Sepiyolit, ortorombik sistemde kristalleşir. Taban oksijen düzlemlerinden aşağı veya yukarı doğru yönelik şeklinde düzenlenmiş Si-O tetrahedronları ile brusit benzeri oktahedral (sekiz yüzlü) tabakalardan oluşan bir kristal yapıya sahiptir. Sepiyolit (lületaşı) özellikleri sıralanacak olursa 7 başlıkta belirtebiliriz. Sırasıyla şu şekildedir;
- Mineralojik özellikleri
- Fiziksel özellikleri
- Fizikokimyasal özellikleri
- Kolloidal özellikleri
- Reolojik özellikleri
- Absorpsiyon özelliği
- Katalitik özellik
Sepiyolit, Türkiye’de yaygın olarak bulunan ve “lületaşı” olarak da bilinen bir kil minerali türüdür. İnşaat, seramik, kağıt ve kozmetik gibi çeşitli endüstrilerde kullanılan önemli bir maddedir. Sepiyolit, ortorombik sistemde kristalleşen ve brusit benzeri oktahedral (sekiz yüzlü) tabakalardan oluşan bir kristal yapıya sahiptir. Bu tabakalarda Si-O tetrahedronları, taban oksijen düzlemlerine paralel şekilde düzenlenmiştir.
Sepiyolit (Lületaşı) Mineralojik Özellikleri
Sedimanter tabakalar halinde çökelen sepiyolitler, genellikle toprağımsı, ince taneli ve kaygan görünümlüdür. Bu tip sepiyolitlerde, sepiyolit minerali, bileşiminde %90’ı aşan oranlarda bulunur ve buna eşlik eden minerallerde: genelde dolomit ve simektit grubu killer ile manyezit, paligorskit ve detnritik minerallerdir.
Sedimanter Oluşum
Sepiyolit, genellikle denizel ve karasal ortamlarda oluşan tortul kayaçlarda bulunur. Bu ortamlarda, magnezyum ve silikat iyonları açısından zengin suların buharlaşması veya çökelmesi sonucu sepiyolit mineralleri oluşur. Sepiyolit mineralleri, sedimanter tabakalar halinde çökelerek geniş yataklar oluşturabilir.
Mineralojik Bileşim
Sepiyolit’in kimyasal formülü Mg3Si4O10(OH)2·H2O’dur. Bu formülden de anlaşılacağı üzere, sepiyolit magnezyum, silikat, hidroksit ve su moleküllerinden oluşan bir mineraldir. Sepiyolit minerallerinde magnezyum ve silikat oranları sabittir, fakat su içeriği değişebilmektedir.
Kristal Yapı
Sepiyolit, ortorombik kristal sisteminde kristalleşen bir mineraldir. Kristal yapısı, Si-O tetrahedronları ile brusit benzeri oktahedral (sekiz yüzlü) tabakalardan oluşur. Si-O tetrahedronları, taban oksijen düzlemlerine paralel şekilde düzenlenmiştir. Bu oktahedral ve tetrahedral tabakalar, düzenli bir şekilde üst üste dizilerek sepiyolit’in kristal yapısını oluşturur.
Eşlik Eden Mineraller
Sepiyolit yataklarında, sepiyolit minerali yanında diğer mineraller de bulunabilir. Yaygın olarak bulunan eşlik eden mineraller şunlardır:
- Dolomit: Kalsiyum ve magnezyum karbonattan oluşan bir mineraldir.
- Smektit Grubu Killer: Alüminyum, magnezyum ve silikat içeren kil mineralleridir.
- Manyezit: Magnezyum karbonattan oluşan bir mineraldir.
- Paligorskit: Magnezyum ve silikat içeren bir lifli kil mineralidir.
- Detnritik Mineraller: Kırıntılı kayaçlardan gelen minerallerdir.
Sepiyolit (Lületaşı) Fiziksel Özellikleri
Kaygan görünümlü, ince taneli, toprağımsı bir yapıya sahip tabakalı sepiyolit, genellikle beyaz, krem, gri veya pembe renkli olabilmektedir. Organik madde içeriğine bağlı olarak, Sivrihisar güneyi Neojen havzasındaki bazı türlerde olduğu gibi koyu kahverengi ve siyahımsı da olabilir.
