זאוליט

זאוליט

המבנה המולקולרי הנקבובי הזעיר של הזאוליט, ZSM-5

זאוליטים (מיוונית, "זאין"-לרתוח, "ליתוס"-אבן) הם קבוצה של מינרלים אלוּמוֹ־סיליקטיים במבנה תלת־ממדי הקרוי טקטוסיליקט (סיליקט במבנה מרחבי). מינרלים אלה בנויים מטטרהדרונים של SiO₄⁺⁴ הקשורים בכל ארבעת קדקודיהם לטטרהדרונים אחרים. בחלק מהטטרהדרונים מחליף אלומיניום את הצורן במרכז הטטרהדרון. מבנה דומה לזה של פצלת השדה, אלא שבזאוליטים המבנה יוצר חללים גדולים (במונחים מולקולריים) בין הטטרהדרונים. גודל החללים נע בין שניים לשמונה אנגסטרום. בחללים אלו מתיישבות בדרך כלל מולקולות של מים. המונח זאוליט נטבע ב-מאה ה-18 על ידי המינרלוג השוודי אקסל פרדריק קרונשטדט שהבחין שחימום מהיר של המינרל, שגרם למים שהיו בתוך הנקבוביות הזעירות להתאדות, גורם לאבנים להתנועע. קרונשטדט קרא למינרל זאוליט, קיצור של ביטוי ביוונית שמשמעו "אבן רותחת".

תיאור

צבע הזאוליטים הוא בדרך כלל לבן, אדמדם או חסר צבע. קשיותם בין 3.5 ל-5.5 בסולם מוס, ומשקלם הסגולי נמוך יחסית, 2.4-2.0 והוא נובע ממבנם הנקבובי.

בטבע נמצאו כ-48 סוגים של זאוליטים ובמעבדה הצליחו ליצור יותר מ-1,500 סוגים נוספים. הזאוליטים הם מינרלים סיליקטיים המכילים אלומיניום בעלי מבנה "פתוח" שיכול לספוח מגוון רחב של קטיונים של מתכות אלקליות ומתכות אלקליות עפרוריות כדוגמת Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ואחרים. יונים חיוביים אלה קשורים בקשר חלש ובתמיסה הם מתחלפים בנקל ביונים אחרים. בין הזאוליטים הנפוצים ביותר מצויים: אנלציט, חבזיט, היולנדיט, נתרוליט, פיליפסיט וסטילביט. נוסחת הנתרוליט לדוגמה היא : Na₂Al₂Si₃O₁₀-2H₂O.

הזאוליטים בנויים באחד משלושת סוגי המבנים הבאים:

• דמויי שרשרת שבו המינרלים יוצרים גבישים פריזמטיים דמוי מחט, למשל נתרוליט.
• דמויי יריעה, כדוגמת היולנדיט.
• בעלי שלד, כדוגמת החבזיט.

זאוליטים נבראו בששת ימי בראשית וכן הם עדיין נעשים בידי שמים כשסלעים געשיים ושכבות אפר געשי מגיבות למגע עם מי תהום אלקליים. זאוליטים התגבשו גם בשכבות סלעי משקע שהתרבדו בסביבה ימית רדודה, זמן רב מאוד לאחר יצירת השכבות. כמעט ולא ניתן למצוא זאוליטים טבעיים טהורים ובדרך כלל הם מזוהמים בדרגות שונות על ידי מינרלים אחרים, מתכות, קוורץ וזאוליטים אחרים. משום כך לא נעשה שימוש בזאוליטים טבעיים ביישומים מסחריים חשובים רבים שבהם אחידות וטוהר החומר הם הכרח.

זאוליטים הם החברים האלומו־סיליקטים בקבוצת המוצקים בעלי הנקבוביות הזערוריות המכונים "מסננות מולקולריות". המונח מסננת מולקולרית מתייחס לתכונה ייחודית של חומרים אלה, היכולת למיין מולקולות בצורה בררנית בהתבסס על תהליך ניפוי על פי גודל. תכונה זו מקורה במבנה הנקבובית המולקולרית שגודלה קבוע. הזאוליטים המועילים ביותר הם אלו שבהם החללים המולקולריים מתחברים ויוצרים תעלות. הגודל המקסימלי של מולקולות או יונים היכולים לחדור לנקבוביות של זאוליט נקבע על פי קוטר התעלות. מקובל לקבוע את גודל התעלות על פי גודל הטבעת של הפתח, כך למשל, המונח "טבעת8" מתייחס ללולאה סגורה הבנויה מ-8 טטרהדרונים שבמרכזם צורן (או אלומיניום) המוקפים אטומי של חמצן. טבעות אלו אינן תמיד שטוחות וסימטריות בצורה מושלמת בשל מגוון גורמים, כולל הלחץ המופעל על ידי הקשר בין יחידות הנדרשות ליצור את המבנה הכללי, או הקואורדינציה בין חלק מאטומי החמצן בטבעות לקטיונים שבתוך המבנה. משום כך פתחי הנקבוביות של כל הטבעות מגודל אחד אינם זהים.

