ZEOLITE DEFINITION
Im Jahre 1756 entdeckte der Mineraloge Baron Crönsted den Stilbit. Bei schneller Erhitzung schien dieses Mineral aufgrund seines Wasserverlustes zu sieden. Crönsted gab ihm den Namen „Zeolith“, abgeleitet vom griechischen Wort „zeo“ für „sieden“ und „lithos“ für „Stein“. Die Zeolith-Familie wuchs seit dieser ersten Entdeckung ständig und gehört zu den zahlreichsten Mineralien der Erde. Derzeit sind etwa zweihundert Zeolith-Typen bekannt, von denen vierzig natürlich vorkommen.
Natürliche Zeolithe bildeten sich vor mehreren hunderttausend Jahren aus in Meeren oder Seen abgelagerter Vulkanasche. Im Laufe der Zeit und aufgrund der alkalischen Umgebung veränderte sich die Asche und kristallisierte, bis sie zu Zeolithen wurde. Natürliche Zeolithe werden in Bergwerken unter freiem Himmel abgebaut. Der erste Zeolith wurde 1862 synthetisiert, aber erst 1956 wurde ein synthetischer Zeolith hergestellt, der in einer natürlichen Umgebung nicht existieren würde.
Zeolithe sind hydratisierte Alumosilikate. Ihre Struktur besteht aus einem dreidimensionalen Gerüst aus AlO4- und SiO4-Tetraedern, die von Sauerstoffatomen koordiniert werden. Zeolithe sind Kationenaustauscher.
Zeolithe werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die sich in vier Hauptbereiche gruppieren lassen:
- Adsorption/Desorption von Flüssigkeiten und Gasen.
- Energiespeicherung.
- Kationenaustausch.
- Katalyse.
Natürlicher Zeolith in Granulatform
Synthetischer Zeolith in Kugel
EIGENSCHAFTEN VON ZEOLITEN
Gasadsorption
Zeolithe können organische und mineralische Moleküle in der Gasphase ohne jegliche
Veränderung ihrer Struktur adsorbieren. Diese Adsorption ist auf ihre hohe spezifische
Oberfläche (40 bis 800 m2/g), auf einige hydrophob-hydrophile Oberflächeneffekte und auf
ihre Struktur zurückzuführen. Zeolithe werden in der industriellen Gasbehandlung sowie bei Geruchsbelästigung eingesetzt.
Molekularsiebe
Zeolithe lassen mit ihren Poren mit konstantem Durchmesser nur die kleinsten Moleküle durch ihre inneren Öffnungen. Sie ermöglichen daher eine selektive Trennung von Gas- oder Flüssigkeitsgemischen: sie sind Molekularsiebe.
Wasseradsorption / -desorption
Einige Zeolithe haben eine hohe Affinität zu Wasser, was sich in einer Adsorptionskapazität von bis zu 30 Gew.-% ohne Volumenänderung zeigt. Die Regeneration erfolgt durch die Entfernung von Wasser aufgrund von Druck- und/oder Temperatureffekten. Unter anderen Verarbeitungsbedingungen kehrt das adsorbierte Wasser auf natürliche Weise zurück, wenn die Umgebung zu trocken ist. Diese Reversibilität der Wasseradsorption in Abhängigkeit vom Wasserhaushalt macht Zeolithe zu perfekten Feuchtigkeitsstabilisatoren.
Adsorption von organischen Flüssigkeiten und Mineralien
Wie bei Gasen und Wasser können Zeolithe organische oder mineralische Moleküle in der Wasserlösung adsorbieren oder nicht. Diese Adsorption ist für jeden Zeolithen spezifisch. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz von Zeolithen bei der Behandlung von Abwässern, die mit Pestiziden, organischem Chlor oder Kohlenwasserstoffen belastet sind.
Kationenaustauschkapazität
Das Kation, das die elektronische Neutralität der zeolithischen Struktur trägt, kann ausgetauscht werden. Es handelt sich um einen selektiven Kationenaustausch entsprechend der Affinität des Zeoliths für das ersetzende Kation. Die gesamte Kationenaustauschkapazität und die Selektivität sind für jeden Zeolithtyp spezifisch. Diese Eigenschaft macht die Zeolithe besonders nützlich und effizient wie keine anderen für die Eliminierung von Kationen oder für die Kontrolle ihrer Konzentration in Trink- und Abwässern, für die Aquakultur, die Landwirtschaft und viele andere Bereiche.
Katalyse
In ihrer inneren Struktur können Zeolithe Stellen aufweisen, die chemische Reaktionen katalysieren können. Diese Eigenschaft wird in der Petrochemie häufig genutzt und ermöglicht viele Reduktions-, Oxidations- oder Säure-Base-Reaktionen. Da die Reaktionen in der zeolithischen Struktur ablaufen, können nur Moleküle gebildet werden, die einen kleineren Raum als den der Hohlräume benötigen. Zeolithe üben somit eine Formselektivität auf Reaktionsprodukte aus.
Energiespeicherung und -rückführung
Bei Zeolithen erfolgt die Wasseradsorption zusammen mit einer Wärmeabgabe. Der Adsorptions-/Desorptionszyklus kann endlos erneuert und die Wärme durch Kompressoren oder Kühlflüssigkeiten übertragen werden. Diese Eigenschaft ermöglicht es, nach dem Prinzip der Wärmepumpe zu kühlen oder zu heizen.