A szerkezeti csatorna és rétegközi tér (interlayer) megléte is a kristályrácsban történő kationmegkötő és -cserélő képességet jelent, amennyiben egy adott ásványban ezek jelen vannak. A rácsban történő vagy belső kationmegkötés előnye a külső vagy felületi megkötéssel szemben, hogy csak bizonyos fiziko-kémiai körülmények között történik kationleadás, főleg a külső közeg – a mi esetünkben a talajkolloid – ionkoncentrációjának a változására.
A kristályok jelenléte a talajban
A felületi megkötés-leadás nagyobb mértékben függ a pH-változástól és szerves molekulák jelenlététől, de a komplex anionok szempontjából – mint szulfát, foszfát, nitrát és borát – kiemelten fontos, mivel anionok csak az oktaéderes tér kristályfelületen feltárt kationjához tudnak kötődni. A nanokristályok felületén kemiszorbcióval történő szulfát- és foszfátmegkötés is fontos, mivel ezeknek az anionoknak a túltengése a talajoldatban alumínium jelenlétében APS- (alumínium szulfát-foszfát) kicsapódáshoz vezethet. Ez egyrészt az elérhető S és P mennyiségét csökkenti, másrészt a mikorrhiza hálózatokat károsíthatja, ha a szerves szálak felületén történik a kicsapódás. A még hatékonyabb szulfát- és foszfátegyensúlyt olyan ásványszerkezetek tudják elősegíteni, amelyek kemiszorbcióval, de belső felületeken kötik meg az anionokat. Erre úgy van lehetőség, ha nagyméretű (nanométeres) szerkezeti csatornák vannak jelen, amelyekben pozitív töltésű felületek is elérhetők, például rostos formába felcsavarodó lemezes kristályok esetében.
Míg a kationcserélő rétegközi (interlayer) tér kizárólag a szmektitek és bizonyos vermikulittípusok esetében jellemző, addig a szerkezeti csatorna több esetben is kialakul; hétköznapi példák a szepiolit és paligorszkit (attapulgit) rétegszilikátok, valamint a tektoszilikátok esetében a zeolitok, például a klinoptilolit közismert. Míg a klinoptilolit vagy időnként más zeolitok (analcim, mordenit, sztilbit, heulandit, kabazit) a talajásványok között is szerepelhetnek, ha azokat a talajképző kőzet is tartalmazza, addig a szepiolit és paligorszkit csak nagyon ritkán fordul elő a talajokban.
E két utóbbi ásvány szerkezetében a tetraéder-oktaéder rétegek modulált inverziója változtatja a rétegközi teret szerkezeti csatornává, és alakítja ki a mezőgazdálkodás számára is oly értékes tulajdonságokat. További előnyös tulajdonságuk a klasszikus agyagásványokhoz képest, hogy a lemezes szerkezet ellenére mindig vékony, szálas-rostos formában jelennek meg a kristályaik, felpöndörödnek, ezáltal mintegy egymásra/-ba épülő alagútrendszerré alakítva a szerkezeti csatornákat, amelyek természetes állapotukban vízmolekulákat és adszorbeált, de a rácsban nem kötött ionokat, molekulákat hordoznak.
A szepiolit Mg4Si6O15.6(H2O) szerkezetében a csatornák kb. 0,4 × 1 nm átmérővel alakulnak ki, és a szálak teljes hosszában futnak. A szubmikrométeres szálak, rostok hálózata (1. ábra) eleve nagy és stabil fajlagos felületet hoz létre a víz és ionszorbció számára, de ez akár nagyságrendekkel növelheti a belső csatornák elérhető felületét.
A paligorszkit Mg1.5Al0.5Si4O10(OH).4(H2O) rácsában a csatornák átmérője kb. 0,4 × 6 nm, tehát jelentősen kisebb a szepiolitnál, a szálak azonban általában hosszabbak, így a nettó fajlagos felület arányaiban nem csökken. Mivel az összetételük és szerkezetük is nagymértékben hasonló, így az előfordulásuk is egymáshoz kötött, a paligorszkit és szepiolit akár fizikai keveréke, akár kristályon belüli moduláris egybeépülése az általános. A saját tömegükben való talajjavító, ásványitrágya-alkalmazás is gyakori vagy keverékek ion- és vízhordozó alkotóiként és lassú feltáródású Mg-forrásként. Azonban a Mg nem kicserélhető kation a szerkezetükben, így az csak a krisztallitok lebomlása, oldódása által válik elérhetővé, tehát elhasználódik.
