Statybinių medžiagų modifikavimui kuriamos naujos medžiagos-priedai, keičiantys tiek fizikines-mechanines, tiek chemines medžiagų ir gaminių savybes. Yra posakis: „nauja tai seniai pamiršta sena“. Jį galima pritaikyti ceolitui. Jau prieš 3000 metų, graikų ir romėnų laikotarpiais, gamtiniai ceolitai (vulkaniniai pelenai, tufai ir trasai) buvo naudojami įvairiems tikslams statybose. Šiandien vienas populiariausių ceolitų pritaikymo būdų – jo panaudojimas statybos pramonėje.
Į Lietuvą – iš svetur
Kinijoje, kuri kasmet sunaudoja 7 mln. tonų ceolito, apie 80 proc. šio kiekio panaudojama statybinių medžiagų gamybai. Pagrindinės kryptys, kuriomis vyksta statybinių medžiagų su gamtiniais ceolitais gamyba, yra rišamosios medžiagos, betonai, hidroizoliacinės medžiagos, neautoklaviniai silikatiniai gaminiai. Ceolitų populiarumą lemia mažos jų gavybos ir apdirbimo sąnaudos, paprastas panaudojimas, maža pardavimo kaina. Plačiausiai ceolitą naudoja Kinija – 71,50, Pietų Korėja – 8,20, Japonija – 5,40, Turkija – 3,60, Slovakija – 3,01, Jungtinės Amerikos Valstijos – 2,89, kitos šalys (Jordanija, Kuba, Rusija ir kt.) – 5,40 procento.
Lietuvoje ceolitai statybos pramonėje yra naudojami labai ribotai, pagrindinė to priežastis – šio mineralo Lietuvoje nėra, o atvežimas iš Slovakijos ar Ukrainos didina jo kainą. Vilniaus Gedimino technikos universiteto mokslininkai, bendradarbiaudami su verslu, bando įrodyti šio mineralo naudą, modifikuojant statybines medžiagas tiek natūraliais ceolitais, tiek sintetiniais.
Ceolitas išvertus iš graikų kalbos reiškia verdantį akmenį. „Zeo“ – virinti, „lithos“ – akmuo. Tai ekologiškai švari, inertinė ir netoksiška medžiaga, tinkama naudoti daugelyje pramonės, žemės ūkio, buities, aplinkosaugos sričių, šalinant ekologinių katastrofų padarinius. Ceolitas pirmą kartą buvo paminėtas švedų minerologo Alexo Fredriko Cronstedto 1756 metais. Nuo tada ceolitas buvo pripažintas kaip atskira mineralų grupė. Ilgą laiką į ceolitus buvo žiūrėta kaip į retus mineralus, kadangi nebuvo aptikta didesnių jų radaviečių, todėl ir neturinčių praktinio pritaikymo. Tačiau netrukus paaiškėjo, kad ceolitai yra vieni vertingiausių mineralų pramonėje.
Pasaulio mokslininkų nuomone, ceolitai šiuo metu yra vieni perspektyviausių mineralų. Jie savo struktūroje turi griežtai apibrėžtų dydžių porų (kanalų) ir vidaus ertmių. Jos yra pralaidžios dideliems katijonams, tokiems kaip natrio, kalio, bario, kalcio ir kitoms, palyginti didelėms molekulėms ir jonų grupėms, pavyzdžiui, vandens molekulėms, amonio, karbonatų ir nitratų jonams. Šie kanalai leidžia jonams ir molekulėms lengvai patekti į ceolito struktūrą ir iš jos pasišalinti, todėl ceolitai dažnai naudojami tirpaluose esančių molekulių arba jonų suskirstymui pagal dydį. Dėl savo unikalių savybių (kristalinės gardelės ypatumų, cheminės sudėties, didelės jonų mainų talpos (iki 2 mg-ekv/g), molekulinio sieto ir katalitinės funkcijos) gamtiniai ceolitai plačiai naudojami visame pasaulyje pritaikant įvairiose pramonės srityse (chemijos, farmacijos, žemės ūkio ir t. t.). Viena populiariausių ceolitų pritaikymo sričių – statybos pramonė.
