Was ist Zeolith - Informationen zur Struktur und Mehr
Aufbau, Struktur und Eigenschaften des natürlichen Siliziumminerals Zeolith (Klinoptilolith). Eine geologische, chemische und physikalische Betrachtung. Ein Fachbeitrag von Dipl. Ing. Nina Schulze.
Aufbau von natürlichem Zeolith (Klinoptilolith)
Natürliche Zeolithe bestehen zumeist aus den Siliziummineralien Klinoptilolith oder Heulandit, enthalten daneben aber auch andere Mineralien und Spurenelemente. Zeolithe sind hydratisierte, kristalline Aluminosilikate, die durch hydrothermale Veränderungen als Nebenprodukte vulkanischer Gesteine entstehen. Zeolithe haben ein regelmäßiges Gittergerüst und enthalten Alkali- oder Erdalkali-Kationen. Erdalkalimetalle, von denen die Erdalkali-Kationen herrühren, sind Elemente der 2. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente, namentlich z.B. Magnesium und Kalzium. Die in den Hohlräumen, Käfigen und Kanälen von natürlichem Zeolith (Klinoptilolith) eingelagerten Kationen und Wassermoleküle sind außerordentlich beweglich und verfügen über eine ausgeprägte Fähigkeit zum Ionenaustausch sowie zur reversiblen Sorption. Die Kanäle innerhalb der Zeolithkristallstruktur sind groß genug, um auch fremde Ionen- und Moleküle passieren zu lassen. Diese Eigenschaften von Zeolithen sind für deren wirtschaftliche Nutzung als Ionenaustauscher, Molekularsieb und neuerdings auch Wärmespeicher, von nicht zu unterschätzender Bedeutung.
Chemische Zusammensetzung von natürlichem Zeolith (Klinoptilolith)
Die primären Baueinheiten von Naturzeolith (Klinoptilolith) sind AlO4- und SiO4-Tetraeder (Körper mit vier dreieckigen Seitenflächen), die mit je vier benachbarten Kationen durch die gemeinsamen Sauerstoff ("O")-„Brücken“ verbunden sind und somit eine dreidimensionale kristalline Gerüststruktur bilden, wobei Zeolith (Klinoptilolith) stark entwickelte Systeme von Hohlräumen und Mikrokanälen ausbildet (sekundäre Porosität von Zeolith (Klinoptilolith).
Die aktive Oberfläche der inneren Hohlräume des Zeolith kann die äußere um den Faktor 10.000 überschreiten, d.h. dass Zeolithkristalle über eine beeindruckend große Oberfläche verfügen. Die chemische Zusammensetzung von Zeolith (Klinoptilolith) kann durch folgende Oxidformel beschrieben werden:
1. M2/n Al2O3 x SiO2 yH2O (Zeolith[Klinoptilolith]),
2. M = Kation, n = Ladung der Kationen, x ≥ 2, y = Anzahl von Wassermolekülen
Die besondere Struktur von natürlichem Zeolith (Klinoptilolith) im Detail
1. Wie alle aus Kationen und Anionen aufgebauten Mineralien ist auch Naturzeolith (Klinoptilolith) in chemischer Hinsicht ein Salz. Während die Kationen (z. B. Ca2+) wie bei gewöhnlichen Salzen einzelne Teilchen sind, sind die zugehörigen Anionen gitterartige, weit ausgedehnte Tetraeder- Strukturen des Zeolith (Klinoptilolith) aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff.
2. Innerhalb eines Zeolith (Klinoptilolith)-Tetraeders kompensiert die negative Ladung von drei der vier Sauerstoffatome gerade die positive Ladung des Aluminium – Ions. Die Ladung des vierten Sauerstoffatoms muss dagegen durch ein zusätzlich eingebautes positiv geladenes Atom, ein Kation aus der Gruppe der Alkali- oder Erdalkalimetalle ausgeglichen werden – gewöhnlich Na+ oder K+ beziehungsweise Ca2+ oder Mg2+.
3. Diese Kationen lagern sich dicht neben den negativ geladenen Tetraedern in den Hohlräumen und Kanälen des kristallinen Zeolith (Klinoptilolith) ein. Die Durchmesser der Kanalfenster liegen bei natürlichem Zeolith (Klinoptilolith) im Bereich zwischen 0,3 und 1,6 Nanometern.
