Eigenschaften und Anwendungen

Zeolithe wurden 1756 von Axel Frederick Cronstedt entdeckt. Sie bestehen aus den Grundbausteinen Silikat [SiO4]-, Aluminat [AlO4]- und Phosphat [PO4]-Anionen und gehören zur Gruppe der Alumosilikate. Die Aluminium-, Silizium- und Phosphoratome sind über die Sauerstoffatome in alle drei Raumrichtungen miteinander verbunden. Es entsteht so eine von Poren und Kanälen durchsetzte, gerüstartige Struktur, die hoch porös ist [1]. Je nach Art der Tunnelsysteme werden Zeolithe in Faser,- Blätter- und Würfelzeolithe unterteilt.

Struktur von ZeolithA ©natros/fotolia.comStruktur von ZeolithA ©natros/fotolia.comDurch die mikro- bis nanoskaligen Hohlräume und Kanäle haben Zeolithe eine große innere Oberfläche, weshalb sie in der Industrie als Katalysator in chemischen Prozessen von Bedeutung sind. Aufgrund der negativen Gerüstladung können Zeolithe positiv geladene Ionen aufnehmen. Zeolithe werden deshalb auch als Ionentauscher, als Filter zur Trennung von chemischen Substanzen oder als Wasserenthärter in Waschmitteln (als Polyphosphatersatz) sowie zur Rauchgasentschwefelung eingesetzt. Zeolithe eignen sich zur Entfernung von Ammoniak aus Böden und Gewässern und zur Reinigung radioaktiver Abwässer. In Schwimmbädern dienen Zeolithe als Filter für Schmutz und in Katzenstreu als Geruchsfilter.

Nanoskalige Zeolith-Pulver werden zur Sauberhaltung des Wassers von Aquarien und Fischteichen angeboten. In Fukushima wird derzeit eine Dekontamination des Meeres und des Bodens mit Hilfe von Zeolithen versucht. Wegen ihrer geringen Dichte von 2-2,5 g/cm³ dienen sie als Füllstoff für Kunststoffe, Gummi, Papier oder Asphalt. Auch als Zusatzstoff für Klebstoffe werden sie verwandt.

In der Landwirtschaft werden Zeolithe als Zusatz zu Düngemitteln eingesetzt, um Pflanzennährstoffe wie Kalium und Stickstoff der Pflanze nach Bedarf zuzuführen.

In der Kosmetik werden Zeolithe zur Bindung von Feuchtigkeit oder zur Geruchsneutralisierung verwendet. Als Nahrungsergänzungsmittel sollen Nano-Zeolithe eine verbesserte Aufnahme von Mineralien im Körper bewirken oder ihm Giftstoffe wie Schwermetalle oder Radikale entziehen. Allerdings liegen keine medizinischen Studien vor und die Anwendung wird sehr kontrovers diskutiert.

 

Obgleich schon lange bekannt, werden Zeolithe erst in den letzten Jahrzehnten intensiv genutzt, wobei zunehmend neue Anwendungen erschlossen werden. Einen Überblick über Eigenschaften und Anwendungen von Zeolithen vermittelt der Artikel „Innere Werte -Zeolithe: nanoporöse Materialien für vielfältige Anwendungsfelder“[2].

 

Vorkommen und Herstellung

Zeolithe kommen in der Natur vor allem im Vulkangestein und in der Umgebung heißer Quellen vor. Natürliche Zeolithe bestehen aus unterschiedlichen Strukturtypen. Sie weisen meist Fremdbestandteile im Kristallgitter auf und beinhalten neben Wasser auch Fremdatome in den Poren und Kanälen. Von den etwa 60 auf der Erde als Mineralien vorkommenden Zeolithen sind neun abbaubar und technisch nutzbar.

Reine Zeolithe und bestimmte Zeolithstrukturen, die nicht natürlich vorkommen, werden synthetisiert. Als Ausgangsstoffe dienen Gerüstbildner, wie Kieselsäure, Borsäure oder Aluminiumhydroxid. Im Ofen werden diese Reaktionsmischungen so lange erhitzt, bis eine Kristallisation erfolgt ist. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Reaktionsmischung, Rührgeschwindigkeit und Kristallisationstemperatur können verschiedenartige Zeolithe synthetisiert werden. Oft werden beim Herstellungsprozess organische Moleküle als „Schablone“ eingesetzt, um die das Zeolithgerüst herum kristallisiert. Üblicherweise fallen isometrische Partikel oder Blättchen mit Abmessungen im Bereich weniger Mikrometer an.

Als „Nano-Zeolithe“ werden Teilchen mit Abmessungen von 200 nm – 500 nm angeboten. An der Herstellung feinerer und aktiverer Zeolithe wird weltweit gearbeitet. Durch eine höhere Keimbildungsrate können bereits Teilchen im Bereich von 50 nm erzeugt werden. Das koreanische KAIST-Institut berichtet über die Herstellung von dünnen Blättchen mit wenigen nm-Dicke, die sich zu größeren, sehr porösen Partikeln zusammenlagern. In die Poren oder Kanäle können verschiedene Stoffe gezielt eingebracht werden. Beispiele für solche Porenfüller sind Wasser (H2O) oder Calciumhydroxid (Ca(OH)2).

 

Literatur arrow down

  1. Osterhoff, C (200). Untersuchung der Kristallinität oberflächennaher Bereiche mikroporöser Materialien mittels NMR-Spektroskopie, Dissertation, Ruhr Universität Bochum. (PDF-Dokument).
  2. Essener Unikate 13 (2000). Innere Werte, Zeolithe: nanoporöse Materialien für vielfältige Anwendungsfelder, Essener Unikate 13/2000, S.66-77.