Sepiyolit (lületaşı) gözenekli bir yapıya sahiptir ve ortalama mikrogözenek çapı 15Å, mezogözenek yarıçapı ise 15-45Å arasında değişmektedir. Yoğunluğu 2-2,5 g/cm3 arasında olup, çok gözenekli olan türlerin yoğunluğu zaman zaman birin altına düşebilmektedir. Kuruduğu zaman yoğunluğu düşeceğinden suda yüzme özelliği gösterir. Nemli olduğunda tırnakla çizilebilir, dil ile dokunulduğunda kil gibi dile yapışır. Sepiyolitin kuruma sıcaklığı 40°C; erime sıcaklığı ise 1400–3450°C arasında değişmektedir.
Görünüm ve Dokunma
- Kaygan görünümlü, ince taneli ve toprağımsı bir yapıya sahiptir.
- Genellikle beyaz, krem, gri veya pembe renklidir.
- Organik madde içeriğine bağlı olarak, bazı sepiolit türleri koyu kahverengi veya siyahımsı da olabilir.
- Yumuşak ve kaygan bir hisse sahiptir.
- Parmağınızla bastırdığınızda kolayca ufalanabilir.
Gözenek Yapısı
- Sepiyolit, gözenekli bir yapıya sahiptir.
- Ortalama mikrogözenek çapı 15 Å, mezogözenek yarıçapı ise 15-45 Å arasında değişmektedir.
- Bu gözenekli yapı, sepiyolit’in yüksek su emme kapasitesine ve adsorpsiyon yeteneğine katkıda bulunur.
Yoğunluk
- Sepiyolit’in yoğunluğu 2-2,5 g/cm³ arasındadır.
- Çok gözenekli olan türlerin yoğunluğu zaman zaman 1 g/cm³‘ün altına düşebilmektedir.
- Kuruduğu zaman yoğunluğu düşeceğinden suda yüzme özelliği gösterir.
Mekanik Özellikler
- Mohs sertlik skalasında 2 sertliğe sahiptir.
- Bu, tırnağınızla çizilebilecek kadar yumuşak olduğu anlamına gelir.
- Nemli olduğunda tırnakla çizilebilir, dil ile dokunulduğunda kil gibi dile yapışır.
Termal Özellikler
- Sepiyolit’in kuruma sıcaklığı 40°C‘dir.
- Erime sıcaklığı ise 1400–3450°C arasında değişmektedir.
- Yüksek ısıya dayanıklıdır.
- 1000°C‘nin üzerindeki sıcaklıklarda bile şeklini koruyabilir.
Sepiyolit (Lületaşı) Fizikokimyasal Özellikleri
Fizikokimyasal özellikler, kil minerallerinin mikro yapısını ve jeoteknik özelliklerini etkilemektedir. Bu özelliklerin bilinmesi, kil mineralinin değişik çevre şartları altındaki davranışlarının tahmininde önemli bir rol oynamakta ve teknolojik uygulamalara baz teşkil etmektedir.
Yüksek Kation Değişim Kapasitesi (KDK)
Sepiyolit, yüksek katyon değişim kapasitesine (KDK) sahip bir mineraldir. KDK, bir mineralin yüzeyinde adsorbe edebileceği maksimum katyon miktarıdır. Sepiyolit’in yüksek KDK’si, suda çözünür organik ve inorganik molekülleri adsorbe etme yeteneğini artırır. Bu özellik, sepiyolit’i katalizör, su arıtma ve çevre kirliliği kontrolü gibi alanlarda kullanışlı hale getirir.
