Zeolithe

Zeolithe kommen an den meisten Orten der Welt vor. Bisher wurden 60 verschiedene Zeolithe entdeckt, die sich sowohl in ihrer chemischen Zusammensetzung, als auch in ihrer Farbe und dem Kristallsystem unterscheiden. In der Industrie finden sie vielseitige Verwendung.

Abb. 1: Natrolith – ein natürliches Zeolith

Zeolith Eigenschaften

Zeolithe – Struktur

Die allgemeine Formel der Zeolithe lautet ${\mathrm{M}}_{\mathrm{x}/\mathrm{n}}\left[{\left({\mathrm{AlO}}_2\right)}_{\mathrm{x}}{\left({\mathrm{SiO}}_2\right)}_{\mathrm{y}}\right]·\mathrm{z}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Alle Mineralien, also auch Zeolithe, sind Salze. Sie setzen sich aus Kationen (positiv geladene Ionen) und Anionen (negativ geladene Ionen) zusammen. Dabei sind die Metallkationen, zum Beispiel Na⁺, welches in der Formel mit einem "M" dargestellt ist, einzelne Teilchen. Die dazugehörigen Anionen sind jedoch gitterartig angeordnete Teilchen aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff. Diese Struktur wird Aluminosilikat-Struktur bezeichnet.

Zeolith A

Das Zeolith A gehört zu den meistverwendeten synthetisch hergestellten Zeolithen. In der folgenden Abbildung ist dessen schematischer Aufbau anhand eines Polyedermodells dargestellt:

Abb. 2: Aufbau des Zeoliths AQuelle: arnold-chemie.de

Beim Aufbau ist zu beachten, dass jede gerade Kante eigentlich eine gewinkelte Sauerstoffbrücke (-O-) darstellt. Zudem sitzen an den Ecken die Aluminium- beziehungsweise Siliziumatome. In der Mitte siehst Du einen Hohlraum. Alle anderen Teile sind geschlossen gezeichnet, denn diese sind für gewöhnlich zu klein und deshalb auch meist nicht zugänglich.

Es wird zudem nach der Porungsart unterschieden: Je nachdem, wie die Struktur aufgebaut ist, sind die Poren mit ein- oder zweidimensionalen, geradlinigen oder zickzackförmigen Kanalsystemen verbunden.

Die Kationen sitzen dabei in den Öffnungen der Poren. Dadurch wird ihnen eine Bewegungsfreiheit ermöglicht: Sie können von einer Pore in die nächste wandern oder sogar das Gitter komplett verlassen. Durch diese Vorgehensweise können Kationen auch verhältnismäßig leicht ausgetauscht werden und zudem können sich in den Poren neutrale Moleküle anreichern.

Das Anion stellt dabei das gesamte Kristallgitter eines Zeoliths dar. Somit ist dieses Gitter ein "Riesen-Anion", welches tausendfach negativ geladen ist.

Das Zeolith-Gitter genauer erklärt

Abb. 3: Tetraeder als Primärbaustein der Zeolith-Grundstruktur

In der obigen Abbildung siehst Du den Grundaufbau eines Tetraeders. Dieser Körper bildet die Grundbausteine der Zeolith-Gerüststruktur. Sie werden auch als Primärbausteine bezeichnet. Dabei besteht der Tetraeder aus vier Sauerstoffatomen (hier blau eingefärbt). Diese befinden sich jeweils an den Ecken des Tetraeders. Im Zentrum liegt das Silizium- bzw. Aluminiumatom (hier pink eingefärbt). Zeolithe gehören somit der Gruppe der Gerüstsilikate an.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass das Zeolith-Gitter aus einander überlappenden Sauerstoff-Tetraedern mit jeweils einem Silizium- bzw. Aluminiumatom im Zentrum besteht.

Einfluss der Struktur auf die Eigenschaften

Insbesondere zwei Parameter beschreiben die Eigenschaften eines Zeoliths als Adsorbtionsmittel:

• Form der Pore
• Größe der Pore

Aus räumlichen Gründen können große Poren auch große Moleküle aufnehmen. Daher kommt auch der "Siebeffekt", der auch als Molekularsieb bezeichnet wird. Kleine Poren dagegen können die kleinen Teilchen, die sie aufnehmen können, fester binden als große Poren. Das kommt daher, dass aus allen Seiten Bindungskräfte wirken.

Aber auch die Gerüststruktur ist kennzeichnend für die Eigenschaften von Zeolithen.

Zeolithe – Ursprung

Herleitung des Namens

Bereits im Jahr 1756 erfand der schwedische Mineraloge und Chemiker Baron Axel Fredrick Cronstedt (1722–1765) einen Namen für eine Mineraliengruppe, die bei starkem Erhitzen zu brodeln beginnen, als würden sie sieden. Dabei wird gebundenes Wasser freigesetzt. Aus dieser Eigenschaft ergab sich der altgriechische Name Zeolithe, was "siedende Steine" bedeutet.

Abb. 6: Baron Axel F. Cronstedt

Industrielle Verwendung der Zeolithe

Zeolithe fanden seit Mitte der 1950er-Jahre in der Industrie Verwendung als Adsorptionsmittel und als Ionentauscher. Die Union Carbide Corporation (ein US-amerikanisches Chemieunternehmen) verwendete 1959 erstmals Y-Zeolithe als Bestandteil eines Katalysators.