A zeolitásványról és annak hatásáról
Egy másik, gyakrabban előforduló és szerkezeti csatornái miatt felhasznált ásványtípus a zeolit, amely egy családot jelöl, ezek tektoszilikát (térhálós) ásványok általában többféle kationkitöltéssel és olyan víztartalommal, amely bár kémiailag kötött a kristályok belsejében, eltávolítása reverzibilis, és nem okozza a kristályrács változását. Ezt a víztartalmat nevezzük zeolitos víznek, és nagymértékben hasonlít a szepiolit és paligorszkit csatornáiban kötött víztartalomhoz.
Klinoptilolitot (Na, K, Ca)2-3 Al3(Al, Si)2Si13O36.12(H2O) általában a riolitos, dácitos vagy andezites vulkáni kőzetek átalakulása eredményez, hidrotermás (150–300 °C) vagy víz alatti (tó/tenger) lassú átkristályosodással. Ezáltal a „zeolit” vagy „klinoptilolit” nevű termékek tulajdonképpen zeolitosodott vulkáni tufák, amelyekben a zeolittartalom akár 85–90 tömegszázalék, de 30 tömegszázalék alatti is lehet. Ilyen esetben nyilván csökken az anyag kationhordozó képessége, amit javíthat a szmektitek jelenléte, ellenben a szokásos kísérőásványokkal, mint kvarc, szanidin, albit, cristobalit +/- kalcit. A klinoptilolit a táblás (2. ábra) típusú zeolitok közé tartozik, a kristályszerkezet szimmetriájából adódóan két irányban nagyobb a kiterjedése, mint a harmadikban.
Ez meghatározza a kristályok morfológiáját a néhány tíz nanométeres skálától akár a milliméteres tartományig, egyrészt a lapított krisztallitok nagyobb adszorpciós felülettel rendelkeznek, másrészt a hosszanti irányú csatornák kiterjedése és az üregek ismétlődése is többszöröse lesz egy tűszerű (mordenit) vagy kockaszerű (kabazit) alakzatnál. Jellemző csatornaátmérői 0,26 × 0,47 nm és 0,30 × 0,76 nm.
A mordenit (Ca, Na2, K2)Al2Si10O24.7(H2O) egy morfológiában merőben különböző típus, mint a klinoptilolit, amely után a második leggyakoribb a zeolittelepek összetételében, de általában nem jelennek meg együtt. A tűs, megnyúlt morfológia a szerkezeti csatornákra nézve is más elrendeződést eredményez, mint a klinoptilolit esetében. Bár a klinoptilolithoz hasonlóan tavi, sekély tengeri környezetben alacsony hőmérsékleten is képződhet riolitos tufákból, általában meleg vizes (60–80 °C) vagy hidrotermás (80–150 °C) oldatok hoznak létre gazdagabb telepeket. Jellemző csatornaátmérői 0,26 × 0,57 nm és 0,65 × 0,70 nm, tehát főleg belső alakban tér el nagyon a klinoptilolittól.
A kabazit (Ca, Na, K, Mg)2Al4Si8O24.12H2O sokkal ritkábban alkot olyan mértékű dúsulásokat, mint a klinoptilolit vagy mordenit, egyrészt nagyon eltérő kémiai összetételének, másrészt képződési körülményeinek köszönhetően. A talajok és növények számára előnyt jelent az alacsonyabb Si-tartalma a klinoptilolithoz és mordenithez képest, ugyanakkor az ásványtelepeket alkotó kabazit esetében az uralkodó kation a Ca, tehát egyben lassú-elnyújtott feltáródású kalciumforrás is, miközben Na-ot tud kivonni a talajoldatból. Így például szikesedő, agyagos talajok esetében pozitív irányba tudja mozdítani a talajromlás folyamatait, vagy legalább a gyökérzónában minimalizálni képes a negatív hatásait. Jellemző csatornaátmérői 0,3 × 0,70 nm.