מקורות למחצב

הזאוליטים הם מינרלים נפוצים וניתן למצאם בחללים שנבראו בסלעים וולקנים במקומות רבים בעולם. בארץ ישראל ניתן למצוא זאוליטים בסלעים וולקנים בגליל התחתון בכרמל ובמכתש רמון

את הזאוליטים הטבעיים כורים באמצעות טכניקות מקובלות של מכרה פתוח. על מנת להגיע אל המחצב מסלקים את שכבות האדמה והסלע שמעליו. את המחצב מרסקים באמצעות פיצוצים מבוקרים או באמצעות מחפרים וטרקטורים מצוידים ביעה אופני. בתהליך מרסקים את המחצב, מייבשים אותו וטוחנים אותו. המחצב הטחון מסווג בהתאם לגודל הגרגירים ומשונע בשקים או בצובר. לעיתים מסננים את החומר המרוסק על מנת לסלק גרגרים דקים מדי כשנדרש חומר גרגירי, ומוצרים מסוימים הבנויים ככדוריות קטנות מיוצרים מהחומר דק הגרגיר. היצרנים יכולים לשנות את תכונות הזאוליטים או לערב את מוצרי הזאוליטים עם חומרים אחרים לפני המכירה על מנת לשפר את ביצועיהם.

הייצור העולמי של זאוליטים טבעיים עומד על 4 מיליון טון. מתוך כמות זו כ-2.6 מיליון טון משונעים לשוקי סין לשם שימוש בתעשיית המלט. היצרנים המובילים בתחום הזאוליטים הטבעיים נמצאים במזרח אירופה במערב אירופה, באוסטרליה ובאסיה. לשם השוואה רק 57,400 טון של זאוליטים טבעיים (כ-1% מכלל הייצור העולמי) מיוצרים באמריקה הצפונית. רק לאחרונה הבינו באמריקה הצפונית את הפוטנציאל הגלום בחומר לשווקים הנוכחיים והעתידיים.

קיימים מספר סוגים של זאוליטים סינתטיים המיוצרים בתהליך של התגבשות איטית של ג'ל סיליקה-אלומינה בנוכחות בסיסים אלקליים בתבניות אורגניות.

לזאוליטים סינתטיים יש מספר יתרונות משמעותיים על אלה שנבראו בידי שמים.

• את החומר הסינתטי ניתן לייצר בצורה אחידה וטהורה.
• ניתן לייצר זאוליטים במבנים שאינם מופיעים בטבע. דוגמה ידועה לכך הוא זאוליט A.
• מכיוון שחומרי הגלם העיקריים לייצור זאוליטים הם סיליקה ואלומינה, שהם בין התרכובות המצויות בשפע על כדור הארץ, הפוטנציאל לייצור זאוליטים הם למעשה בלתי מוגבל.
• תהליכי ייצור זאוליטים דורשים הרבה פחות זמן מה-50 עד 50,000 שנים הנדרשים בטבע לייצור זאוליטים.

החסרון הוא חוסר היכולת כיום ליצור גבישים בממדים דומים לאלו הנוצרים בזאוליטים הטבעיים. דרך אחת להתגבר על מגבלה זו היא לגדל את גבישי הזאוליט במצב של אפס כבידה (חוסר משקל). דרך זו נוסתה בתחנת החלל הבינלאומית.

שימושים

• שימושים ביתיים - בזאוליטים נעשה שימוש נרחב במצעים מחליפי יונים במערכות ריכוך או טיהור מים ביתיים ומסחריים כדוגמת המסנן המצוי במכלים של חברת בריטה, או המסנן לאקווריום של דגי נוי. הצרכן הגדול ביותר של זאוליטים סינתטיים הוא שוק אבקות הכביסה. על פי נתוני 1992 נרכשו על ידי היצרנים כ-1.44 מיליון טון של זאוליט A כל שנה.
• כימיה – הזאוליטים משמשים כמסננת מולקולרית להפרדת מולקולות (רק מולקולות בגדלים וצורות מסוימים יכולים לעבור).
• פטרוכימיה - בתהליכי יצור בתעשייה הפטרוכימית נעשה שימוש נרחב בזאוליטים כזרזים.
• חקלאות – זאוליטים משמשים כתוסף מזון למספוא של חיות משק והם מסייעים בספיגת רעלנים העלולים להימצא במזון.

