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Zeolithgruppe

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The micro-porous molecular structure of a zeolite, ZSM-5

Die Zeolithgruppe (kurz Zeolithe) bildet eine artenreiche Familie chemisch recht komplexer Silikat-Minerale. Die Minerale dieser Gruppe können je nach Typ bis etwa 40 Prozent des Trockengewichtes an Wasser speichern, das beim Erhitzen wieder abgegeben wird. Das Gestein scheint zu sieden. An feuchter Luft kann das Wasser wieder aufgenommen werden, ohne die Struktur des Minerals zu zerstören. Aus chemischer Sicht haben die Zeolithe, die über die allgemeine Zusammensetzung Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y] . z H2O (mit n = Ladung von M, meist 1, 2) und werden daher als Alumosilikate bezeichnet. Mehr als 150 verschiedene Zeolithtypen sind synthetisiert worden und 48 natürlich vorkommende Zeolithe sind bekannt.

Zeolithe sind oft farblos oder weiß, können aber durch Fremdbeimengungen auch gelb, braun oder rosa gefärbt sein. Die Strichfarbe ist weiß. Die Kristallsysteme können monoklin, orthorhombisch oder kubisch sein. Ihre Härte liegt zwischen 3,5 bis 5,5 Mohs; die Dichte im Bereich von 2,0 bis 2,5.

Inhaltsverzeichnis

Etymologie und Geschichte

Der Name des Minerals leitet sich aus dem Griechischen von zeein: „sieden“ und lithos: „Stein“ her, bedeutet also „Siedestein“. Er bezieht sich darauf, dass das Mineral beim Schmelzen lebhaft aufbraust.

Zeolithe wurden erstmals 1756 vom schwedischen Mineralogen Baron Axel Fredrick von Cronstedt entdeckt. Seit den 1980er Jahren setzt man Zeolithe als Phosphat-Ersatz zum Waschen ein (siehe auch Zeolith A). Die Wirkung wurde vom Chemiekonzern Henkel entdeckt. Zwar konnte so die Gewässer-Eutrophierung gesenkt werden, aber es zeigte sich bald, dass Zeolithe Schäden bei der Klärwasserreinigung hinterlassen. Daher versucht man nun, diese vermehrt durch Silikate auszutauschen.

Einzelgruppen und Minerale

Bedeutende Zeolith-Minerale sind Skolezit und Natrolith. In großen Mengen verwendete natürliche Zeolithe sind Klinoptilolith und Heulandit. Ein sehr wichtiger synthetischer Zeolith ist Zeolith A (Sasil (TM)).

Zeolithe lassen sich über ihren Aufbau in Faserzeolithe, Blätterzeolithe und Würfelzeolithe einteilen:

Faserzeolithe

Blätterzeolithe

Würfelzeolithe

Bildung und Fundorte

Zeolith-Mineralien finden sich in Basalt-Hohlräumen, seltener in Sedimentgesteinen in Form von Fasern, Nadeln, Säulen und blattförmigen Kristallen. Vorkommen in nahezu allen Vulkangebieten der Erde (Dekkan-Gebiet Indiens; Island; Eifel; Azoren). Zeolithe werden auch synthetisch hergestellt, auch wenn sie in diesem Fall nicht mehr als Mineral gelten.

Struktur

Zeolithe bestehen aus einer mikroporösen Gerüststruktur aus AlO4-− und SiO4-Tetraedern. Dabei sind die Aluminium- und Silicium-Atome untereinander durch Sauerstoffatome verbunden. Je nach Strukturtyp ergibt sich dadurch eine Struktur aus gleichförmigen Poren und/oder Kanälen, in denen Stoffe adsorbiert werden können. In der Natur ist dort in der Regel Wasser adsorbiert, das durch Erhitzen aus den Poren entfernt werden kann, ohne dass sich die Zeolithstruktur ändert. Zeolithe können damit gleichsam als Siebe verwendet werden, da nur Moleküle in den Poren adsorbieren, welche einen kleineren kinetischen Durchmesser besitzen als die Porenöffnungen der Zeolithstruktur. Zeolithe fallen daher auch in die Gruppe der Molekularsiebe.

Zeolithe weisen eine regelmäßige Anordnungen von Hohlräumen und Kanälen auf. Je nach Porengröße spricht man von Mikro- oder Mesoporen. Solche Materialien besitzen außerordentlich große innere Oberfläche, von zum Teil weit über 1.000 Quadratmetern pro Gramm. Dadurch eignen sie sich für vielfältige technische Anwendungen, etwa als Katalysatoren für zahlreiche chemische Industrie-Prozesse, als Materialien zur Trennung von chemischen Substanzen oder auch als Wasserenthärter in Waschmitteln.

Durch Aluminiumatome haben Zeolithe eine anionische Gerüstladungen. An der inneren und äußeren Oberfläche befinden sich daher bei aluminiumhaltigen Zeolithen Kationen. In wasserhaltigem Zeolith liegen diese Kationen häufig in gelöster Form in dem Kanalsystemen der Zeolithe vor, sind also relativ leicht zugänglich und damit ausgetauschbar. Übliche Kationen sind Na+, K+, Ca2+ und Mg2+.

Synthetische Zeolithe werden aus stark alkalischen, wässrigen Lösungen von Silicium- und Aluminiumverbindungen dargestellt. Als reaktionsfähige Ausgangsstoffe kommen dabei zum Beispiel Natriumwasserglas, Kieselgel oder Kieselsäure als Siliciumquelle und Aluminiumhydroxid oder andere Aluminiumsalze als Aluminiumquelle zum Einsatz. Welcher Zeolith dabei aus der Reaktionsmischung entsteht, hängt von verschiedenen Faktoren ab wie etwa der Zusammensetzung der Reaktionsmischung, der Rührgeschwindigkeit und der Kristallisationstemperatur. Für die Frage, welche Zeolithe konkret entstehen, spielen zudem Templateffekte organischer Kationen eine wichtige Rolle.