Szerves anyagok felvétele, tárolása és leadása
A fentieken kívül van néhány ásvány, amelyek ugyan nem szerkezeti csatornákat tartalmaznak, de a nanokristályok természetes torzulása csatornaszerű, tubuláris szemcsealakot fog létrehozni, amely fiziko-kémiai szempontból hasonlóan tud működni a zeolitok csatornáihoz, 1-2 nagyságrenddel nagyobb léptékben, néhány tíz és több száz nanométeres átmérővel. Ennek köszönhetően ionokat és molekulákat is nagyobb arányban, mérettől függetlenül tudnak tárolni, cserében az adszorpció energiája alacsonyabb lesz, mivel nem kristályrácson belüli megkötés történik. Közismert példája ezeknek az anyagoknak a halloizit Al2Si2O5(OH)4.nH2O nevű, kaolinitrokon ásvány, amely dinamikusan alakítható (1 nm-ről 0,7 nm-re csökkentve) hidrátréteget is hordoz a TO-összletek között, míg a nanocsövek felületén és belsejében is foszfát, szulfát, nitrát és kationok megkötése is történik.
Minden szerkezeti csatornával rendelkező anyag esetében fontos tulajdonság a kationos vagy semleges-molekuláris szerves anyagok felvételére, tárolására és leadására való képesség. A zeolitok esetében a szerves molekulák felvétele majdnem mindig a mesterséges zeolitokra (molekuláris szűrők) korlátozódik. Ezzel szemben a paligorszkit jól abszorbeálja például a glifozátot és egyéb organofoszfonátokat, és a szepiolit nemkülönben alkalmas rovar- és gyomirtó szerek (metribuzin stb.) hordozóanyagaként, késleltetett feltáródású készítményekhez.
A zeolitos vagy ahhoz hasonlóan viselkedő, többszörösen felvehető és leadható víz a recens klimatikus változások tükrében talán jelentősebb előny, mint a tápelemek hordozása, ugyanis olyan természetes víztároló képességet biztosít a gyökérzet környezetében, amelyet egyéb ásványi anyagokkal nem lehet megvalósítani. Ehhez társul a szilikátrács lassú oldódása a talajoldatban – bakteriális és szerves savak hatására –, amely a háncsedények megfelelő víztároló és továbbító funkciójához szükséges szilíciumot is elérhetővé teszi a növények számára, extra dózis és melléktermékek képződése nélkül.
A zeolitok esetében külön kiemelendő tulajdonság az NH4+1 szerkezeti megkötése, amelyet az oldott NH3-formából is fel tudják a csatornákba venni kationként, és amelyet ozmotikus folyamatokkal le is tudnak adni a talajoldatnak, így akár a talajban lévő N-források szabályozásában is részt vesz, akár a N-dózissal kezelt ásványi trágyaként be lehet vinni a talajba. Magyarországi és Kárpát-medencei viszonylatban a zeolitok alkalmazása gyakoribb és ismertebb, főleg a klinoptilolitban gazdag tufák révén, de érdemes tudni, hogy néhány kőbányászati melléktermék, illetve kitermelés alá nem tartozó, magas Ca-, Mg- és Fe-tartalmú vegyes zeolittartalmú kőzet is elérhető, amely hatásában akár a piacon elérhető zeolitos termékeknél is hatékonyabb lehet talajjavításban és ásványi trágyaként.
Összegzés
Végül pedig érdemes tudni, hogy a klinoptilolitot (és/vagy egyéb zeolitokat), szmektitet, földpátokat vagy akár szepiolitot és paligorszkitot tartalmazó kőzetőrlemények, készítmények is mindenképp pozitív hatással vannak úgy a talajéletre, mint a növényekre. Amire figyelni kell, hogy ne tévesszük össze az ásványtól elvárt hatást egy keverék hatásával, illetve a kémiai összetétel (talaj és termék) alapján, szükséges esetben alkalmazzuk, annak ellenére, hogy terméshozam-növelés szinte bármivel, bármilyen talajon kimutatható.
Dr. Kristály Ferenc
Miskolci Egyetem
