Einige Anwendungsbeispiele für Zeolithe

Je nach Anwendungsfall stehen Zeolithe in verschiedenen äußeren Formen zur Verfügung: als Pulver, Formkörper oder auch als große Wabenkörper, etwa für Katalysatoren.

Pulverförmige Zeolithe haben, da sie bindemittelfrei sind, eine höhere dynamische Adsorptionskapazität pro Masseneinheit und eine bessere Beständigkeit gegen Erhitzen und Kondenswasser, sind aber in Festbetten natürlich nicht anwendbar.

Gekörnte Naturzeolithe enthalten kein Bindemittel. Die Körnung ergibt sich durch eine entsprechende Vermahlung des Gesteins. Solche Körner sind dichter als mit Bindemitteln erzeugte Körner (welche "gebläht" werden). Obwohl sie pro Volumeneinheit mehr Zeolith enthalten als gebundene Pellets, haben sie eine geringere dynamische Kapazität, da ihnen das Makro- und Mesoporensystem für den Stofftransport fehlt. Durch thermische Aktivierung kann dieser Nachteil bei manchen Naturzeolithen teilweise ausgeglichen werden.

Sie können hier eine grafische Übersicht (Mind Map) über die Anwendungsmöglichkeiten für Zeolithe herunterladen (*.gif-Datei, 62 kB).

Trocknung von Gasen und Flüssigkeiten

Dazu wird meistens Zeolith A verwendet mit Porengrößen von 3 oder 4 A (entsprechend 300 bzw. 400 pm). Wegen der Säurestabilität solcher Zeolithe ist dies auch bei sauren oder korrosiven Medien möglich.
  Bekanntestes Beispiel ist die Verwendung von Zeolithen in Doppelglasfenstern bzw. in Kältemaschinen. Das Verfahren funktioniert einerseits durch die besondere Hydrophilie dieser Molekularsiebe, andererseits müssen Moleküle, die ebenfalls adsorbiert würden, durch Größenausschluss aus den Poren ferngehalten werden. Bei großen Molekülen, wie den halogenhaltigen Kältemitteln, genügt es, 4 A-Zeolithe zu verwenden. Sollen Olefine getrocknet werden, so müssen durch die Verwendung ausreichend kleinporiger Siebe diese ungesättigten Kohlenwasserstoffe aus den Poren ferngehalten werden, da sie u. U. dort polymerisieren könnten. (Anmerkung: Obwohl sie als “hydrophil” bezeichnet werden, ist die Adsorptionskapazität dieser Zeolithe für organische apolare Verbindungen höher als die der hydrophoben Zeolithe!)

Die Abbildung zeigt Perlen und Strangpresslinge von Na-Zeolith 3A verschiedener Hersteller.

Bulktrennung von Gasen durch Adsorption

Klassisches Beispiel ist die Erzeugung von Sauerstoff oder Stickstoff aus Luft (heute nur noch bei kleineren Anlagen mit dem Zeolithverfahren rentabel) oder die Trennung von Aromaten von Paraffinen. Auch die Entschwefelung von Erdgas wird auf diese Weise noch durchgeführt. Grundlage des Verfahrens ist die bessere Adsorbierbarkeit einer der Komponenten der Gasmischung, etwa durch höhere Polarisierbarkeit des Moleküls. So wird Stickstoff adsorbiert, Sauerstoff nicht; Aromaten werden viel besser als Paraffine adsorbiert, und schwefelorganische Verbindungen wesentlich stärker als Methan.

Zur Auswahl des richtigen Adsorbens werden die Polarität und die Molekülgröße betrachtet. Diese haben Einfluss auf die Diffusionsgeschwindigkeit der Moleküle innerhalb des Zeolithen und somit auf die Adsorptionskapazität. Das Foto zeigt links einen Zeolithen X, rechts einen ZSM-5, in der Mitte ein Mischbett beider Sorten.

Der Zusammenhang verschiedener Einflussfaktoren ist so komplex, dass man - obwohl die Zusammenhänge auch modelliert werden - bei der Planung nicht auf Versuche verzichten kann.