Adsorpsiyon Yeteneği
Sepiyolit, geniş bir yüzey alanına sahip olduğundan yüksek adsorpsiyon yeteneğine sahiptir. Bu özellik, sepiyolit’in su, gazlar ve organik molekülleri adsorbe etmesini sağlar. Sepiyolit’in adsorpsiyon yeteneği, aşağıdakiler gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmasını sağlar:
- Katalizör olarak: Kimyasal reaksiyonları hızlandırmak için
- Su arıtma için: Sudaki kirletici maddeleri gidermek için
- Çevre kirliliği kontrolü için: Hava ve topraktan kirletici maddeleri gidermek için
- Kağıt ve boya endüstrisinde: Dolgu maddesi ve kaplama malzemesi olarak
- Kozmetik ürünlerde: Cilt temizleyici, peeling ve maske gibi ürünlerde
Yüzey Alanı
Sepiyolit’in yüzey alanı, 100-200 m²/g arasında değişmektedir. Bu geniş yüzey alanı, sepiyolit’in yüksek adsorpsiyon yeteneğine katkıda bulunur.
Suda Süspansiyonda Kalma Yeteneği
Sepiyolit, suda süspansiyonda kalma yeteneğine sahiptir. Bu özellik, sepiyolit’i sondaj çamurunda katkı maddesi olarak kullanılmasını sağlar.
Viskoziteyi Artırma Yeteneği
Sepiyolit, suda süspansiyon halindeyken viskoziteyi artırabilir. Bu özellik, sepiyolit’i boya ve kaplama malzemelerinde katkı maddesi olarak kullanılmasını sağlar.
Jelleşme Yeteneği
Sepiyolit, belirli koşullar altında jelleşebilir. Bu özellik, sepiyolit’i gıda ve ilaç endüstrisinde jelleştirici ve stabilizatör olarak kullanılmasını sağlar.
Asitlere Direnç
Sepiyolit, asitlere karşı dirençlidir. Bu özellik, sepiyolit’i asidik ortamlarda kullanılmasını sağlar.
Sepiyolit (Lületaşı) Kolloidal özellikleri
Sepiyolitin (lületaşı) kolloidal davranışını belirleyebilmek için Eskişehir- Sivrihisar kahverengi sepiyoliti ile %10 katı oranında hazırlanan süspansiyonda doğal, asidik ve bazik pH‘larda zamana bağlı olarak yapılan ölçümlerde, sepiyolitin kendi tabi denge pH’na (pH=8.5) yaklaşık 18 dakikada ulaştığı; buna karşılık başlangıç pH’ı 3‘e ayarlanan sepiyolit (lületaşı) süspansiyonunun 14 dakika içinde, başlangıç pH’ı 11‘e ayarlanan süspansiyonun ise 3.5 saat içinde tabi denge pH’na sına ulaştığı belirlenmiştir. Buradan sepiyolit (lületaşı) süspansiyonlarının her ortamda pH=8.5 civarında tampon bir pH oluşturdukları anlaşılmaktadır.
Katyon değişiminden dolayı montmorillonit tipi minerallerde kenarlardaki kalsiyum gibi katyonların yüzeyin yükünü belirlemede önemli rol oynadıkları bulunmuştur. Sepiyolitte ise katyon değişimi Si+4‘nın üç değerlikli Al+3 tarafından yer değiştirmesi sonucunda elektriksel yükün dengelenmesi ve lif kenarlarındaki kırık bağların varlığına atfedilmektedir. Söz konusu kırılmış kimyasal bağların, özellikle iyi kristallenmiş sepiyolitlerde, katyon değişim kapasitesinin başlıca nedenlerinden birisi olduğu savunulmaktadır.
Kolloidal Davranış
Sepiyolit, kolloidal boyutlarda (1-1000 nm) partiküller halinde bulunur. Bu boyutlardaki partiküller, Brown hareketi gösterir ve difüzyona uğrayabilir. Sepiyolit süspansiyonları, viskoziteyi artırabilir ve jelleşebilir.
pH Değişimine Karşı Direnç
Sepiyolit süspansiyonları, pH’daki değişikliklere karşı dirençlidir. Farklı başlangıç pH’larına ayarlanmış sepiyolit süspansiyonları, zamana bağlı olarak kendi tabi denge pH’larına (pH=8.5) ulaşır. Bu özellik, sepiyolit’i tamponlama ajanları olarak kullanılmasını sağlar.
