Ζεόλιθος: Η πέτρα που «βράζει». Zeolite: The stone that "boils"

In 1756, Cronstedt made an astonishing dicovery: while heating a sample of the mineral stilbite, it became covered in bubbles at around 150 °C, as if the stone were boiling. Hence the name given to this mineral: "zeolite", from the Greek zeo (to boil) and lithos (stone).

Καθαρίζει το νερό, βελτιώνει τα τρόφιμα, τα χωράφια και τη βενζίνη, ενισχύει τα απορρυπαντικά. Δεν είναι κάποια μαγική ουσία, είναι ο ζεόλιθος, ένα ορυκτό που υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες και στην Ελλάδα.

Η πέτρα που «βράζει»

Οι εσωτερικές κοιλότητες των ζεολίθων είναι αυτές που τους χαρίζουν τις ξεχωριστές τους ιδιότητες . In 1930, Taylor and Pauling used X-ray diffraction to study the first zeolite crystals and revealed that, at an atomic level, these minerals are made up of a nano-porous matrix. Stilbite is a sodium calcium aluminium silicate that can hydrate or dehydrate in a reversible manner, according to the temperature. Water is trapped within the cavities of the structure.

Η πρώτη παρατήρηση μιας «πέτρας» που κατά τη θέρμανση «έβραζε» παράγοντας υδρατμούς έγινε το 1756 από τον σουηδό ορυκτολόγο Axel Cronstedt, στον οποίο οφείλεται και η ταιριαστή αρχαιοπρεπής ονομασία ζεόλιθος (η πέτρα που βράζει). Από τότε αρκετά παρόμοια ορυκτά βρέθηκαν σε ηφαιστειογενείς περιοχές, σε μεγάλη ποικιλία χρωμάτων και σχημάτων. 

Η δημιουργία τους αποδίδεται στην αντίδραση ενός αργιλοπυριτικού πετρώματος, του οψιδιανού, με το θαλασσινό νερό, σε θερμοκρασία γύρω στους 50 ^οC. Πρόκειται για μια βραδεία διαδικασία που για να ολοκληρωθεί απαιτούνται πολλά χρόνια, από 50 ως 50.000. 

Για καιρό οι ζεόλιθοι αποτελούσαν μια αξιοπερίεργη οικογένεια ορυκτών χωρίς καμία προφανή χρησιμότητα. Έπρεπε να περάσουν πάνω από δύο αιώνες από την ανακάλυψή τους ώσπου να αρχίσει η συστηματική μελέτη των ιδιοτήτων τους και η αξιοποίησή τους σε μια πληθώρα εφαρμογών.

The microporous molecular structure of a zeolite, ZSM-5.

Η δομική μονάδα των ζεόλιθων είναι ένα περιοδικό πλέγμα ατόμων πυριτίου που περιβάλλονται από τέσσερα άτομα οξυγόνου έτσι ώστε να σχηματίζονται τετράεδρα όπως στην καθαρή μορφή του διοξειδίου του πυριτίου, τον χαλαζία. Η διαφορά είναι ότι στους ζεόλιθους μερικά άτομα πυριτίου έχουν αντικατασταθεί από άτομα αλουμινίου, τα οποία έχουν ένα ηλεκτρόνιο λιγότερο από το πυρίτιο. Για να διατηρηθεί λοιπόν η δομή των τετραέδρων χρειάζεται ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο αυτό το συνεισφέρει ένα άτομο νατρίου, το οποίο έτσι καθίσταται θετικά φορτισμένο και «εγκαθίσταται» μέσα στο αρχικό πλέγμα. Τα παραλλαγμένα έτσι τετράεδρα των ζεόλιθων διευθετούνται με ποικίλους τρόπους σε κυκλικές διατάξεις σχηματίζοντας κοιλότητες (πόρους) σε μια ποικιλία διαμέτρων και γεωμετρίας. Στις κοιλότητες αυτές παγιδεύονται ένα ή περισσότερα μόρια νερού, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται ένυδρα μόρια, όπου το νερό δεν βρίσκεται σε συγκεκριμένη αναλογία. Λόγω της πορώδους δομής τους οι ζεόλιθοι μοιάζουν με σφουγγάρια αλλά έχουν μηχανική αντοχή και σκληρότητα ανόργανων υλικών. Θα έλεγε κανείς ότι μοιάζουν με ελαφρόπετρα, μόνο που οι κοιλότητες του ζεόλιθου είναι χιλιάδες φορές μικρότερες από τις κοιλότητες της ελαφρόπετρας.