Je nach Größe des “Trennfaktors” erfolgt die Trennung einer Mischung mehr oder weniger vollständig. Meistens werden mehrere Stufen hintereinander geschaltet.

Gastrenntung mit Membranen

Eine Zeolithmembran besteht entweder aus einem keramischen Träger, auf den eine lückenlose Schicht von Zeolith-Mikrokristallen aufgewachsen ist, oder aus einer mit Zeolithpartikeln gefüllten Polymermembran. Die Diffusionsgeschwindigkeit der einzelnen Gasteilchen durch die Zeolithkristalle bestimmt das Verhältnis der Trennung.

Katalyse

Die katalysierte Reaktion findet innerhalb der Poren statt; als Katalysatoren werden nur großporige Zeolithe verwendet. Katalytisch wirksam sind dabei die sauren Zentren des Zeolithgerüstes und/oder in den Zeolithen eingebrachte Edelmetalle, etwa Platin. Einmal durch die chemische Selektivität des Vorganges, aber auch durch eine Formselektivität gegenüber den Reaktanden und dem Übergangszustand der Reaktion steuert der Katalysator die Reaktion in die gewünschte Richtung oder ermöglicht sie erst. Einige sehr anschauliche Grafiken dazu hat Dr. Anke Hagen von der Universität Kopenhagen ins Netz gestellt.

Anwendungsbeispiele finden sich vor allem in der Petrochemie beim Cracken und Isomerisieren von Kohlenwasserstoffen. Auch anorganische Reaktionen, wie z. B. die Oxidation von H2S und die Reduktion von NO zu weniger umweltschädlichen bzw. giftigen Spezies sind möglich.

Das Foto zeigt einen synthetischen Träger, welcher mit einem Zeolithpulver beschichtet wurde. Als Katalysator eignet sich aber auch ein Schüttbett oder ein massiver Wabenkörper, ähnlich einem Autokatalysator.

Ionenaustausch

Ein Zeolith kann seine eigenen Kationen - z. B. Natrium - gegen solche aus dem umgebenden Medium austauschen. Mengenmäßig den größten Anwendungsbereich findet man hierbei im Bereich der Wasserenthärtung, z. B. für Waschmittel. Hier wird Ca⁺⁺ gegen Na⁺ ausgetauscht. Aber auch speziellere Anwendungen sind möglich: etwa die Entfernung von Ammoniumionen aus einer Lösung oder eine “Kationensiebfunktion”, z. B. die Radioisotopentrennung von Cs⁺ und Strontium⁺⁺-Ionen. Eine weitere Möglichkeit ist die Beseitigung von Schwermetallen aus Wasser.

Neu ist ein Verfahren, das ein Zeolithpulver in den Abgasstrom von Kohlekraftwerken eindüst (wie es auch mit Aktivkohle gemacht wird), um Quecksilber aus der Abluft zu entfernen. Der Vorteil von Zeolithen gegenüber Aktivkohle ist, dass die Bildung der Flugasche (ein Koppelprodukt, das an die Zementindustrie verkauft wird) nicht negativ beeinflusst wird. [ 3 ]

Aquaristiker können sich über die Anwendung von Zeolithen in Aquarienfiltern hier informieren: Zeoforte, und sehr ausführlich anhand der Linkliste von aquarium-bbs.

Zementzuschlagstoff

Wenn Zementmischungen alkalische Zuschlagstoffe mit mehr als 3 kg/m³enthalten, wird der Beton anfällig für Alkalitreiben. Gefördert wird diese Erscheinung noch durch Zuschlagstofe mit löslichen Silikaten. Alkalitreiben führt zu einer Volumenzunahme und dadurch zu Rissen im Beton. [ 1 ]

Feingemahlener Naturzeolith (< 10 µm) mit guter Ca-Aufnahmekapazität kann in solchen Fällen dem Zement bis zu 20% zugemischt werden, um den fertigen Beton zu stabilisieren. Zusätzlich soll der Zeolith die Pumpfähigkeit des frischen Betons erhöhen und die Segregation verlangsamen. [ 2 ]

Als Quelle kleiner Mengen von Schwermetallen

Die üblicherweise im Zeolithen vorkommenden Kationen, meistens Na, K oder Ca, können mit Hilfe eines mehrstufigen Verfahrens gegen Ionen wie Kupfer oder Silber ausgetauscht werden. Diese Elemente werden langsam und kontinuierlich wieder freigesetzt und bewirken, dass sich Bakterien an der Oberfläche nicht festsetzen können.

