Ca2+ vàMg2+. Sự gắn kết với các cation này khá lỏng lẻo và dễ dàng bị trao đổi khi khoáng zeolite tiếp xúc với môi trường có cation khác.
Cấu trúc phân tử của zeolite
Zeolite được cấu tạo từ mạng lưới ba chiều của các tứ diện SiO4 liên kết trong không gian 3 chiều tạo thành các khối đa diện, trong đó một số nguyên tố Si được thay thế bằng nguyên tử Al tạo thành khối tứ diện AlO4.
Trong tinh thể zeolit, các tứ diện SiO4 và AlO4 liên kết với nhau qua nguyên tử oxy. Không gian bên trong tinh thể gồm các hốc nhỏ được nối với nhau bằng các đường rãnh có kích thước ổn định. Nhờ hệ thống lỗ xốp và các đường rãnh mà zeolit có thể hấp phụ những phân tử có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ và đẩy ra những phân tử có kích thước lớn hơn.
Vì Zeolite được tạo thành khi nhôm thay thế một số nguyên tử silic trong mạng lưới tinh thể của SiO4 kết tinh, nên mạng lưới tinh thể zeolit mang điện tích âm. để đảm bảo tính trung hòa về điện tích, zeolite cần có các ion dương (cation) để bù trừ điện tích âm dư. Trong thiên nhiên hay ở dạng tổng hợp ban đầu những cation đó thường là cation kim loại kiềm (Na+, K+…) hay kiềm thổ (Mg2+, Ca2+…). Những cation này nằm ngoài mạng lưới tinh thể zeolite và dễ dàng tham gia vào các quá trình trao đổi ion với các cation khác.
Chính nhờ đặc tính trên mà người ta có thể biến tính zeolit và đem đến cho nó những tính chất và ứng dụng mới trong các quá trình hấp phụ và xúc tác.
Phân loại Zeolite
Cơ chế tác động
Theo Boyd, 1995, zeolite có khả năng trao đổi cation với mức 2 – 5 meq/g, Vì vậy, khi môi trường có sự hiện diện của NH4+, zeolite có khả năng hấp thu hay trao đổi khoảng 28 – 70 mg NH4+ N/g, theo lý thuyết (do 1 meq nitrogen trong NH4+ nặng 14 mg) theo cơ chế sau:
Zeolite – Na + NH4+ Zeolite – NH4+ + Na+
Ứng dụng của zeolite trong nuôi trồng thủy sản
Ứng dụng trong việc nuôi trồng thủy sản đặc biệt là nuôi thâm canh tôm, cá. Với đặc tính ưu việc đó là khả năng hấp thụ các kim loại. amonia, … các chất độc tôm cá thường có trong ao nuôi, tham gia đảo nước và cung cấp oxy,
Hiệu quả sử dụng
Thông thường, trong môi trường nước ao nuôi thủy sản, ammonia tồn tại ở 2 dạng ammonium (NH4+) và ammonia tự do (NH3). Trong nước zeolite có thể trao đổi cation với ammonium, khi hàm lượng ammonium trong nước giảm ammonia sẽ chuyển hóa thành ammonium dẫn đến giảm hàm lượng ammonia trong thủy vực (Marking and Bills 1982). Phương trình chuyển hóa như sau:
NH3 + H2O -> NH4+ + OH-
Zeolite thường được sử dụng với hàm lượng 200 kg/ha để làm giảm hàm lượng ammonia trong ao nuôi (Boyd, 1995). Tuy nhiên hàm lượng này có thể thay đổi tùy theo sản phẩm khác nhau của các nhà sản xuất và tùy vào mục đích sử dụng như cải tạo ao, giữa hay gần cuối vụ nuôi.
Vì zeolite có hiệu quả xử lý ammonia theo cơ chế trao đổi ion nên cần phải định kỳ sử dụng (10 – 15 ngày/lần) nhằm làm giảm hàm lượng ammonia phát sinh sau đó.
Lưu ý
- Zeolite tự nhiên rất hiếm khi tinh khiết và thường chứa nhiều tạp chất như khoáng chất, thạch anh, kim loại hay zeolite khác.
- Có nhiều nghiên cứu cho rằng hiệu quả xử lý ammonia sẽ giảm dần theo việc tăng độ mặn ở các ao nuôi do có sự canh tranh về việc trao đổi cation giữa ammonium và các cation khác trong nước mặn lợ như ion Na+, K+, Mg2+ và Ca2+. Thông thường,hàm lượng các cation này cao hơn hàm lượng ammonium (NH4+) trong nước mặn lợ. Kết quả nghiên cứu của Chiayvareesajja and Boyd (1993) cho biết ở độ mặn 4‰, zeolite có thể hấp thu 0,12 mg NH4+/g, ở 8 ‰là 0,10 mg NH4+/g, ở 16 ‰là 0,08mg NH4+/g, 32 ‰là 0,04 mg NH4+/g. Vì vậy hàm lượng zeolite cần để xử lý ammonia ở các ao nuôi nước mặn, lợ phải cao hơn so với các ao nuôi nước ngọt.