Katyon Değişimi
Sepiyolit, katyon değişimi özelliğine sahiptir. Bu özellik, sepiyolit’in suda çözünür katyonları adsorbe etmesine ve kendi katyonlarını salmasına olanak tanır. Sepiyolit’te katyon değişimi, Si+4‘nın üç değerlikli Al+3 tarafından yer değiştirmesi sonucunda elektriksel yükün dengelenmesi ve lif kenarlarındaki kırık bağların varlığına atfedilmektedir.
Kırık Bağların Etkisi
Sepiyolit liflerinin kenarlarında bulunan kırık kimyasal bağlar, katyon değişim kapasitesinin başlıca nedenlerinden biridir. Bu kırık bağlar, sepiyolit’in negatif yüzey yükünü oluşturur ve katyonların adsorbe edilmesini sağlar.
Sepiyolit’in kolloidal özelliklerinin bazı önemli uygulamaları şunlardır:
- Sondaj çamurunda katkı maddesi olarak: Sepiyolit’in viskoziteyi artırma ve jelleşme yeteneği, sondaj çamurunda katkı maddesi olarak kullanılmasını sağlar.
- Su arıtma ve çevre kirliliği kontrolü: Sepiyolit’in adsorpsiyon yeteneği, sudan ve havadan kirletici maddelerin giderilmesini sağlar.
- Kataliz: Sepiyolit, kimyasal reaksiyonları hızlandırmak için katalizör olarak kullanılabilir.
- Gıda ve ilaç endüstrisinde jelleştirici ve stabilizatör olarak: Sepiyolit’in jelleşme yeteneği, gıda ve ilaç endüstrisinde jelleştirici ve stabilizatör olarak kullanılmasını sağlar.
Sepiyolit (Lületaşı) Reolojik Özellikleri
Sepiyolit (lületaşı) ve paligorskit jel oluşturma özelliğine sahip en önemli iki kil mineralidir. Bunlar diğer killere nazaran nispi olarak düşük konsantrasyonlarda, su ve yüksek-düşük polariteye sahip diğer organik çözücüler ile yüksek viskoziteli ve duyarlı süspansiyonlar oluşturabilir. Sepiyolit (lületaşı) ayrıca diğer killere göre tuzlu ortamlarda daha duyarlıdır ve bu nedenle özellikle petrol sondajlarında çamur malzemesi olarak kullanılır. pH~8‘e kadar faydalı özelliklerini muhafaza eder ancak pH>9 olduğu koşullarda peptizasyon vizkozitede ani bir düşüşe neden olur.
Jel Oluşturma Yeteneği
Sepiyolit ve paligorskit, jel oluşturma özelliğine sahip en önemli iki kil mineralidir. Bu mineraller, diğer killere nazaran nispeten düşük konsantrasyonlarda su ve yüksek-düşük polariteli organik çözücüler ile yüksek viskoziteli ve duyarlı süspansiyonlar oluşturabilir. Sepiyolit’in jel oluşturma yeteneği, aşağıdakiler gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmasını sağlar:
- Sondaj çamurunda katkı maddesi olarak: Sepiyolit’in jel oluşturma yeteneği, sondaj çamurunda katkı maddesi olarak kullanılmasını sağlar.
- Boya ve kaplama malzemelerinde: Sepiyolit’in jel oluşturma yeteneği, boya ve kaplama malzemelerinde jelleştirici ve stabilizatör olarak kullanılmasını sağlar.
- Gıda ve ilaç endüstrisinde jelleştirici ve stabilizatör olarak: Sepiyolit’in jel oluşturma yeteneği, gıda ve ilaç endüstrisinde jelleştirici ve stabilizatör olarak kullanılmasını sağlar.