Modifizierung

Zeolithe können durch Ionenaustausch oder chemische Behandlungen modifiziert werden. Ziel dieser Modifizierung ist bei katalytisch verwendeten Zeolithen einerseits eine Erhöhung der katalytischen Wirkung und andererseits eine Erhöhung der thermischen oder chemischen Beständigkeit. Die häufigste Modifizierung ist das Einbringen von Metallpartikeln, um bifunktionelle, katalytisch hoch aktive Zentren zu erhalten.

Eine weitere wichtige Behandlung ist das Versetzen von Zeolithen mit Säuren. Säurestabile Zeolithe können direkt säurebehandelt werden. Dies führt zu einer Ausbildung von sauren Zentren. Um diese auch in säureempfindlichen Zeolithen zu erzeugen, werden sie häufig deamonisiert: Dazu wird zunächst ein Alkali-Kation gegen ein Ammoniumion ausgetauscht, das anschließend beim Erhitzen auf etwa 500 °C zersetzt wird. Gleichzeitig wird die Probe dealuminiert, was die Struktur stabilisiert.

Verwendung

Zeolithe haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten u. a. als Ionenaustauscher etwa zur Wasserenthärtung, EDTA-Ersatzstoff, Molekularsieb, Trockenmittel oder im selbstkühlenden Bierfass. Des Weiteren werden sie zur großtechnischen Herstellung von Waschmitteln benötigt. Zeolithe finden aber auch in industriellen Katalysatoren Verwendung und werden in Wärmespeicherheizungen verbaut.

Bei der Anwendung werden zwei Eigenschaften der Zeolithe genutzt:

  • Der Ionenaustausch, das heißt die Fähigkeit der Zeolithe, ihre freien Kationen gegen andere auszutauschen. Mengenmäßig größte Anwendung ist dabei die Wasserenthärtung in Waschmitteln. Weitere interessante Anwendungen sind die Beseitigung von (auch radioaktiven) Schwermetallen aus Abwässern.
  • Die Adsorptionskapazität, das heißt das Einlagern neutraler Verbindungen in die Mikroporen der Kristallstruktur. Bei der Adsorption kann der Adsorptionsvorgang als solcher ausgenutzt werden, etwa beim exothermischen Trocknen von Gasen, der wichtigsten Anwendung, oder bei der Trennung von organischen Molekülen nach Größe. Alternativ wird die hohe Adsorptionswärme, die insbesondere bei der Adsorption von Wasser anfällt, verwendet. Die starke Triebkraft der Adsorption wird bei der Verwendung von Zeolithen als Energiespeicher ausgenützt [1], etwa beim selbstkühlenden Bierfass [1].

Auch die Katalyse findet, wie die Adsorption, in den Poren des Zeolithen statt. Dabei wirkt entweder der Zeolith selbst als saurer Katalysator, oder eingebrachte Metallpartikel sind die eigentlichen aktiven Zentren. Ein Beispiel in der Industrie ist der Einsatz als heterogenener Katalysator für das katalytische Cracken von Kohlenwasserstoffen, da Zeolithe oft stark saure Zentren besitzen. Ebenso werden sie oft als bifunktionelle Katalysatoren mit einer weiteren Metallkomponente zusammen für verschiedene Reaktionen verwendet.

Seit kurzem können auch nanoskalige Zeolithe, das heißt Zeolithmaterialien mit Teilchendurchmessern unter 100 Nanometer synthetisiert werden, die sich von den herkömmlichen Zeolithen durch deutlich verbesserte Transporteigenschaften auszeichnen. Diese verbesserten Eigenschaften haben eine herausragende Bedeutung in der Katalyse und in Adsorptionsprozessen, in denen Zeolithe eingesetzt werden.

Aufgrund ihrer großen inneren Oberfläche können Zeolithe neben Aktivkohle als Sorptionsmittel in Sorptionspumpen eingesetzt werden.

2000 kam ein Nahrungsergänzungsmittel auf der Basis von gemahlenem Zeolith auf den deutschen Markt (Handelsname: Megamin). Obwohl keine Zulassung als Arzneimittel besteht oder beantragt wurde, wird eine angebliche Wirkung gegen alle möglichen Erkrankungen wie Krebs, Schizophrenie oder Infektionen beworben. Wirksamkeitsnachweise liegen nicht vor.

Seit einiger Zeit finden (synthetische) Zeolithe auch Verwendung bei der Herstellung von Niedrigtemperatur-Asphalt - eine deutsche Entwicklung aus den 1990er Jahren, die inzwischen weltweit große Beachtung findet. Ziel dabei ist es, durch niedrigere Mischtemperaturen nicht nur Energie einzusparen, sondern auch den Ausstoss von Kohlendioxid, Dämpfen und Aerosolen einzudämmen. Zudem erfahren zeitkritische Baustellen eine frühere Verkehrsfreigabe. Die Arbeitsbedingungen auf Straßenbaustellen werden deutlich verbessert [1].

Siehe auch

Einzelnachweise


Literatur

  • Cronstedt, A. F.: Om en obekant bärg art, som kallas Zeolites (englische Übersetzung: On an Unknown Mineral-Species called Zeolites). Akad. Handl. Stockholm 18 (1756), Seiten 120-123
  • Prof. Dr. Martin Okrusch, Prof. Dr. Siegried Matthes: Mineralogie. 7. Auflage. Springer Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-540-23812-3

Weblinks

Wikipedia
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