Grundeigenschaften von natürlichem Zeolith (Klinoptilolith):
1. HOHE IONENAUSTAUSCHFÄHIGKEIT VON ZEOLITH
Kationen sind kein Bestandteil des starren Kristallgerüstes von Zeolith (Klinoptilolith) und sind daher sehr beweglich. Sie können unter bestimmten Bedingungen sogar gegen andere Kationen ausgetauscht werden, ohne dass sich dadurch die Struktur des Zeolithkristalls verändert. Die Fähigkeit von Zeolithen zum Ionenaustausch ohne eine drohende Zerstörung des Kristallgerüsts des Ausgangsmaterials Klinoptilolith, ist mit den schwachen Ionenbindungen zwischen Austauschkationen und Aluminosilikatgerüst zu begründen.
Offene Hohlräume und breite Kanäle mit Austauschkationen im Zeolith (Klinoptololith) beschleunigen die Austauschreaktionen sogar bei niedrigen Temperaturen. Die Ergebnisse von Untersuchungen der Ionenaustauscheigenschaften von Zeolith zeigen eine deutlich ausgeprägte Selektivität (Bevorzugung) gegenüber großen Kationen, die im Wesentlichen durch das Größenverhältnis zwischen auszutauschenden Ionen und Hohlräumen in der Zeolithstruktur begründet ist.
Der Silizium/Aluminium – Wert ist ein sehr wichtiges Merkmal mit hoher Aussagekraft über die Ionenaustauschfähigkeit sowie die thermische und chemische Stabilität von Naturzeolith (Klinoptilolith). Mit der Steigerung des Aluminium-Gehalts steigt auch die Ionenaustauschfähigkeit, während die thermische und chemische Stabilität und der effektive Durchmesser der "Öffnungen" des Zeolith (Klinoptilolith) dagegen sinkt. Deshalb haben gerade besonders kieselige Zeolithe eine größere praktische Bedeutung.
2. REVERSIBLE HYDRATISIERUNG UND AKTIVIERUNG VON ZEOLITH
Die Kationen des Zeolith (Klinoptilolith) halten auch Wasser im Zeolithkristall fest. Wassermoleküle tragen zwar insgesamt keine elektrische Ladung, sind jedoch polar und als solche ideale Lösungsmittel. Eines ihrer Enden ist schwach positiv, das andere ist schwach negativ geladen. Mit dem schwach negativen Ende werden Wassermoleküle daher von den Kationen angezogen. Um aus einem Zeolithkristall einen aktiven mikroporösen Körper zu gewinnen, ist eine Dehydratisierung, also Entwässerung des Zeolith erforderlich.
Bei normaler Zimmertemperatur und Feuchtigkeit befinden sich die drei Komponenten der Zeolithstruktur – Kristallgerüst, Kationen, Wasser - im Gleichgewicht. Bei Erhitzung von Zeolith (Klinoptilolith) findet eine Wasserverdampfung statt, das Gleichgewicht wird verschoben und das Zeolith "aktiviert". Der bei Erhitzung von Zeolith an der Oberflache des Minerals zu beobachtende Siedeeffekt, also der Eindruck eines kochenden Gesteins, hat zur Namensfindung "Zeolith" (Kunstwort, altgriechisch: "Siedestein") durch von Cronstedt im 18. Jahrhundert geführt.
3. ADSORPTIONSFÄHIGKEIT VON ZEOLITH
Die Eigenschaft von Zeolith (Klinoptilolith), nach erfolgter Dehydratisierung die Moleküle verschiedener Gase zu binden, die kleiner als die „Öffnungen“ in den Innenhohlräumen der Kristalle des Zeolith (Klinoptilolith) sind, bildet die Grundlage ihrer Nutzung als Sorbentien.
Die Gesamtwassermenge, die bei der Dehydratisierung freigesetzt wird, wird umso größer, je poröser die innerkristalline Struktur des jeweiligen Zeolith (Klinoptilolith) ist. Die Porosität bestimmt im Wesentlichen die Adsorptionsleistung von Zeolith (Klinoptilolith). Die Adsorptionsqualität von Zeolithen wird durch den effektiven Durchmesser der „Öffnungen“ sowie von der Größe der mit Wassermolekülen besetzten Innenhohlräume bestimmt. Der Anteil an freiem innenkristallinen Raum kann bei hochwertigem Zeolith (Klinoptilolith) bis zur Hälfte des Gesamtvolumens betragen.
4. SELEKTIVITÄTSREIHE FÜR ZEOLITH (KLINOPTILOLITH)
1. NH4 ≈ . K+>H+>Na+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>Li+ (nach Goto, 1983)
2. Cs+ > Rb+> K+> NH4+ > Pb > Ag > Ba2+> Na+>Sr2+>Ca2+>Li+>Cd2+>Cu2+>Zn2+
(Zeolith [Klinoptilolith] nach Tschelischew, 1988)
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