Цеолиты – пористые и прочные алюмосиликатные кристаллы с очень сложной структурой, элементарный кирпичик которой содержит многие десятки атомов. Их поры правильной формы, соединяясь между собою через «окна», образуют внутри кристаллов правильную сеть сквозных каналов (галерей).

Рис.1. Поры синтетического цеолита типа A, образующие канал. Если к другим 8-членным «окнам» присоединить такие же фигуры, то получится трёхмерная система пересекающихся каналов – молекулярное сито, со сквозными калиброванными отверстиями, что благоприятно для тонкого разделения.

Нами рассмотрена физическая модель воздухоразделения в каналах цеолитов. Процесс селекции определяется тремя одновременно действующими механизмами: на входных «окнах» (1), при движении внутри цеолита (2) и более сильным квадрупольным взаимодействием молекул азота с катионами решётки цеолита (3). Все они работают в пользу кислорода, как пермеата (проходящего мембрану газа), что предполагает высокую степень разделения смеси. Меняя цеолиты и их состав, можно управлять этими механизмами.

Рис.2. Поверхность кристаллов цеолитов Y и NaA в наномасштабе, площадь «окон» составляет ~7% – Y и ~9,5% – NaA, диаметры окон, соответственно, –7,4Å и 4,2Å, (субнано).

Проблема создания цеолитовой мембраны заключается в том, что хорошую структуру имеют только чистые искусственные цеолиты, а они синтезируются в виде отдельных микрокристалликов, размерами ~1мкм, и не образуют плёнок.

• Квадрупольное взаимодействие – это особенность структуры молекулы азота, проявляющаяся внутри полости цеолита и сильный фактор селекции.

В начале 80-х годов нами была разработана технология получения поликристаллических монолитов из порошков цеолита Ж («окна» – 2,2Å) и производных от него рядов нестехиометрических содалитов, сохраняющая физические свойства исходных микрокристалликов. В то же время зарегистрированы патенты (перечисляешь страны) на саму технологию производства и сам материал в СССР, Японии, США, Англии, Италии, Франции, ФРГ и Швеции.

Рис. 3. Монолитная поликристаллическая пластинка цеолита Ж толщиной 0,3 мм: оптически прозрачна, плотность соответствует кристаллической, много лучше 99%, по механическим свойствам близка к стеклу, вибростойка, допускает механическую очистку и мойку, работоспособна во всём диапазоне температур, включая высокие, до предела стойкости цеолита, выдерживает высокие давления.

Наши работы с цеолитом Ж демонстрируют, что сложный алюмосиликатный каркас цеолитов способен перестраиваться с сохранением структуры, т. е. участвовать в рекристаллизационных процессах, когда происходит рост или уменьшение отдельных зёрен, с заполнением свободного пространства между ними и образованием прочных связей. Обнаружение рекристаллизационных процессов в столь сложных системах и возможность их активизации в реальном времени – это событие в экспериментальной минералогии. Это также означает, что существует принципиальная возможность получения плотных поликристаллических форм и для других цеолитов.

Предлагаемое решение: порошок цеолита, с подходящими для воздухоразделения каналами, прессуется так, чтобы возник стеклообразный, монолитный блок, со структурой исходных микрокристалликов. Далее блок режут на пластинки и используют их как мембраны.

Авторы: Р.А.Денисов, А.В.Чернышев, С.А.Якушев

Полную версию статьи вы можете скачать в присоединенном файле!