Цеолиты — эффективная минеральная добавка в гипсовые вяжущие

Значительное место в современном строительном производстве и технологиях занимают гипсовые вяжущие, а так же различные материалы и изделия на их основе.

Цеолиты

Впервые появившись на поверхности земли примерно 250 млн. лет назад, гипс широко распространился в природе. Его способность после обжига превращаться в камень под воздействием воды была известна людям уже 20 тыс. лет назад. За 9 тыс. лет до н.э. он использовался в Малой Азии в качестве основы для фресок. Постепенно знания о производстве и применении гипса распространились в Европе.

Сегодня интерес к этому материалу обусловлен большими запасами исходного сырья, экологичностью, простотой переработки его в вяжущие, а затем в изделия с небольшими энергетическими затратами, короткими сроками схватывания и твердения.

Однако, наряду с этим низкая прочность и водостойкость гипса резко сужает область его применения. Улучшить вышеуказанные характеристики возможно путем введения модифицирующих добавок, которые влияют на структуру твердеющего гипсового камня. В качестве модификаторов использовались природные цеолиты украинских месторождений, вводимые в гипсовые вяжущие для улучшения их свойств и придания специальных качеств.

Цеолиты были названы минералами XXI века. Благодаря особенностям структуры они нашли широко е применение во многих областях человеческой деятельности от нефтехимической промышленности до производства биологически активных добавок для людей и животных.

Из-за сложности физических и химических свойств цеолитов им трудно дать точное определение. Так один из авторов предлагает назвать цеолитами алюмосиликаты с каркасной структурой, в которой имеются полости, занятые большими ионами и молекулами воды, причем и те и другие характеризуются значительной подвижностью, что обеспечивает возможность ионного обмена и обратимой дегидратации.

Интерес к цеолитам связан, прежде всего, с особенностями строения их каркаса и доступностью внутрикристаллического объема. Эти минералы характеризуются строго однородной микропористой структурой, которая является не только регулярной, но и регулируемой, обладают высокой термостабильностью и кислотостойкостью. Первичной строительной единицей цеолитового каркаса является тетраэдр, центр которого занят атомом кремния или алюминия, а в вершинах расположены четыре атома кислорода. Каждый атом кислорода является общим для двух тетраэдров, таким образом, совокупность всех тетраэдров образует непрерывный каркас.

Цеолитовые каркасы содержат разнообразные каналы и пустоты, которые обычно имеют полиэдрическую форму. Внутри полиэдров образуются довольно большие свободные объемы. Система каналов может быть одно-, двух - или трехмерная. При трехмерной системе катион или молекула может проникнуть в любое место кристалла. Если система двухмерная молекула может двигаться только в плоскости. В одномерной системе движение возможно только в одном направлении. Системы каналов повторяются в зависимости от симметрии кристалла. При дегидратации размеры элементарной ячейки и каналов изменяются. Каналы могут блокироваться большими молекулами и посторонними веществами. При этом трехмерная система превращается в двух - и одномерную.

Цеолиты - эффективная минеральная добавка в гипсовые вяжущие

Пористая, открытая в окружающую среду микроструктура цеолитов предопределяет их основные полезные свойства. Обезвоженные, например, путем нагревания, цеолиты приобретают способность сорбировать молекулы различных веществ из окружающей среды (адсорбционные свойства), если размеры этих молекул не превышают диаметра входных каналов, соединяющих микрополости во внутрикристаллическом пространстве данного цеолита (молекулярно-ситовые свойства). В жидких средах, в частности в растворах электролитов, цеолиты могут обменивать свои катионы, расположенные в микрополостях, на другие катионы, находящиеся в растворе (катионообменные свойства). В процессах адсорбции и катионного обмена цеолиты проявляют тенденцию к избирательному поглощению одних молекул или катионов перед другими. Реакционная способность сорбированных цеолитами молекул значительно повышается, в результате чего цеолиты проявляют каталитическую активность в разнообразных реакциях органического и неорганического синтеза (каталитические свойства). При изменении условий адсорбированные молекулы могут быть удалены в окружающую среду, а обменные катионы замещены другими, в результате чего цеолиты регенерируют и таким образом могут работать в многоцикловом режиме.

Образно говоря, цеолит представляет собой “пористый кристалл” с жестким каркасом. Характерно, что параметры этого каркаса мало изменяются при дегидратации в результате нагревания до достаточно высокой температуры. Катионы, заполняющие полости, окружены гидратными оболочками и сравнительно легко поддаются ионному обмену. Указанные особенности структуры и состава цеолита определили 2 основных направления

промышленного использования цеолитов.

1. Благодаря свойству поглощать или пропускать через кристаллический каркас молекулы других химических соединений, цеолит может использоваться как своеобразное молекулярное сито для разделения смеси газов и жидкостей.

2. Подвижность катионов и их способность к ионному обмену определяет высокие сорбционные свойства цеолитов на уровне так называемых “ионообменников”, которые в настоящее время широко используются.

Таким образом, основными областями, в которых широко применяются цеолиты являются нефтехимическая промышленность и сельское хозяйство. Кроме того эти минералы используются в производстве бумаги и картона, пищевых технологиях и др.

Результаты исследований

Исследования показали, что в строительной индустрии цеолиты можно использовать в качестве добавок в состав бетонов с целью уменьшения растрескивания, повышения морозостойкости, получения высокопрочных бетонов, в качестве известково-цеолитового вяжущего для автоклавных и безавтоклавных силикатных бетонов, в производстве силикатного кирпича.

Нерешенной ранее частью данной проблемы является использование цеолитов в производстве гипсовых вяжущих и изделий из них. Мотивируется это недостаточным объемом научных исследований в данной области.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.