Ion-Exchange Properties of the Natural Zeolite Erionite

Abstract

Natural erionite was exhaustively ion exchanged with Na⁺ to give the anhydrous unit-cell composition (K_1.9Na_5.4Ca_0.1Mg_0.1)[(AlO₂)_7.4(SiO₂)_28.6]. A thermodynamic study of alkali and alkaline earth metal ion exchange in this zeolite was made and the selectivity series found to be Rb > Cs ≥ K > Ba > Sr > Ca > Na > Li. In all cases approximately two K⁺ ions per unit cell (probably those in the cancrinite cages) could not be replaced by conventional ion exchange. It was also found that two Na⁺ ions per unit cell are extremely difficult to replace with alkaline earth ions. It is believed that complete replacement of the approximately six Na⁺ cations in the two large cages per unit cell of erionite would result in a non-uniform, divalent cation population in these cages. A more stable anhydrous composition is (K₂Ca₂Na₂)[(AlO₂)₈(SiO₂)₂₈] in which each large cage contains one Ca_2* or other alkaline earth cation and one Na⁺ ion.

Резюме

После интенсивного ионного обмена натурального эрионита с Na⁺ было получено безводное соединение элементарной ячейки K_1.9Na_5.4Ca_0.1Mg_0.1((AlO₂)_7.4(SiO₂)_28.6). Было проведено термодинамическое изучение ионного обмена щелочных и щелочноземельных металлов в этом цеолите и обнаружены следующие селективные серии Rb > Cs ≥ K > Ва > Sr > Са > Na > Li. Во всех случаях примерно два иона K⁺ на элементарную ячейку (возможно в канкринитовых полостях) не могли быть замещены в результате обычного ионного обмена. Было также обнаржено, что два иона Na⁺ на элементарную ячейку замещаются щелочноземельными ионами с большими трудностями. Можно полагать, что полное замещение приблизительно 6 катионов в двух больших полостях на элементарную ячейку эрионита даст неоднородную двухвалентную совокупность катионов в этих полостях. Более стабильным безводным соединением является K₂Ca₂Na₂((AlO₂)₈(SiO₂)₂₈), в котором каждая большая полость содержит один Са²⁺ или другой щелочноземельный катион и один ион Na⁺.

Resümee

Natürlich vorkommendes Erionit wurde völlig mit Na⁺ ausgetauscht, um die folgende wasserfreie einzellige Zusammensetzung zu ergeben K_1,9Na_5,4Ca_0,1Mg_0,1 ((AlO₂)_7,4 (SiO₂)_28,6). Eine thermodynamische Untersuchung von Alkali-und Erdalkalimetall lonenaustausch in diesem Zeolithen wurde unternommen und die Reihenfolge der Selektivität war Rb > Cs ≥ K > Ba > Sr > Ca > Na > Li. In allen Fällen konnten ungefähr zwei K⁺ Ionen per Einzelle (wahrscheinlich diejenigen in den Cancrinit Körben) nicht durch üblichen Ionenaustausch ausgetauscht werden. Es wurde auch herausgefunden, daß es äußerst schwierig war, zwei Na⁺ Ionen per Einzelle durch Erdalkaliionen auszutauschen. Man glaubt, daß vollständiger Austausch der ungefähr 6 Na⁺ Kationen in den zwei großen Körben per Erionit Einzelle zu einer nicht einheitlichen, zweiwertigen Kationenbevölkerung in diesen Körben führen würde. Eine stabilere, wasserfreie Zusammensetzung ist K₂Ca₂Na₂((AlO₂)₈(SiO₂)₂₈), in welcher jeder große Korb ein Ca²⁺ oder anderes Erdalkalikation und ein Na⁺ Ion enthält.

Résumé

De l’erionite naturelle a subi un échange complet d’ions avec du Na⁺ pour donner la maille anhydre de composition K_1,9Na_5,4Ca_0,1Mg_0,1((AlO₂)_7,4(SiO₂)_28,6). Une étude thermodynamique de l’échange d’ions d’alcalins et de métaux alcalino-terreux dans cette zéolite a été faite et la série de sélectivité s’est montrée être Rb > Cs ≥ K > Ba > Sr > Ca > Na > Li. Dans tous les cas, environ 2 ions K⁺ dans chaque maille (probablement ceux dans les cages de cancrinite) ne pouvaient pas être remplacés par échange traditionnel d’ions. Il a aussi été trouvé que dans chaque maille il était très difficile de remplacer 2 ions Na⁺ par 2 ions alcalino-terreux. On croit que le remplacement des approximativement 6 cations Na⁺ dans les 2 grandes cages dans chaque maille d’erionite produirait une population non-uniforme de cations divalents dans ces cages. Une composition anhydre plus stable est K₂Ca₂Na₂((AiO₂)₈(SiO₂)₂₈) dans laquelle chaque grande cage contient un Ca²⁺ ou un autre cation alcalino-terreux et un ion Na⁺.