Zeolithe Natürliche Molekularsiebe

Zeolithe werden wegen ihrer besonderen Eigenschaften in vielen industriellen Bereichen eingesetzt: Wasser- und Bodenreinigung, Bauindustrie, Landwirtschaft, Solartechnik.

Der Schwedische Mineraloge Axel Frederick Cronstedt entdeckte vor fast 250 Jahren die Gruppe der Zeolithe, eine bis dahin unbekannte Silikatgruppe. Zeolith bedeutete „Siedestein“. Dieser Begriff ergibt sich aus den beiden griechischen Wörtern „zein“ für sieden und „lithos“ für Stein. Zeolithe tragen diesen Namen, da sie beim Erhitzen Wasser abgeben, so dass sie scheinbar sieden und letztlich zu einer weißen Glasperle schmelzen.

Chemische und mineralogische Charakterisierung

Mineralogisch betrachtet sind Zeolithe hydratisierte Alumosilikate. Strukturell setzen sie sich aus den beiden Grundbausteinen SiO4- und AlO4-Tetraedern zusammen. Dabei ist immer ein Silizium- beziehungsweise Aluminiumatom von vier Sauerstoffatomen tetraedrisch umgeben. Silizium- und Aluminium-Tetraeder wechseln sich ab, so dass die Baugruppe Si-O-Al entsteht. Chemisch funktioniert das Ganze, da sich Aluminium ähnlich verhält wie Silizium. Sie unterscheiden sich jedoch in ihrer positiven Ladung. Während Aluminium dreifach positiv geladen ist, verfügt Silizium über eine vierfach positive Ladung. Beim Einbau eines Aluminiumatoms in ein Silizium-Sauerstoff-Gerüst muss demnach ein Ladungsausgleich stattfinden. Dies geschieht bei Zeolithen durch den Einbau zusätzlicher positiv geladener Ionen, auch Kationen genannt, wie beispielsweise Calcium, Natrium, Kalium, oder Magnesium.

Eigenschaften von Zeolithen

Durch die charakteristische Bauweise auf atomarer Ebene entstehen regelmäßige Hohlraumstrukturen. Die Hohlräume bilden Kanäle oder Käfige. In ihnen sitzen die zusätzlichen Kationen oder auch Kristallwasser zum Ladungsausgleich. Durch die Hohlräume besitzen Zeolithe eine riesige innere Oberfläche. Da die Hohlraumbesetzer nur locker gebunden sind, können sie leicht abgegeben werden und andere „Bewohner“ aufnehmen. Der Prozess ist also reversibel. Durch diese Eigenschaft sind Zeolithe ausgezeichnete Ionenaustauscher, die sich industriell einsetzen lassen. So binden zum Beispiel synthetische Zeolithe Katzenstreu die geruchsbildenden Substanzen und in Waschmittel fungieren sie als Wasserenthärter. Sie können auch als „Schwamm“ für giftige oder radioaktive Stoffe eingesetzt werden. Dabei wirken sie wie ein Molekularsieb, um ganz gezielt unerwünschte Substanzen zu filtern. Des Weiteren sind Zeolithe Katalysatoren, da auf ihrer riesigen Oberfläche viele Reaktionen gleichzeitig ablaufen können. Zeolith-Katalysatoren nutzt man unter anderem im Crack-Prozess zur Spaltung von großen organischen Molekülen, wie sie im Erdöl vorkommen, um kleinere Moleküle für das Benzin zu erzeugen.

Einteilung und Aussehen von Zeolithen

In der Natur kommen Zeolithe in den unterschiedlichsten Strukturtypen vor. Man unterscheidet nach der Arte der Tunnelsysteme zwischen Faser-, Blätter- und Würfelzeolithen. Chemisch sind Zeolithe zwar hochporös, dafür mechanisch und thermisch recht stabil. Die meisten Zeolithe sind farblos bis weiß; einige sind rot oder gelb. Bis heute sind über 140 verschiedene Zeolitharten bekannt. Von den etwa 60 natürlich vorkommenden Arten sind neun abbauwürdig.

Entstehung von natürlichen Zeolithen

Natürliche Zeolithe sind spätmagmatisch-hydrothermaler Herkunft. Das bedeutet, dass sie bei geringen Temperaturen und Drücken unter Anwesenheit von Wasser entstehen. Meist bilden sie sich in Hohlräumen und Klüften aus basischen Ergussgesteinen, seltener im Innern der Erdkruste aus Intrusivgesteinen. Da in Hohlräumen ein freies Wachstum der Kristalle möglich ist, weisen sie häufig idiomorphe Kristallformen auf. Das heißt, dass sie ihre Eigengestalt voll entwickeln können. Manche Zeolithe entstehen auch in Hohlräumen von kristallinen Schiefern und Erzgängen. Daneben findet man sie massenhaft in feinkörniger Ausprägung in Tuffen.

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