Tuzlara Karşı Duyarsızlık
Sepiyolit, diğer killere göre tuzlu ortamlarda daha duyarlıdır. Bu nedenle, petrol sondajlarında çamur malzemesi olarak yaygın olarak kullanılır. Sepiyolit’in tuzlara karşı duyarsızlığı, su içeren tuzlu ortamlarda bile stabil bir jel oluşturmasını sağlar.
pH’a Bağımlılık
Sepiyolit’in reolojik özellikleri, pH’a bağlıdır. pH~8‘e kadar sepiyolit, jel oluşturma ve viskozite artırma gibi faydalı özelliklerini muhafaza eder. Ancak pH>9 olduğu koşullarda peptizasyon (parçalanma) meydana gelir ve viskozitede ani bir düşüşe neden olur. Bu nedenle, sepiyolit’in kullanıldığı uygulamalarda pH kontrolü önemlidir.
Sepiyolit (Lületaşı) Absorpsiyon Özelliği
Zincir yapısına sahip mineralin kristal yapısında üç tür aktif absorpsiyon merkezi mevcuttur. Bunlar; (1) tetrahedral tabakalardaki oksijen iyonları, (2) yapısal zincirlerin kenarlarındaki magnezyum iyonlarına koordine olmuş su molekülleri (3) lif eksenleri boyunca uzanan SiOH gruplarıdır. Genellikle su ve amonyum gibi polar moleküller ile nispeten daha az miktarda metil ve etil alkoller sepiyolitin kanallarına girebilmesine karşın, polar olmayan gazlar ve organik bileşikler kanallara giremez. Isıtma işlemi mineralin absorpsiyon özelliğini azaltır, çünkü yapısal değişime bağlı olarak mikro gözenekler yıkılır.
Aktif Absorpsiyon Merkezleri
Sepiyolit’in zincir yapısına sahip kristal yapısında üç tür aktif absorpsiyon merkezi mevcuttur:
- Tetrahedral Tabakalardaki Oksijen İyonları: Bu oksijen iyonları, kısmen negatif yüklü olup, polar moleküllerle hidrojen bağı oluşturabilir.
- Yapısal Zincirlerin Kenarlarındaki Magnezyum İyonlarına Koordine Olmuş Su Molekülleri: Bu su molekülleri, polar moleküllerle hidrojen bağı oluşturabilir ve katyon adsorpsiyonuna da katkıda bulunabilir.
- Lif Eksenleri Boyunca Uzanan SiOH Grupları: Bu gruplar, polar moleküllerle hidrojen bağı oluşturabilir ve katyon adsorpsiyonuna da katkıda bulunabilir.
Absorpsiyon Kapasitesi
Sepiyolit’in yüksek absorpsiyon kapasitesi, geniş yüzey alanından ve aktif absorpsiyon merkezlerinden kaynaklanır. Sepiyolit’in katyon değişim kapasitesi (KDK) 100-200 meq/100 g arasında değişmektedir. Bu değer, sepiyolit’in sudaki katyonları adsorbe etme ve kendi katyonlarını salma yeteneğini gösterir.
Adsorbe Edilen Moleküller
Sepiyolit, genellikle su ve amonyum gibi polar molekülleri adsorbe eder. Nispeten daha az miktarda metil ve etil alkoller sepiyolitin kanallarına girebilmesine karşın, polar olmayan gazlar ve organik bileşikler kanallara giremez.
Isıtma Etkisi
Isıtma işlemi, sepiyolit’in absorpsiyon özelliğini azaltır. Bu, ısıtma sonucunda yapısal değişime bağlı olarak mikro gözeneklerin yıkılmasından kaynaklanır.
Sepiyolit’in absorpsiyon özelliğinin bazı önemli uygulamaları şunlardır:
- Su arıtma ve çevre kirliliği kontrolü: Sepiyolit, sudan ve havadan kirletici maddeleri adsorbe etmek için kullanılabilir.
- Kataliz: Sepiyolit, kimyasal reaksiyonları hızlandırmak için katalizör olarak kullanılabilir.
- Kağıt ve boya endüstrisinde katkı maddesi olarak: Sepiyolit, kağıt ve boya endüstrisinde dolgu maddesi ve kaplama malzemesi olarak kullanılabilir.