בקלינופטילוליט (זאוליט טבעי) נעשה שימוש בהשבחת קרקעות. הזאוליט משמש כמקור לשחרור איטי של אשלגן. אם טענו את הזאוליט באמוניום (⁺NH₄), יכול הזאוליט לשמש בתפקוד דומה בכך שהוא משחרר חנקן לקרקע באיטיות. מחקרים בקובה בתחום החדש הקרוי "זאופוניקה" הראו כי ניתן לגדל יבולים מסוימים ב-100% זאוליט או תערובת של זאוליט שבהם נטען או צופה הזאוליט קודם לכן בדשן וביסודות קורט.

• רפואה - מערכות לייצור חמצן המבוססות על זאוליטים נמצאות בשימוש נרחב על מנת לייצר חמצן באיכות הנדרשת ברפואה. בזאוליט נעשה שימוש כמסננת מולקולרית המחלצת חמצן מהאוויר בתהליך בו בולע הזאוליט את החנקן שבאוויר.

כמו כן נבדקת האפשרות להשתמש בזאוליטים על מנת לעצור במהירות דימומים חריפים כחומר המופץ תחת שם המותג "קוויקלוט" (QuikClot) או "המוֹסוֹרְב" (Hemosorb). היצרן טוען שאם שופכים את החומר, שאינו פעיל ביולוגית או בוטאנית, ישירות על הפצע הוא מסוגל לעצור דימום מסיבי כמעט מיד.

• קירור וחימום - ניתן להשתמש בזאוליטים כקולטי שמש ובקירור בספיחה. ביישומים אלו מנצלים את יכולת ספיחת החום הגבוהה של הזאוליטים ואת יכולתם לספוח ולפלוט מים תוך כדי שימור יציבות המבנה הפנימי שלהם. יכולת היגרוסקופית זו בתוספת לתגובה האקסותרמית המתרחשת כאשר הזאוליטים עוברים ממצב מיובש למצב ממוים (ספיחת חום), הופכים את הזאוליטים הטבעיים ליעילים באחסון אנרגיית חום, סולרית או עודפת.
• בניה - זאוליט סינתטי משמש גם כתוסף בתהליך הייצור של אספלט בתערובת חמימה (בניגוד לאספלט בתערובת חמה). פיתוח השיטה החל בגרמניה בשנות ה-90 וזכה להתעניינות ציבורית ניכרת בעולם משום שהוספת הזאוליטים לתערובת מאפשרת להשתמש בטמפרטורה נמוכה יותר של התערובת בזמן יצור והנחת האספלט, עקב כך נחסך שימוש בדלק. מעבר לחסכון הכספי, התהליך מקטין את פליטת גזי החממה.
• אבני חן - תומסוניט הוא סוג של זאוליט המשמש כאבן חן ונאסף מאזורים בהם היו זרמי לבה לאורך ימת סופריור במינסוטה ובמישיגן. גושים קטנים של תומסוניט מאזורים אלה הם תוצאה של בליה של בזלת משטפי הלבה ונוהגם לאספם על החופים ועל ידי צוללים בימת סופריור.

לגושי תומסוניט אלו יש טבעות קונצנטריות במגוון צבעים, שחור, לבן, כתום, ורוד, אדום וגוונים רבים של ירוק. כמה מהגושים כוללים נחושת ולעיתים רחוקות יימצאו עם "עיני" נחושת. לאחר ליטוש התומסוניט על ידי אמן אבני חן מופיעה לעיתים תופעת "עין החתול" (Chatoyancy – הבזק אור בדמות אישון עין החתול המופיע לאורך האבן המלוטשת).

• שימושים עתידיים - לזאוליטים יש את היכולת לבצע הפרדה בררנית ומדויקת של גזים כולל סילוק של מים, פחמן דו-חמצני וגופרית דו-חמצנית ממקורות של גז טבעי, זאוליטים גם מסוגלים לבצע הפרדה של גזים אצילים, N₂, פראון ופורמאלדהיד. עם זאת טרם נבדקה יכולת זו באופן מעשי.

קישורים חיצוניים

• יצרן זאוליטים סינתטיים
• תמונות ותאורים של זאוליטים
• מאגר נתונים של מבני זאוליטים
• האגדוה הבריטית לזאוליטים
• הסקר הגאולוגי האמריקני, מקורות על זאוליטים
• תומסוניט כאבן חן