زئولیت
خاصیت تبادل کاتیونی CEC

کاتیون‌های قابل تبادل یک زئولیت، کاتیون‌هایی هستند که به‌طور سستی با چهار چوب چهار وجهی پیوند شده و حفظ می‌گردند و به آسانی می‌توانند توسط شستن زئولیت با محلولی قوی از کاتیونی دیگر برداشته شده و مبادله گردند. در هر حال، زئولیت‌های بلوری از جمله مؤثرترین و شناخته شده‌ترین مبادله‌کننده‌های کاتیونی بوده و ظرفیت آن‌ها به‌طور معمول ۴–۳ میلی اکی والان در گرم است.
ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) یک زئولیت اساساً تابعی از درجه جایگزینی Al3+ و Fe3+ به جای Si4+ در چندوجهی‌های چهار چوب آن زئولیت است و هرچه درجه جایگزینی بیش‌تر باشد، کاتیون‌های قلیایی و قلیایی خاکی بیش‌تری لازم است تا از نظر الکتریکی خنثی شود؛ و هرچه نسبت سیلیسیم به آلومینیوم بیش‌تر باشد، ظرفیت تبادل کاتیونی پایین‌تر خواهد بود و بالعکس.
در عمل رفتار تبادل یونی یک زئولیت به عوامل دیگری نیز بستگی دارد که عوامل زیر از آن جمله هستند:
- ناصاف بودن چهار چوب (شکل و ابعاد کانال‌ها)
- اندازه و شکل یون‌ها (قدرت قطبی بودن)
- تراکم بار الکتریکی در کانال‌ها و حفره‌ها
- ظرفیت بار منفی بودن و تراکم آن
- ترکیب و غلظت الکترولیت در محلول خارجی
تعداد کانال‌ها و ترتیب قرار گرفتن آن‌ها، خاصیت جابجایی کاتیونی در یک زئولیت خاص را تعیین می‌کند. کاتیون‌ها از درون زئولیت‌های دارای سیستم کانالی سه بعدی سریعتر از زئولیت‌های دارای سیستم کانالی یک یا دو بعدی انتقال می‌یابند.
قرار گرفتن یا نگرفتن کاتیون خاص در درون چهار چوب قفس مانند زئولیت‌ها به اندازه یون و ابعاد کانال‌های زئولیت بستگی دارد. برای مثال، قطر مؤثر کانال آنالیسم حدود ۲۸/۰ نانومتر است و تقریباً به‌طور کامل Na+ را با Rb+ (با شعاع یونی ۱۴۹/۰ نانومتر) مبادله می‌کند، ولی به‌طور کلی با یون سزیم (با شعاع یونی ۱۶۵/۰ نانومتر) مبادله نمی‌کند. چون اندازه یون سزیم برای عبور از میان کانال‌های ساختمانی آن خیلی بزرگ است.
برخلاف اغلب مبادله‌کننده‌های یونی غیر بلوری، از قبیل رزین‌های آلی و ژن‌های غیر آلی آلومینوسیلیکات (که به اشتباه در تجارت زئولیت نامیده می‌شوند)، زئولیت‌های بلوری خاصیت انتخاب‌کنندگی بالایی برای یون‌های رقابت‌کننده نشان می‌دهند. مولکول‌های آب احاطه‌کننده کاتیون‌ها با میدان عمل قوی، از دسترسی نزدیک آن‌ها به میدان بار در چهار چوب زئولیت جلوگیری کرده، بنابراین زئولیت خاصیت انتخاب‌کنندگی کم‌تری برای این یون‌ها نشان می‌دهد. برعکس، کاتیون‌ها با میدان عمل ضعیف به‌طور انتخابی توسط اغلب زئولیت‌ها از محلول برداشته شده و به‌طور محکم‌تری نگهداری می‌گردند و زئولیت به‌طور انتخابی این کاتیون را با کاتیون‌های دیگر مبادله می‌کند. زئولیت‌های دارای نسبت سیلیسیم به آلومینیوم بالا (برای مثال ۳ تا ۵) که در آن‌ها میدان بار کمی در چهار چوب وجود دارد، خاصیت انتخابی قابل توجهی به کاتیون‌های تک ظرفیتی در مقایسه با دو ظرفیتی نشان می‌دهند. درحالی‌که زئولیت‌های با نسبت پایین‌تر سیلیسیم به آلومینیوم و دارای میدان بار بیش‌تر و به هم نزدیک تر، خاصیت انتخابی بسیار بالایی برای کاتیون‌های دو ظرفیتی در مقایسه با یک ظرفیتی دارند. به‌طور کلی زئولیت‌ها به هیچ میزانی قدرت تبادل آنیونی ندارند.
زئولیت‌های طبیعی کلینوپتیلولیت به دلیل تعداد Al کم (نسبت Si به Al حدود ۵/۴ تا ۵) در ساختمان خود دارای ظرفیت تبادل یونی حدود ۳/۲ میلی اکی والان در گرم می‌باشد و ترتیب انتخاب‌کنندگی آن برای جابجایی کاتیون‌های مختلف به صورت زیر است.
Cs> Rb> NH4> Ba> Sr> Ca> Fe> Al> Mg> Li
از خاصیت انتخاب‌کنندگی کلینوپتیلولیت برای Cs+ و NH4+ در توسعه فرایندهایی برای حذف Cs رادیواکتیو از فاضلاب‌های تسلیحات هسته‌ای و حذف NH4+از فاضلاب شهری استفاده شده است.
آب بدبوی پارک ساعی تهران با دو بار تصفیه کردن از طریق یک ستون ده سانتی‌متری کلینوپتیلولیت تولیدی از معدن‌های داخلی حدود ۹۵ درصد از NH4+ موجود در آب حذف گردیده.
خاصیت انتخاب‌کنندگی کاتیونی زئولیت‌های طبیعی دیگر مثل شابازیت، فیلیپسیت، موردنیت و اریونیت نیز مشابه کلینوپتیلولیت می‌باشد. از طرف دیگر زئولیت مصنوعی A با نسبت مساوی Si به Al، خاصیت انتخاب کاتیونی بسیار متفاوتی با زئولیت‌های طبیعی دارد و انتخاب‌کنندگی آن برای کاتیون‌های تک ظرفیتی و دو ظرفیتی به صورت زیر است.
Ag> Tl> K> NH4> Rb> Li> Cs> Zn> Sr> Ba> Ca> Ni> Cd> Hg> Mg
ظرفیت تبادل کاتیونی معیاری برای تعیین تعداد بارهای موجود در واحد وزن یا حجم زئولیت برای تبادل قابل دسترس است.