Gewinnung von natürlichen Zeolithen

Natürlich vorkommende Zeolithe stammen aus Mineralien, die aus Magma entstanden sind. Häufiger sind natürliche Zeolithe jedoch als Sekundärmineralien zu finden, das bedeutet, sie gehen aus anderen Mineralien hervor. Das geschieht beispielsweise durch die hydrothermale und/oder kontaktmetamorphobe Umwandlung. Die Zeolithe als Sekundärmineralien finden sich aber auch um Thermalquellen. Vorkommen von Zeolithen finden sich beispielsweise in Irland, Schottland, Österreich, Italien oder auch am Ettringer Bellerberg in Deutschland.

Natürliche Zeolithe im Überblick

• Bellbergi
• Laumontit
• Stilbit
• Amicit
• Gismondin
• Skolezit
• Pollucit

und viele weitere.

Herstellung von synthetischen Zeolithen

Künstlich hergestellte Zeolithe werden aus anorganischen Vorläufern gewonnen. Zu den Vorläufern gehören Kieselgel, Aluminiumoxid, Soda und andere Salze, die unter hydrothermale Bedingungen auskristallisiert sind. Die synthetische Herstellung leitet sich ein wenig von dem natürlichen Vorkommen ab – zum Teil kommen bei der künstlichen Herstellung auch Sekundärrohstoffe wie Flugasche in Verwendung, damit der Preis der Zeolithe gering ist.

Synthetische Zeolithe im Überblick

• Zeolith A
• Zeolith X
• Zeolith Y
• ZSM-5
• Erionit
• Faujasit
• Ferrierit
• Laumonit

und viele weitere.

Natürliche und synthetische Zeolithe im Vergleich

Zeolithe finden sich sowohl als natürlich vorkommende Mineralien als auch als vollsynthetische. Bei letzterem werden also, mithilfe der Technik, künstliche Zeolithe gewonnen. In der Mineralogie gehören Zeolithe natürlichen Ursprungs der Zeolith-Gruppe an.

Natürliche und künstlich hergestellte Zeolithe sind teilweise sehr unterschiedlich chemisch zusammengesetzt und haben damit hergehend auch verschiedene Eigenschaften – als Adsorptionsmittel oder als Ionenaustauscher. Die Eigenschaften hängen auch von der Fundstelle ab, jedoch variieren sie teilweise sogar innerhalb einer selben Lagerstätte.

Für die modernen industriellen Anwendungen (beispielsweise für die Katalyse) muss sehr auf das genaue Einstellen und die Konstanz der gewünschten Eigenschaften geachtet werden. Demzufolge werden in der Technik fast nur noch vollsynthetisch hergestellte Zeolithe verwendet, die im Vergleich zu den Natürlichen teurer sind.

Natürliche und künstliche Zeolithe teilen sich jedoch eine Eigenschaft: ihre Gitter weisen mehr oder weniger große Hohlräume auf.

Zeolithe – Verwendung

Verwendung von Zeolithen als Katalysator

Zu den wichtigsten Katalysatoren der chemischen Industrie-Prozesse gehören die Zeolithe. Die Katalyse findet dabei in den Poren des Zeolithgitters statt. Dabei stellt entweder das Zeolith selbst den sauren Katalysator dar, oder eingebrachte Metallpartikel stellen das Zentrum dar, welche dann die Aufgabe eines Katalysators übernehmen. In der chemischen Industrie werden Zeolithe beispielsweise für das katalytische Cracken von Kohlenwasserstoffen verwendet.

Wirkung von Zeolith auf den menschlichen Körper

Die medizinische Wirkung von Zeolith ist wissenschaftlich nicht bewiesen. Einige Studien konnten jedoch bisher zeigen, dass Zeolithe Eigenschaften aufweisen, die sich positiv auf den menschlichen Organismus auswirken können. Zeolithe sollen antibakteriell, antiviral, entgiftend und antioxidativ wirken. Zudem sollen sie auch im Menschen als Katalysator dienen.

Verwendung von Zeolithen als Wärmespeicher

Verwendet werden die Zeolithe auch in Wärmespeicherübungsheizungen. Zeolithe haben die Eigenschaft, die Wärme vollkommen ohne Verluste zu speichern, ohne aber selbst warm zu werden. Somit verliert dieses Kristallit auch keine Energie.

Die schwammartige Struktur bewirkt ebenfalls eine Wärmespeicherung. Diese Struktur ist besonders wasseranziehend. Wenn sich dabei Wasserdampf in den Poren der Zeolithe anlagert, wird Bindungsenergie freigesetzt. Dadurch erwärmen sich die Mikrokristalle. Durch zugeführte Wärme kann das gebundene Wasser wieder verdampfen. Somit wird der Speicher wieder aufgeladen. Je trockener das Zeolith dabei ist, desto mehr Energie konnte darin gespeichert werden.

Verwendung von Zeolithen als Waschmittelzusatzstoff

Zeolithe haben die Eigenschaft, Wasser zu enthärten. Das liegt daran, dass die Natrium-Ionen in den Hohlräumen von Wasser umhüllt sind. Dadurch werden diese leicht beweglich. In dem Wasser, das Du für das Wäschewaschen benutzt, finden sich auch Ionen auf – genauer Calcium- (Ca²⁺) und Carbonat- (CO₃^2-) Ionen. Zusammen bilden diese die typischen Kalkbeläge.

Kommen jedoch Zeolithe ins Spiel, wandern die Calcium-Ionen in die Hohlräume des Zeolith-Gitters. Die Natrium-Ionen werden dabei aus dem Zeolith weggedrängt. Es werden also dabei Natrium – gegen Calcium-Ionen getauscht. Somit ersetzen sie zudem den Einsatz von Phosphaten in Waschmitteln.

Das Zeolith A, dass Du zu Beginn des Artikels kennengelernt hast, kommt wegen der eben erklärten Eigenschaft unter anderem in Waschmitteln zum Einsatz.