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Ammoniumaustausch mit Klinoptilolith aus Mexiko

Ammoniumaustausch mit Klinoptilolith aus Mexiko

Vier Naturzeolithe vom Typ Klinoptilolith aus den beiden mexikanischen Bundesstaaten San Luis Potosi und Sonora wurden hinsichtlich der Eignung zum Austausch von Ammoniumkationen (NH4+) untersucht. Die Aufnahme von NH4+ durch das Naturzeolith wird vom pH-Wert und der Temperatur leicht beeinflusst, jedoch kaum von der Größe der Zeolith-Partikel. Ein Klinoptilolith aus der Region San Luis Potosi besitzt im Vergleich die größte Aufnahme- bzw. Austauschkapazität für Ammoniumkationen.

 

Die Bedeutung des Ammoniumaustauschs mit Zeolithen

Naturzeolithe werden hauptsächlich in der Umweltsanierung, in der Energieeinsparung, in der Landwirtschaft sowie in der Minen- und Metallindustrie eingesetzt. Die wichtigste Verwendung der Zeolithe ist dabei der Einsatz in der Umweltsanierung. Die molekulare Struktur der Zeolithe weist Poren auf, die an ihren Oberflächen mit den austauschbaren und für die Umwelt unschädlichen Kationen K+, Na+. Ca2+ und Mg2+ besetzt sind. Zeolithe können nun in einem Austauschprozess Kationen, die für die Umwelt schädlich sind, aufnehmen und dafür die genannten, unschädlichen Kationen abgeben. In jüngerer Zeit fand die Beseitigung stickstoffhaltiger, organischer Verbindungen aus Abwässern eine zunehmende Bedeutung. Diese stickstoffhaltigen Verbindungen werden bis zum Ammoniumkation NH4+ abgebaut, das Algen und anderen Pflanzen als idealer Nährstoff dient und somit in Gewässern zur Eutrophierung, d.h. zum unkontrollierten Algen- und Pflanzenwachstum, führen kann. Zur Entfernung von Ammoniumverbindungen aus den Gewässern wurden bislang verschiedene biologische und physikalisch-chemische Verfahren entwickelt. Zu den letzteren Verfahren zählt der Ionenaustausch mit Naturzeolithen, der zunehmend an Bedeutung gewinnt. Es ist bekannt, dass die Austauschkapazität des Naturzeoliths Phillipsit für Ammonium um 70% größer ist als beim Klinoptilolith, doch Phillipsit ist instabil und teuer. Nun wurde die Austauschkapazität von Klinoptilolith aus verschiedenen mexikanischen Regionen in Abhängigkeit von pH-Wert, Temperatur und Partikelgröße untersucht.

 

Die Durchführung der Experimente mit Klinoptilolith aus Mexiko

Die vier untersuchten Zeolithe aus Mexiko, das SAL1 und TAM2 aus dem Bundesstaat San Luis Potosi sowie SON1 und SON2 aus dem Bundesstaat Sonora, enthalten hauptsächlich Klinoptilolith mit Beimengungen an Feldspat, Quarz und Calcit. SAL1 und TAM2 zeichnen sich durch eine deutlich größere Teilchenoberfläche aus. Das jeweilige Material wurde in drei Partikelgrößen gesiebt (0.42 mm, 0.18mm und 0.09mm), gewaschen und bei 110 °C getrocknet. Eine definierte Ausgangslösung an Ammoniumchlorid (NH4Cl) diente als Testlösung. Unterschiedliche pH-Werte der Lösungen wurden mit Salzsäure und Natronlauge eingestellt. Diese Ausgangslösungen wurden mit dem Zeolith versetzt und dann im Behälter bei konstant 20°C bis zur Erreichung des Gleichgewichts, d.h. dem Erreichen der maximalen Aufnahme an NH4+, fünf Tage gerührt. Die experimentelle Kationenaustauschkapazität (KAK), d.h. die maximale Aufnahme an Ammoniumkationen, nimmt in der Richtung TAM2 > SON2 > SAL1 > SON1 ab, wobei TAM2 etwa 1,1 -1,3 mal so viel Ammonium aufnehmen kann wie die anderen Zeolithe. Für TAM2 wurde der Einfluss des pH-Wertes durch Variation von 3 bis 6 untersucht. Im mehr sauren Bereich (pH = 3) zeigt sich eine leicht erhöhte Ammoniumaufnahme (bis ca. 10%). Ein Vergleich bei unterschiedlichen Temperaturen (15°C, 25°C und 40°C) zeigt, dass die Ammoniumaufnahme mit der Temperaturerhöhung leicht ansteigt (5-12%). Die Teilchengröße (Durchmesser 0.42 mm, 0.18mm und 0.09mm) zeigt praktisch keinen Einfluss auf die Ammoniumaufnahme. Entscheidend ist hier nicht die äußere Oberfläche, sondern die Oberfläche der inneren Poren und Kanäle in der molekularen Struktur der Zeolithe. Das aufgenommene Ammonium kann im Austausch gegen die Kationen K+ bzw. Na+ wieder reversibel abgegeben werden.

 

Eignung der mexikanischen Naturzeolithe zur Entfernung von Ammonium

Die untersuchten mexikanischen Zeolithe vom Typ Klinoptilolith eignen sich zur effizienten Entfernung von Ammonium aus belasteten Gewässern. Die höchste Aufnahme- bzw. Austauschkapazität für Ammonium hat dabei das Klinoptilolith TAM2 aus San Luis Potosi.

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