Was ist Zeolith?
Zeolith sind kristalline Alumosilikate. Ihre Hauptbestandteile sind Silizium, Aluminium und Sauerstoff, die eine poröse Kristallstruktur bilden. Die kleinste Grundeinheit eines Zeolithen ist der SiO4-Tetraeder, der in drei Dimensionen aufgebaut ist. Ein Teil des Siliziums wird durch Aluminium ersetzt, um das herum sich Kationen zur Regulierung der Ladung befinden.
Im Allgemeinen verfügen Zeolithe über Ionenaustausch- und Adsorptionskapazitäten, die sich aus ihrer einzigartigen kristallinen Struktur ergeben. Diese Eigenschaft findet Anwendung in der Gasadsorption, dem Kationenaustausch und der Katalyse.
Anwendungen von Zeolithen
Zeolith hat zahlreiche Poren auf molekularer Ebene und ihre Struktur verleiht ihr eine Vielzahl von Eigenschaften wie Adsorption, Ionenaustausch und katalytische Kapazität.
Zeolith kann entsprechend seiner Porengröße Moleküle sieben. Diese Eigenschaft wird genutzt, um Wasser und Verunreinigungen aus Gasen und Lösungsmitteln zu entfernen. Es wird auch als Bodenverbesserer, Wasseraufbereitungsmittel, Kohlendioxid- und Stickstoffadsorbentien und als Katalysatoren für petrochemische Produkte verwendet.
Funktionsweise von Zeolithen
Zeolithe sind poröse kristalline Alumosilikate, die aus einer Kombination von SiO4- und AlO4-Tetraedern bestehen, wobei die Aluminiumsubstitutionsstellen negativ geladen sind, so dass Kationen wie Natrium und Kalium in der Kristallstruktur vorhanden sind, um die Ladung auszugleichen. Zeolithe sind aus SiO4-Tetraedern und AlO4-Tetraedern aufgebaut.
Zeolithe weisen eine Vielzahl von Kristallstrukturen auf, die aus einer Kombination von SiO4- und AlO4-Tetraedern bestehen. Inzwischen wurden mehr als 240 verschiedene Strukturen gefunden, die sich in Bezug auf Porengröße und Adsorptionskapazität stark unterscheiden.
Es gibt drei Hauptarten von Zeolithen: natürliche Zeolithe, synthetische Zeolithe und künstliche Zeolithe. Es gibt viele Arten von natürlichem Zeolith, darunter Borit, Mordenit und Klinoptilolith. Viele von ihnen weisen keine einheitliche Kristallstruktur auf und kommen zusammen mit Quarz und Karbonaten vor. Synthetische Zeolithe sind künstlich synthetisierte Zeolithe. Sie zeichnen sich durch höhere Adsorptions- und Ionenaustauschkapazitäten aus als natürliche Zeolithe, sind aber teurer in der Synthese. Künstliche Zeolithe sind Zeolithe, die ohne die hohen Kosten der synthetischen Zeolithe synthetisiert wurden. Sie können durch Reaktion von Kohleasche mit Natronlauge synthetisiert werden. Durch Variation der Formulierung und der Bedingungen können künstliche Zeolithe mit hoher Funktionalität synthetisiert werden.
Wasseraufbereitung mit Zeolithen
Zeolithe wurden als Material für Trennmembranen verwendet. Zeolithe können zu anorganischen Membranen, den so genannten Umkehrosmosemembranen, verarbeitet werden, um organische Lösungsmittel zu dehydrieren, Wasserdampf aus Gasen zu entfernen und Salz aus Meerwasser zu entfernen. Bei der Dehydratisierung von organischen Lösungsmitteln wird beispielsweise der geringe Unterschied im Molekulargewicht zwischen organischen Lösungsmittelmolekülen und Wassermolekülen genutzt, um Wasser zu entfernen. Hydrophile organische Lösungsmittel wie Ethanol, Isopropylalkohol, Butanol, Ethylacetat und Aceton können ebenfalls dehydriert werden.
Die Verwendung von Zeolithen zur Wasseraufbereitung hat drei Vorteile:
Der erste besteht darin, dass sie aufgrund ihrer einheitlichen Porengröße durch Molekularsiebe mit hoher Präzision getrennt werden können. Zeolithe werden als Molekularsiebe bezeichnet, weil sie auf molekularer Ebene zahlreiche Poren haben und auf molekularer Ebene gesiebt werden können.