Ceolitų SEM nuotraukos: a) MCM-22 ceolitas; b) A modifikacijos ceolitas; c) erionitas; d) X modifikacijos ceolitas; e) ZSM-5 modifikacijos ceolitas; f) klinoptilolitas.
Siekiant gauti užtikrintų ir geresnių fizikinių-mechaninių, cheminių savybių statybines medžiagas, ceolitus bandoma sintetinti. Sintetiniai ceolitai dažniau naudojami nei gamtiniai, nes yra chemiškai švaresni, jų dalelės vienodesnės. 1862 m. pirmą kartą buvo bandyta sintetinti ceolitą imituojant geologines sąlygas, pagal kurias ceolitai formavosi gamtoje.
Ceolitai – kelių rūšių
1950 m. kompanijoje „Union Carbide“ atliktas ceolito sintetinimas žematemperatūriu režimu iki 100 °C, naudojant šarminių metalų aliumosilikatų gelius. 1960 m. M. R. Barrer ir 1961 m. Denny buvo pirmieji, atlikę ceolitų sintezę, naudodami organinius katijonus vietoj šarminių metalų katijonų. 1962 m. kompanija „Mobil Oil“ užpatentavo sintetinį ceolitą ZSM-5 ir sintetinį ceolitą X, kuris naudojamas naftos produktų kataliziniame krekinge. 1978 m. Grose ir Flanigenas pirmieji užpatentavo ceolito sintetinimą.
Asociacijos (angl. International Zeolite Association) duomenų bazės duomenimis, naujai sintetinamų ceolitų skaičius sparčiai didėja: nuo 1970 m. iki šiandien yra žinoma ne mažiau kaip 213 sintetinių ceolitų. Nereikėtų pamiršti, kad sintetiniai ceolitai yra gaunami iš gamybos atliekų, o tai šiandien labai aktualu. Vieni žinomiausių sintetinių ceolitų – A, X, Y, L, ZSM-5, Ω modifikacijos.
Gamtiniai ceolitai pagal kilmę skirstomi į nuosėdinius ir vulkaninius. Nuosėdinės kilmės ceolitai paprastai pasižymi dideliu priemaišų ir mažesniu ceolitinės uolienos kiekiu. Šiems ceolitams būdingas mažas kietumas ir didelis dilumas. Jų pritaikymo galimybės pramonėje yra mažesnes nei vulkanines kilmės ceolitų. Vulkaninės kilmės ceolitai turi didelį kiekį ceolitinių uolienų, taip pat aukštus stiprumo rodiklius.
Gamtiniai ceolitai yra skaidrių, bespalvių kristalų pavidalo, o pagal savo sudėtį gali priklausyti bet kuriai kristalografinei sistemai. Jų dydis gali būti nuo kelių centimetrų iki keleto kilometrų. Pagal mineralinę kietumo skalę jų kietumas kinta nuo 3 iki 5, o tankis nuo 1800 iki 2250 kg/m3. Labiausiai paplitę natūralūs ceolitai yra klinoptilolitas, modernitas, heulanditas. Paprastai gamtiniuose ceolituose, be pagrindinio ceolito mineralo, sutinkami ir lydintys mineralai (smėlis, kvarcas, molio mineralai). Pagrindinio ceolito mineralo kiekis yra vienas pagrindinių rodiklių vertinant ceolitinių uolienų grynumą ir kokybę. Gamtoje ceolitai formuojasi sąlyginai neaukštose temperatūrose (iki 250–300 °C) ir esant slėgiui iki kelių tūkstančių atmosferų. Tarp gamtinių ceolitų ypač vertinamas analcimas, kuris formuojasi iš mažai silicio turinčios šarminės magmos aukštesnėje nei 600 °C temperatūroje. Jo randama Užkaukazėje, Kamčiatkoje, Naujojoje Zelandijoje, Japonijoje, Jungtinėse Amerikos Valstijose, Islandijoje.