«Παγίδα» ανεπιθύμητων μορίων

Οι ζεόλιθοι αποκαλούνται και «μοριακά κόσκινα» επειδή μέσω αυτών μπορούμε να «κοσκινίσουμε ανάποδα» ένα μείγμα μορίων: τα μικρότερα μόρια συγκρατούνται στις κοιλότητες των ζεόλιθων, ενώ τα μεγαλύτερα διέρχονται ελεύθερα.

Έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθούν ως αφυγραντικά μέσα για την απομάκρυνση της υγρασίας π.χ. από το φυσικό αέριο. Επίσης συγκρατούν διάφορες αέριες ουσίες από βιομηχανικά απόβλητα δρώντας σαν αποσμητικά φίλτρα. Επειδή μάλιστα είναι τελείως αβλαβείς, προστίθενται σε ζωοτροφές για να δεσμεύουν τοξικές ουσίες μικρής μοριακής μάζας.

Οι ζεόλιθοι χρησιμοποιούνται και στα ενυδρεία για τη συγκράτηση της αμμωνίας που παράγουν τα ψάρια.

Οι ζεόλιθοι διατηρούν την ικανότητα δέσμευσης μικρών μορίων ακόμη και μέσα στο νερό. Γι' αυτό τοποθετούνται στα ενυδρεία για να συγκρατούν την αμμωνία που παράγεται από τον μεταβολισμό των ψαριών. Η ευκολία εισόδου ουσιών συνοδεύεται και από σχετική ευκολία εξόδου, με θέρμανση ή μεταβολή της πίεσης, οπότε οι ζεόλιθοι «αδειάζουν» και μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν.

Ελληνικός Ζεόλιθος. Ο ελληνικός φυσικός ζεόλιθος έχει την ικανότητα δέσμευσης βακτηρίων, αερίων, ανόργανων, οργανικών και οργανομεταλλικών ενώσεων, ρυθμίζει προς το ουδέτερο το ph των υδάτων και εμπλουτίζει τα ύδατα με οξυγόνο. Η ορυκτολογική σύσταση και οι φυσικοχημικές ιδιότητες καθιστούν τον ελληνικό φυσικό ζεόλιθο το καταλληλότερο υλικό για πολυάριθμες και πολύμορφες περιβαλλοντικές, βιομηχανικές, κτηνοτροφικές και αγροτικές εφαρμογές.

Ο ζεόλιθος με τις καλύτερες ιδιότητες είναι ο κλινοπτιλόλιθος ή ευλανδίτης, που δεσμεύει βακτήρια, μύκητες, αέρια, ανόργανες, οργανικές και οργανομεταλλικές ενώσεις και ρυθμίζει προς το ουδέτερο τα όξινα και αλκαλικά εδάφη. Στην Ελλάδα υπάρχει κλινοπτιλόλιθος πολύ καλής ποιότητας και σε μεγάλες ποσότητες στον Νομό 'Εβρου.

Πολύτιμοι στη βιομηχανία

Η κατεργασία με ζεόλιθο μετατρέπει τα κόκκινα απόβλητα ενός βαφείου (αριστερά) σε διαυγές νερό (δεξιά) και έγχρωμη αδρανή λάσπη (κέντρο). Φωτογραφία: ΑΠΘ

