Eigenschaften und Anwendungen

Zeolithe wurden 1756 von Axel Frederick Cronstedt entdeckt. Sie bestehen aus den Grundbausteinen Silikat, Aluminat und Phosphat 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. Je nach Art der Tunnelsysteme werden Zeolithe in Faser,- Blätter- und Würfelzeolithe unterteilt. Die Anwendungen von Zeolithen beruht sehr häufig auf ihrer Fähigkeit, in ihrem Inneren andere Stoffe aufzunehmen. Entweder, um vorher eingebrachte Stoffe freizusetzen (Düngen von Pflanzen mit Kalium) oder um – meist unerwünschte – Stoffe aufzunehmen wie bei Katzenstreu, wo Geruchsmoleküle gebunden werden.

Durch 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. Da das Zeolith-Gittergerüst aus negativ geladenen Anionen aufgebaut ist, 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.

Nanoskalige Zeolith-Pulver werden zur Sauberhaltung des Wassers von Aquarien und Fischteichen angeboten. In Fukushima wird 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 verwendet.

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

Zeolithe sind als nanometergroße Pulver nicht selbstentzündlich. Auch als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle sind Zeolithe nicht entzündlich, also besteht keine Möglichkeit einer Staubexplosion.

Vorkommen und Herstellung

Zeolithe kommen in der Natur vor allem im Vulkangestein und in der Umgebung heißer Quellen vor. Von den etwa 60 auf der Erde als Mineralien vorkommenden Zeolithen sind neun abbaubar und technisch nutzbar. Sie haben unterschiedliche Porengrößen und –formen und sind je nach Herkunftsgebiet mit unterschiedlichen Alkali- oder Erdalkaliionen beladen. Auch der Wassergehalt variiert. Beispiele für natürlich vorkommende Zeolithe sind der schwammartige Faujasit der seine Entsprechung in den industriell hergestellten Zeolithen X und Y findet und nicht toxisch ist, sondern sogar in der Medizin eingesetzt wird. Als krebserregend bekannt ist hingegen der natürlich vorkommende, seltene, faserartige Erionit – von ihm sind aus nachvollziehbaren Gründen in Europa keine Anwendungen bekannt.

Zeolithstrukturen, die nicht natürlich vorkommen, werden chemisch hergestellt. 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 hergestellt werden. Oft werden beim Herstellungsprozess organische Moleküle als „Schablonen“ eingesetzt, um die das Zeolithgerüst herum kristallisiert. Üblicherweise entstehen dann Partikel oder Blättchen mit Abmessungen im Bereich weniger Mikrometer.

Als „Nano-Zeolithe“ werden Teilchen mit Abmessungen von 200 nm – 500 nm angeboten. An der Herstellung noch feinerer und deshalb noch aktiverer Zeolithe wird weltweit gearbeitet. Es können bereits Teilchen im Bereich von 50 nm Durchmesser 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.

 

Weiterführenden Informationen:

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.
   

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