Synthetische und natürliche Zeolithe – ein Vergleich. Teil 2

Wo Naturzeolithe ihre synthetischen Gegenstücke ersetzen

Auf dem Bild sieht man vorne die rosig gefärbten  synthetischen Zeolithe, hinten Naturzeolith (Klinoptilolith) aus der Slowakei. Während der synthetische Zeolith ein mit Bindemittel geformtes Pulver ist, stellt der Naturzeolith gebrochenes Gestein dar.

Zur Übersicht seien die gängigsten Zeolithe noch einmal nach ihren chemischen Eigenschaften und der Porengröße aufgelistet. Diese (extrem vereinfachte) Einteilung weist auf die möglichen Anwendungen hin:

	Niedriges Si/Al-Verhältnis	Mittleres Si/Al-Verhältnis	Hohes Si/Al-Verhältnis
Kleine Poren	3A, 4A: Hygroskopisch, säureempfindlich, Aluminium ist bio- verfügbar. Hohe Ionenaustauschkapazität, adsorbiert nur sehr kleine Moleküle. Enthärter, Trockenmittel.
Mittlere Poren	5A: Hygroskopisch, säureempfindlich. Trockenmittel, Adsorbens für Moleküle in Spezialanwendungen.	Klinoptilolith: Geringe Eignung als Trockenmittel, mäßige Adsorptions- kapazität, mäßige Ionenaustauschkapazität, gute Säurestabilität. Filtermaterial, Ionenaustauscher und Adsorbens für einfache Anwendungen.	ZSM-5, Silicalit: Hydrophob, hohe Adsorptionskapazität für kleine und mittelgroße Moleküle, Adsorbens für organische Moleküle, Katalysator.
Große Poren	13X, LSX: Hygroskopisch, säureempfindlich, hohe Adsorptionskapazität, schnelle Adsorption. Trockenmittel für Anwendungen mit Regeneration in situ, z. B. Drucklufttrockner in Fahrzeugen.		Y, USY: Hydrophob, hohe Adsorptions- kapazität für kleine bis größere organische Moleküle, schnelle Adsorption. Gute Säurestabilität. Adsorbens für organische Moleküle, Katalysator.

Von der Anwendungsseite her gesehen werden eingesetzt:

• Naturzeolithe (das ist meistens Klinoptilolith) in Landwirtschaft, Tierhaltung, Bau, Haushalt, Wasserbehandlung und als Füllstoff.
• Synthetische Zeolithe für Adsorptionstechnik, Katalyse, Chemie und in energetischen Anwendungen.
• Anwendungen am Menschen, in Medizin und Kosmetik, gibt es sowohl mit synthetischen als auch mit Naturzeolithen.

Preislich gesehen sind synthetische Zeolithe – auch die günstigsten – meist teurer als die hochwertigsten Naturzeolithe. Daher gibt es seit vielen Jahren Bestrebungen, zumindest in der Forschung, Katalysatoren und Industrieadsorbenzien durch Modifikation natürlicher Zeolithe zu gewinnen. Anbieter, die die solche Materialien in großen Mengen verkaufen können, sind aber (noch) nicht auf dem Markt.

Hier einige Links zu Texten bzw. Publikationen über Naturzeolithe in Anwendungen, die traditionell synthetischen Zeolithen vorbehalten  sind.

• SCR: SCR, oder Selective Catalytic Reduction, ist ein gut etabliertes Verfahren zu Minderung von Stickoxidemissionen. An einem Katalysator (z. B.  mit Eisen ausgetauscher ZSM-5 oder Mordenit) werden Stickoxide wie Lachgas (N₂O), Stickstoffmonoxid oder -dioxid mit Ammoniak NH₃ oder Harnstoff (NH₂-CO-NH₂) zu Stickstoff, Wasser und, im Fall von Harnstoff als Reduktionsmittel, CO₂ umgesetzt. Das Reduktionsmittel muss bei mobilen Anwendungen in einem gesonderten Tank mitgeführt werden.
  Publikationen: Vergleich von natürlichem und synthetischen Mordenit; Vergleich von kommerziellem Vanadiumbasierten SCR-Katalysator mit solchem aus Cu-ZSM5 und einem kupfergetauschten Mordenit aus Kuba.
• Kationenaustausch: Hier ersetzt Klinoptilolith entweder einen Ionenaustauscher (aus Polystyrol), wie in der Studie über die Adsorption von Schwermetallen an einem Klinoptilolititen, oder aber das „Sasil“ (Zeolith 4A) in pulverförmigen Waschmitteln. Colgate-Palmolive haben auch ein Patent für eine solche Anwendung. Durch den wesentlich geringeren Aluminiumgehalt natürlicher Zeolithe im Vergleich zu Zeolith A (ca. 20%) kann auch deren Ionenaustauschkapazität nicht so hoch sein. Zudem sind die Pulverwaschmittel in den letzten Jahren fast völlig von flüssigen Waschmitteln verdrängt worden, welche – ein Rückschritt! – wieder Phosphorverbindungen zum Enthärten einsetzen. (Die Stiftung Warentest empfiehlt Pulverwaschmittel.)
• Abluftreinigung: Naturzeolithe sind eher hydrophil und haben eine mittlere Porengröße. Dies engt ihre Anwendung im Abluftreinigungsbereich ein, wenn man sie mit hydrophoben, großporigen Zeolithen vergleicht. Bedingt durch den Porendurchmesser könnten nur kleinere Moleküle wie Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Methanol, Aceton etc. adsorbiert werden. Bei verzweigten Kohlenwasserstoffen oder Kohlenwasserstoffresten wird es dagegen schon eng (siehe den entsprechenden Blogbeitrag über den Kinetischen Durchmesser von Molekülen). Ein Papier der EPA zeigt auf sehr einfache Weise den Einsatz von Zeolithen in der Abluftreinigung.Zum Problem mit der Porengröße und der Hydrophilie kommt, dass im gebrochenen Gestein kein Transportporensystem vorliegt wie in einem gebundenen Pellet. Dadurch wird die Ausnützung des vorliegenden Zeolithen sehr erschwert, was auf Kosten der Gesamtkapazität geht. Vereinfacht gesagt, werden nur die oberflächlichen Bereiche jedes Korns ausgenützt – für eine Abluftreinigungsanlage mit Regenerationsperipherie sind das keine guten Voraussetzungen. Daher werden Naturzeolithe eher in einfachen Anwendungen zur Geruchsbindung eingesetzt, und da ohne Regeneration, typischerweise direkt in der Einstreu statt in einem Filter. Beispielpublikationen für

• Ammoniak
• Schwefelwasserstoff
• Schwefeldioxid

Einen Rückblick über die letzten 25 Jahre, aus dem Jahre 1980 gesehen, biete die Publikation von E. Flanighan, „MOLECULAR SIEVE ZEOLITE TECHNOLOGY — THE FIRST TWENTY-FIVE YEARS“. Wenn auch einiges mittlerweile anders ist als beschrieben, sind die Gründe, warum Zeolithe (natürlich oder synthetisch) in gewisse Anwendungen nicht vorgedrungen sind, immer noch gültig.