Privalumai akivaizdūs
Dėl unikalios porų struktūros gamtiniai ceolitai yra puikūs sorbentai daugeliui neorganinių ir organinių medžiagų. Ceolitai į sorbcinius kanalus gali prasiskverbti tik į tas molekules, kurių dydis neviršija sorbcinių kanalų dydžio (t. y. nuo 2 iki 9 angstremų). Gamtiniai ceolitai turi aukštą selektyvumą dideliems katijonams, geba sulaikyti vandenį, sunkiųjų metalų junginius ir radionuklidus, prailginti maistinių medžiagų, esančių trąšose, pašaruose ir vaistuose, veikimą. Taip pat dideliu privalumu laikomas jų gebėjimas regeneruotis, dėl ko juos galima naudoti daugiacikliuose režimuose.
Ceolitų privalumai: taisyklinga struktūra, didelis vidinis savitasis paviršius (apie 600–800 m2/g), vienodo dydžio poros, geras terminis stabilumas. Tokia struktūra lemia nemažai naudingų savybių, dėl kurių ceolitai yra taikomi pramonėje:
• adsorbcinių – efektyviai absorbuoja įvairias medžiagas iš dujų mišinių ir tirpalų, sunkiuosius metalus iš vandeninių tirpalų ir grunto;
• katijonitinių – silpnai prijungti katijonai vidiniuose porų ir atvirų kanalų paviršiuose gali būti pakeičiami kitais katijonais;
• katalitinių – kristalinės gardelės porose esančių molekulių aktyvacijos energija kai kuriose reakcijose mažėja.
Ceolitai pasižymi dideliu sorbcijos greičiu, dažnai naudojami tirpaluose esančioms molekulėms arba jonams suskirstyti pagal jų dydį. Vienas svarbiausių veiksnių, lemiančių sorbentų naudojimą, yra kaina. Pigiausi yra sorbentai, kurių arba reikia mažai, arba jų gausu gamtoje. Bene geriausiai tokius reikalavimus atitinka ceolitai. Ceolitų regeneracija taip pat yra svarbi jų savybė. Kaitinant ceolitus iki santykinai aukštos temperatūros (400–450 °C), galima grįžtamai pašalinti adsorbuotą vandenį, nesuardant karkaso.
Statybos pramonėje plačiai naudojami tiek gamtiniai (klinoptilolitas, mordenitas, filipsitas, ernonitas, šabazitas, ir kt.), tiek specialiai kuriami sintetiniai (A, X, Y, L, ZSM-5 ir kt.) ceolitai.
Cementinio mišinio torkretavimas.
Dar neseniai jie buvo naudojami kaip mažo tankio izoliacinės medžiagos, kaip priedai pucolaninio cemento ir hidraulinių cementų, atsparių cheminiam poveikiui, gamyboje.
Pastaruoju metu ceolitus sėkmingai naudoja branduolinės energetikos statiniuose, kadangi jie yra atsparūs degradacijai ir pigesni nei specialiosios dervos. Ceolitai greitai reaguoja su cementu ir stiklu, taip sukurdami tvirtesnes betonines saugyklas, skirtas radioaktyviosioms medžiagoms. Platesnį ceolito naudojimą lemia vietinės sąlygos ir išlaidos.
Labiausiai ceolitus statybinėje pramonėje naudoja gaminant:
• didelio stiprumo betonus;
• silikatines plytas;
• sausuosius mišinius ir specialius drėgmę sugeriančius tinkus.
Taip pat ne mažiau populiaru naudoti ceolitus:
• cemento taupymo tikslais ir siekiant sumažinti betono trūkinėjimą;
• cemento tešlos rišimosi greitiklį;
• mišinių savitojo paviršiaus didinimui;
• padidinti cemento markę per 30–40 vienetų;
• gaminamo cemento markei padidinti;
• kaip užpildus, užtikrinančius mišinių nesusigulėjimą;
• kaip kalkių – ceolito rišiklio komponentą gaminant autoklavinius ir ne autoklavinius silikatbetonius;
• kaip gipso-cemento-pucolaninio rišiklio komponentą betono gaminiuose.
Lietuvoje pucolaninių medžiagų pasirinkimas nedidelis, jų panaudojimas statybinėse medžiagose nėra paplitęs, tačiau tokių medžiagų pritaikymas turi akivaizdžią naudą. Ekologiškai švarios ceolito uolienos gali būti sėkmingai naudojamos aukštos kokybės statybiniuose gaminiuose vystant statybos sektorių Lietuvoje.
RĖMĖJO TURINYS