- Gıda ve ilaç endüstrisinde jelleştirici ve stabilizatör olarak: Sepiyolit, gıda ve ilaç endüstrisinde jelleştirici ve stabilizatör olarak kullanılabilir.
Sepiyolit (Lületaşı) Katalitik Özellik
Büyük yüzey alanı, mekanik dayanım ve termal duyarlılığından dolayı son zamanlarda sepiyolit (lületaşı) granülleri, katalizör taşıyıcı olarak simektit ve kaolin grubu minerallere kıyasla tercih edilmektedir. Kil minerallerinin katalitik aktivitesi, bunların yüzey aktivitelerinin bir fonksiyonudur. Sepiyolit (lületaşı) partiküllerinin yüzeyindeki Silanol (Si-OH) grupları, belli derecede asit özelliğe sahiptir ve katalizör ya da reaksiyon merkezi olarak davranabilir. Bu gruplar, mineralin lif ekseni boyunca 5Å ara ile sıralanmışlardır. Sepiyolitin asitle muamelesi, adsorbe katyonların uzaklaştırılması ve yüzey alanında artışa yol açar; gözenek dağılımı ve kristallik derecesini etkiler.
Katalitik Aktivitenin Kaynağı
Sepiyolit’in katalitik aktivitesi, aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli faktörlerden kaynaklanır:
- Büyük Yüzey Alanı: Sepiyolit, geniş bir yüzey alanına sahiptir. Bu, kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği katalitik aktif yerlerin sayısını artırır.
- Mekanik Dayanım: Sepiyolit, mekanik olarak dayanıklı bir mineraldir. Bu, katalizör olarak kullanıldığında yüksek sıcaklık ve basınç koşullarına dayanmasını sağlar.
- Termal Duyarlılık: Sepiyolit, termal olarak duyarlı bir mineraldir. Bu, katalitik aktivitesini etkileyen yüzey özelliklerini değiştirmek için ısıtma işlemlerinde kullanılmasını sağlar.
- Silanol Grupları: Sepiyolit partiküllerinin yüzeyindeki Silanol (Si-OH) grupları, belli derecede asit özelliğine sahiptir ve katalizör ya da reaksiyon merkezi olarak davranabilir. Bu gruplar, mineralin lif ekseni boyunca 5Å ara ile sıralanmışlardır.
Katalitik Aktivitesini Etkileyen Faktörler
Sepiyolit’in katalitik aktivitesini etkileyen bazı önemli faktörler şunlardır:
- Yüzey Alanı: Sepiyolit’in yüzey alanı, asitle muamele ile artırılabilir. Bu, katalitik aktivitesini de artırır.
- Adsorbe Edilen Kanyonlar: Asitle muamele, adsorbe katyonların uzaklaştırılmasını sağlar. Bu da yüzey alanında artışa ve katalitik aktivitede artışa yol açar.
- Gözenek Dağılımı: Sepiyolit’in gözenek dağılımı, katalizör olarak kullanıldığında reaksiyona giren moleküllerin difüzyonunu etkiler.
- Kristallik Derecesi: Sepiyolit’in kristallik derecesi, katalitik aktivitesini de etkileyen bir faktördür.
Sepiyolit’in Katalitik Uygulamaları
Sepiyolit, çeşitli kimyasal reaksiyonlarda katalizör olarak kullanılabilir. Sepiyolit’in bazı önemli katalitik uygulamaları şunlardır:
- Asit-baz katalizi: Sepiyolit, asit-baz katalizör olarak kullanılabilir. Örneğin, esterlerin hidrolizi ve amonyak sentezi gibi reaksiyonları katalize edebilir.
- Redoks katalizi: Sepiyolit, redoks katalizör olarak kullanılabilir. Örneğin, hidrojen peroksit bozunumu ve nitrik asit sentezi gibi reaksiyonları katalize edebilir.
- Biyo-kataliz: Sepiyolit, immobilize edilmiş enzimler için destek malzemesi olarak kullanılabilir. Bu, enzimlerin yeniden kullanılabilirliğini ve stabilizasyonunu artırır.