Kupfer- und Silberzeolith werden z. B. in Beschichtungen, Wandfarben oder in Kunststoffgegenstände wie Möbeloberflächen oder sanitäre Einrichtungen eingearbeitet. Je nach der effektiven Menge wirksamen Silbers reduziert sich die Besiedlung von Oberflächen um > 99% [ 2 ]. Ein japanischer Hersteller bietet sogar einen Silberzeolithen als Betonzuschlagstoff an, um die Zerstörung des Betons durch Sulfattreiben (ausgelöst durch einen Thiobacillus und typisch für Abflussrohre) zu verlangsamen.

Erzeugung von Kälte und Vakuum

Die Adsorption ist immer ein exothermer Vorgang. Von flüssigem Wasser aufsteigender Wasserdampf wird vom Zeolithen aufgenommen, die Verdampfungsenthalpie wird dabei dem Wasser entzogen, welches sich - eventuell bis zum Gefrierpunkt - abkühlt. Auf dieser Basis werden auch komplette Kältemaschinen realisiert (auch mit anderen Adsorbentien). Eine Funktionsbeschreibung findet sich z. B. auf den Seiten der Zeo-Tech GmbH oder auf Folie 16 des Zeolith-Vortrags. Einen einführenden Artikel zum Thema "Adsorptionskältemaschine" von Andreas Gassel (TU Dresden) können Sie herunterladen.

Umgekehrt kann in einem geschlossenen System dadurch der Druck gesenkt werden, dass dem Gas ein Weg zum Zeolithen geöffnet wird, auf den es adsorbieren kann.

"Biologische" Anwendungen

Ntürliche Zeolithe werden zu verschiedenen Zwecken in der Landwirtschaft eingesetzt, wobei ihre Funktionen Ionenaustauschkapazität und Adsorptionskraft ausgenützt werden. Einen Langzeitdünger erhält man, indem der Zeolith mit den Ionen, welche dem Boden fehlen, beladen und dann unter die Erde gemischt wird. Die Fähigkeit der Zeolithe, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Ammoniumionen aufzunehmen, wird ausgenützt, indem diese Stoffe der Streu in Ställen untergemischt werden.

Dazu werden meistens natürliche Zeolithe verwendet, vor allem auch aus Kostengründen. Diese Gesteine komen in verschiedenen Vermahlgraden in den Handel. Das Foto zeigt den gleichen natürlichen Klinoptilolithen aus der Tschechischen Republik in unterschiedlichen Mahlgraden.

Es gibt einige Veröffentlichungen zum Thema "Adsorption von Toxinen durch Zeolithe" (siehe die entsprechende Literaturliste). Entweder soll das durch Zusatz von Zeolithen zum Futter geschehen, indem die durch Schimmelpilze erzeugten Toxine adsorbiert werden, oder auch erst im Magen-Darm-Trakt. Die Zusammenhänge sind allerdings sehr kompliziert, was mögliche Therapieerfolge mit Zeolithen erschwert. (Siehe dazu auch den entsprechenden Blogeintrag.)

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[ 1 ] Siehe dazu auch das Vortragsmanuskript Naturzeolithe.pdf, ab Folie 18.
[ 2 ] Quelle: Applications of natural zeolite to construction and building materials in China. by Feng, Nai-Qian; Peng, Gai-Fei
Source: Construction and Building Materials, 10/1/2005.
Via: HighBeam™ Research
COPYRIGHT 2008 Reed Business Information, Inc. (US)

[ 3 ] Quelle: ZEOX Successfully Completes Testing of Mercury Removal Product ZMM(R) AZI. Canadian Corporate News, 2/5/2009.
Via: HighBeam™ Research
COPYRIGHT 2009 Canadian Corporate News. News Provided by Comtex.

Diese Seite wurde zuletzt am 11.03.2010 geändert.
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