Οι εφαρμογές των ζεόλιθων στηρίζονται στην ιδιότητά τους να ευνοούν ορισμένες χημικές αντιδράσεις (δράση που ονομάζεται κατάλυση) και στην ιδιότητά τους να κατακρατούν επιλεκτικά ορισμένα μόρια (δράση που ονομάζεται προσρόφηση). Η κυριότερη χρήση των ζεόλιθων είναι στη βιομηχανία των καυσίμων και των απορρυπαντικών. Στη βιομηχανία των καυσίμων εκμεταλλευόμαστε τις καταλυτικές ιδιότητες των ζεόλιθων για να παρασκευάσουμε βενζίνη από ορυκτέλαια, με μια διαδικασία που ονομάζεται cracking, καθώς και για να παρασκευάσουμε βενζίνη υψηλού βαθμού οκτανίου από βενζίνη χαμηλού βαθμού οκτανίου. Στη βιομηχανία των απορρυπαντικών, όπου καταναλίσκονται και οι μεγαλύτερες ποσότητες ζεόλιθων, εκμεταλλευόμαστε την ιδιότητά τους να προσροφούν ιόντα ασβεστίου αποδίδοντας ιόντα νατρίου, με αποτέλεσμα να αποσκληρύνεται το νερό του πλυσίματος. Παλαιότερα τον ρόλο αυτόν έπαιζαν τα φωσφορικά άλατα, τα οποία όμως στη συνέχεια κατέληγαν στη θάλασσα ρυπαίνοντας το περιβάλλον, καθώς δημιουργούσαν συνθήκες ευτροφισμού, δηλαδή υπέρμετρης ανάπτυξης μικροσκοπικών φυτικών οργανισμών λόγω της υψηλής περιεκτικότητας του νερού σε θρεπτικά συστατικά. Οι ζεόλιθοι δεν δημιουργούν τέτοιου είδους προβλήματα.

Άλλες χρήσεις των ζεόλιθων είναι στην κατασκευή καταλυτών αυτοκινήτων, όπου συντελούν στην κατακράτηση και εξουδετέρωση του νιτρικού οξειδίου (ΝΟ), και στην παραγωγή οξυγόνου για ιατρική χρήση μέσω της επιλεκτικής προσρόφησης του αζώτου της ατμόσφαιρας. Τέλος, έχουν παρασκευαστεί συνθετικά ζεόλιθοι με εξειδικευμένες ιδιότητες, όπως π.χ. ένας τεχνητός ζεόλιθος με μορφή μεμβράνης, ο οποίος «παγιδεύει» το διοξείδιο του άνθρακα από τα καυσαέρια θερμικών μονάδων παραγωγής ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η έκλυση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα και η συνεπαγόμενη ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου.

Χρήσεις στη γεωργία και την κατεργασία λυμάτων

Το δεντρολίβανο στη γλάστρα με τον ζεόλιθο (αριστερά) αναπτύσσεται πολύ καλύτερα από ό,τι αυτό στο απλό χώμα (δεξιά).

Οι προσροφητικές ιδιότητες των ζεόλιθων βρίσκουν ακόμη εφαρμογές στη γεωργία, όπου χρησιμοποιούνται ως βελτιωτικά του εδάφους, επειδή συγκρατούν τα θρεπτικά συστατικά των φυτών, ιδιαιτέρως την αμμωνία και το κάλιο. Έτσι αυτά δεν παρασύρονται από τα νερά των βροχών, με αποτέλεσμα τη μείωση της χρήσης λιπασμάτων και την αύξηση της παραγωγής. Επιπροσθέτως, γίνεται οικονομία στην άρδευση, αφού τα ριζικά τριχίδια  είναι σε θέση να αντλήσουν το νερό από το εσωτερικό των ζεόλιθων, η προσθήκη των οποίων γίνεται μία μόνο φορά, εφόσον δεν είναι αναλώσιμοι.

Τέλος, αξιοσημείωτη είναι η προτεινόμενη χρήση των ζεόλιθων στην κατεργασία των βιομηχανικών υγρών αποβλήτων, καθώς και των αστικών λυμάτων. Σε αυτές τις εφαρμογές εκμεταλλευόμαστε τις ισχυρές προσροφητικές ιδιότητες των ζεόλιθων για τη δέσμευση των ρυπαντών και την εν συνεχεία ασφαλή εναπόθεσή τους με την παράλληλη παραγωγή καθαρού νερού. Στον τομέα αυτόν σημαντικά αποτελέσματα έχει να επιδείξει η ερευνητική ομάδα του Εργαστηρίου Γεωχημείας του Τμήματος Γεωλογίας του ΑΠΘ, με επικεφαλής τον καθηγητή Ανέστη Φιλιππίδη. Στα πειράματα της ομάδας χρησιμοποιήθηκε ελληνικός ζεόλιθος από τα εκτενή κοιτάσματα του Έβρου.

Πηγή: ΤΟ ΒΗΜΑ

Zéolithe: Articles & Analyses:
http://www.lygeros.org/section.php?name=Zeolithe