Zweitens können sie aufgrund ihrer Hitze- und Chemikalienbeständigkeit bei hohen Temperaturen eingesetzt und für eine Vielzahl von Substanzen verwendet werden. Insbesondere können sie für Chemikalien verwendet werden, die für den menschlichen Körper schädlich sind wie z. B. die in Chemieanlagen und Farbenfabriken verwendeten Chemikalien.
Drittens sind die Zeolithe selbst in einer Vielzahl von Typen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Porengrößen erhältlich. Dies ermöglicht einen wesentlich größeren Spielraum bei der Behandlung, da das Material je nach dem zu behandelnden Objekt und der Anwendung ausgewählt werden kann.
Mit der Zusammensetzung des Zeoliths ändern sich auch die Eigenschaften der Wasseraufbereitung. So enthalten Zeolithe beispielsweise einen hohen Anteil an Silizium (Si) und Aluminium (Al). Wenn das Si/Al-Verhältnis niedrig ist, werden sie hydrophiler und weisen hohe Wasseradsorptionseigenschaften auf, so dass sie sich zur Entwässerung von Lösungsmitteln und anderen Substanzen eignen. Wird das Si/Al-Verhältnis hingegen erhöht, nimmt die Hydrophobie zu und die chemische Beständigkeit gegenüber Säuren und anderen Stoffen ist hoch, so dass sich Zeolithe für die Behandlung stark säurehaltiger Chemikalien eignen.
Umweltschutz mit Zeolithen
Zeolithe werden aufgrund ihrer Adsorptions- und Ionenaustauschfähigkeit für den Einsatz in der Landwirtschaft und im Umweltschutz immer interessanter.
Zeolithe können in Teichen, Sümpfen und Böden eingesetzt werden, um Schwermetalle und Eutrophierung verursachende Komponenten zu adsorbieren und so die Umwelt von Wasser und Boden zu schützen. Zeolithe eignen sich auch sehr gut zur Desodorierung und zum Abbau von giftigen Bestandteilen in Autoabgasen und zur Erhaltung eines normalen Luft-, Wasser- und Bodenmilieus.
Darüber hinaus werden Zeolithe auch in der Landwirtschaft und im Gartenbau eingesetzt. Zeolithe haben regelmäßige Poren, die eine ausreichende Belüftung ermöglichen. Wenn man Erde mit Zeolithen mischt, entsteht ein Boden, der auch für die Wurzeln ausreichend mit Sauerstoff versorgt ist, was das Pflanzenwachstum verbessert. Zeolith kann außerdem eine Vielzahl von Stoffen adsorbieren, so dass ein Teil der Düngemittelbestandteile zurückgehalten wird, während den Pflanzen eine moderate Menge zugeführt wird. Es kann auch den Boden reinigen, indem es Verunreinigungen aus dem Boden adsorbiert. Aus Zeolithen herausgelöste Mineralien können auch als Pflanzennährstoffe verwendet werden. Beispiele für Anwendungen im Gartenbausektor sind Topfpflanzen, Vasen und Hydrokulturen.
Anwendungen im Bereich Energie und Petrochemie
Zeolithe sind eines der wichtigsten katalytischen Materialien in der Petrochemie. Zeolithe werden für die Isomerisierung, das Cracken und die Aromatisierung von Kohlenwasserstoffen sowie für die Herstellung von Heizölen wie Benzin aus Methanol verwendet. Ein besonders repräsentatives Beispiel ist das katalytische Wirbelschichtcracken (FCC: Fluid Catalytic Cracking). Dabei handelt es sich um eine Reaktion, bei der Komponenten aus dem vorgelagerten Rohöl in Moleküle mit geringerem Kohlenstoffgehalt aufgespalten werden, ein Verfahren, bei dem Komponenten mit höherem Mehrwert, wie z. B. Benzin, hergestellt werden und das heute aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken ist.
In den letzten Jahren wurden auch Trennmembranen auf Zeolithen-Basis entwickelt, um Kohlendioxid aus Biogas, Erdgas, Kohlevergasung, kombinierter Stromerzeugung usw. zu entfernen, die als Energiequellen mit geringen Umweltauswirkungen Aufmerksamkeit erregen, wodurch Zeolithe im Energie- und Umweltbereich sehr wichtig werden.