8.9. Zeolithe

8.9.1. Übersicht, Einteilung der Zeolithe

1. Zeolithe mit eindimensionalen Kanäle (Faserzeolithe)
2. Zeolithe mit zweidimenensionalen Kanalsystemen (lamellare Zeolithe)
3. Zeolithe mit dreidimensionalen Kanalsystemen (z.B. Würfelzeolithe, Pentasile)

Bei den natürlichen Zeolithe gibt es verschiedene Gruppen:

• Natrolith-Gruppe
• Harmoton-Gruppe
• Mordenit-Gruppe
• Chabasit-Gruppe
• Faujasit-Gruppe (Sodalith-Gruppe)
• Analcit-Gruppe

8.9.2. Strukturchemie

• Faserzeolithe haben ein vorwiegend eindimensionales Kanalsystem. Die bekanntesten Beispiele sind Zeolithe der Natrolith/Skolezit-Gruppe:
  • Edingtonit Ba[Al₂Si₃O₁₀] . 4 H₂O, der fast die identische Struktur aufweist wie der synthetische Z-F
  • Thomsonit NaCa₂[Al₅Si₅O₂₀]^.6 H₂O (Struktur s. Abb. 8.8.1.) zeigt ebenfalls eine sehr ähnliche Struktur (Struktur mit Tetraedern und nur der Si-Verband)

    Abb. 8.9.1. Stilbit

  • Natrolit Na₂[Al₂Si₃O₁₀] . 2 H₂O. Mineralogie mit Bild

    Abb. 8.9.2. Natrolith

  • Skolezit mit Bild

    Abb. 8.9.3. Skolezit

  • Mordenit mit Bild

Abb. 8.9.4. Thomsonit (Si-Teilverband) ‣VRML	Abb. 8.9.5. Phillipsit (Si-Teilverband) ‣VRML

• Lamellare Zeolithe sind meist von plattigem Habitus. Die bekanntesten Vertreter sind
  • Phillipsit: (K,Na)₅[Si₁₁Al₅O₃₂] . 10 H₂O (Abb. 8.9.5.) mit Tetraedern und nur Si-Verband
  • Heulandit Ca[AlSi₃O₈] . 5 H₂O. Hier einige Links zur Mineralogie:
    • Clinoptilolite mit Bild
    • Heulandite mit Bild
    • Laumontite mit Bild.

  Abb. 8.9.6. Heulandite

• Zeolithe mit dreidimensionalen Kanälen (Würfelzeolithe, Pentasile usw.) sind die größte Gruppe der Zeolithe. Man kann weiter nach den vorliegenden Bauelementen unterscheiden:
  • Zeolithe aus ß-Käfigen (gekappte Oktaeder)
    • bei Verknüpfung über die Vierringe des ß-Käfigs (D4R, Würfel) ergibt sich die Struktur des Zeolithes Linde A (Abb. 8.9.7.).
    • bei Verknüpfung über die Sechsringe des Beta-käfigs (D6R, hexagonale Prismen) ergibt sich die Struktur des Zeoliths Faujasit (auch Zeolith X; Abb. 8.9.8.).

    Abb. 8.9.7. Zeolith A ‣VRML	Abb. 8.9.8. Faujasit ‣VRML

  • Zeolithe aus gekappten Kuboktaedern. Entsprechend des Grundkörpers können die gekappten Kuboktaeder über die Viereckflächen (D4R, Würfel), die Sechseckflächen oder die Achteckflächen miteinander verknüpft werden.
    • Verknüpfung über D4R (Würfel) für ebenfalls zum Zeolith Linde A (Abb. 8.9.9.).
    • Verknüpfung über D6R (hexagonale Prismen) ergibt die Struktur des Zeolithen ZK-5 (2 identische Netze ineinander, P statt I dargestellt, Abb. 8.9.10.).
    • Verknüpfung über D8R (8-eckige Prismen) ergibt die Struktur des Zeolithen RHO (Abb. 8.9.11.).

    Abb. 8.9.9. Zeolith A ('anti') ‣VRML	Abb. 8.9.10. ZK5 ‣VRML	Abb. 8.9.11. RHO ‣VRML

  • Zeolithe mit Stapelung hexagonaler Prismen: Ähnlich wie bei den dichten Kugelpackungen können die hexagonalen Prismen in unterschiedlicher Stapelfolge angeordnet sein:
    • Im Gmelinit sind die hexagonalen Prismen nach ..ABAB.. angeordnet, so daß sich neben den hexagnoalen Kanälen diese Hohlräume ergeben (Abb. 8.9.12.).
    • Im Chabazit sind sie dagegen nach ..ABC.. angeordnet und es entstehen diese Hohlräume (Abb. 8.9.13.). Hier zur Mineralogie und ein Bild

    Abb. 8.9.12. Gmelinit ‣VRML	Abb. 8.9.13. Chabasit ‣VRML

    Abb. 8.9.14. Chabasit (rhomboedrisch, pseudo-kubisch)

  • Die Pentasile enthalten 5-Ringe als gemeinsame Bauelemente. Es gibt eine sehr große Zahl verschiedener Pentasile, die z.T. sehr wichtige Katalysatoren sind. Der bekannteste Vertreter ist der ZSM-5, mit einem dreidimensionalen Kanalsystem: In eine Richtung (Abb. 8.9.15. links) liegen lineare Kanäle vor, in der anderen Richtung (Abb. 8.9.15. rechts) Zick-Zack-förmige Hohlräme.

Abb. 8.9.15. Si-Verband im ZSM-5 ‣VRML

Abb. 8.9.16. Kanalsystem im ZSM-5

8.9.3. Synthese

1. Reinigen von natürlichem Zeolith durch Auswaschen mit Wasser oder mit Salzlösungen bei verschiedenem pH-Werten.
2. Rekristallisation des natürlichen Materials in konzentrierten Salzlösungen (hydrothermal)
3. direkte Synthese aus Alkalialuminat, Alkalisilicate und amorphem SiO₂ unter hydrothermalen Bedingungen. Hierbei kann nicht nur über die Template, sondern auch über die Temperatur die Art der gebildeten Kanalsysteme gesteuert werden. Bei niedrigen Temperaturen (ca. 50^oC) werden lockerere Strukturen, bei 350 ^oC dichtere Packungen ausgebildet.

8.9.4. Verwendung von Zeolithen

1. Ionenaustauscher (Waschmittel, Molsieb)
2. sauere, formselektive Katalysatoren, wobei die Formselektivität unterschiedliche Ursachen haben kann:
   • Eduktselektivität
   • Produktselektivität
   • Selektivität des Übergangszustands
   Typische Reaktionen sind z.B.:
   • Isomerisierungen
   • Cracken
   • Hydrocrackung
   • Alkylierung von Aromaten
   • Dehydratisierung

8.9.5. Natürliche Zeolithe (Links)

• Analcim-Familie
  • Analcim: M, B, B+M
  • Leucit: M, B, B+M
  • Pollucite B+M
  • Wairakite
• Bellbergite
• Bikitaite
• Boggsite
• Brewsterite
• Chabasit-Familie
  • Chabazit: M, B, B+M
  • Willhendersonite
• Cowlesite
• Dachiardite
• Edingtonit: M, B
• Epistilbit: M, B+M
• Erionit: M, B
• Faujasit
• Ferrierite
• Gismondin-Familie:
  • Amicite
  • Garronite
  • Gismondine: B+M
  • Gobbinsite
• Gmelinit: M, B
• Gonnardite
• Goosecreekit M, B
• Harmotom-Familie:
  • Harmotom M, B, B+M
  • Phillipsit: M, B, B+M
  • Wellsite
• Heulandit Familie:
  • Clinoptilolit: M, B
  • Heulandit: M, B, B+M
  • Laumontit: M, B, B+M
• Levyne
• Mazzite
• Merlinoite
• Montesommaite
• Mordenit: M, B
• Natrolit-Familie:
  • Mesolit: M, B
  • Natrolit: M, B, B+M
  • Skolezit: M, B, B+M
• Offretite
• Paranatrolite
• Paulingite
• Perlialite
• Stilbit-Familie
  • Barrerite
  • Stilbit: M, B, B+M
  • Stellerit: M, B
  • Thomsonit: M, B B+M
• Tschernichite
• Yugawaralite

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