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Vorlesung: Silicatchemie

8. Gerüst(Tecto)-Silicate

8.9. Zeolithe


8.9.1. Übersicht, Einteilung der Zeolithe

Die Zeolithe weisen im Unterschied zu Feldspäten ein geringeres Al/Si-Verhältnis auf. Es gibt auch Verbindungen, die praktisch Aluminium-frei sind. Z.B. ist der sogenannte Silicallit, ein Aluminium-freier ZSM-5. Durch den geringen Aluminiumgehalt sind deutlich weniger Kationen/Tetraederzentrum vorhanden. Diese Kationen sind meist hydratisiert, so dass die Zeolithe entwässert werden können. Synthetische Zeolithe werden durch spezielle Kationen (z.B. Alkylamine) in den Kanälen stabilisiert. Die Gruppe der Zeolithe besteht aus sehr vielen verschiedenen Strukturtypen. Sie können nach den unterschiedlichen Tunnelsystemen eingeteilt werden in:
  1. Zeolithe mit eindimensionalen Kanälen (Faserzeolithe)
  2. Zeolithe mit zweidimenensionalen Kanalsystemen (lamellare Zeolithe)
  3. Zeolithe mit dreidimensionalen Kanalsystemen (z.B. Würfelzeolithe, Pentasile)
Nach Nomenklatur und Vorkommen können auch natürliche Zeolithe (Si:Al-Verhältnis, sog. Modul, von 1 bis 5) von den synthetischen Verbindungen, die fast ohne Aluminium dargestellt werden können, unterschieden werden.

Bei den natürlichen Zeolithe gibt es verschiedene Gruppen:

Die technologische Einteilung der Zeolithe erfolgt nach Porengrößen und vorhandenen Kanalsystemen in eng-, mittel- und weit-porige Zeolithe mit ein-, zwei- oder dreidimensionalem Kanalsystem.

8.9.2. Strukturchemie

In der Mineralogie werden die Zeolithe nach ihrer Morphologie eingeteilt, die i.A. auch dem vorhandenen den Kanalsystemen folgt, in
  1. Faserzeolithe (1-dimensionale Kanalsystem)
  2. lamellare Zeolithe (2-dimensionale Kanalsystem) und
  3. Würfelzeolithe/Pentasile (3-dim. Kanalsystem).

Ganz nützlich ist auf Basis des Systems SiO2, NaAlSi3O8, CaAl2Si3O8 auch die Gruppierung nach Si/Al-Verhältnis und Alkali/Erdalkali-Verhältnis. Die jeweils wasserhaltigen Phasen des Systems sind in Abbilddung 8.9.1. eingetragen und die groben chemischen Existenzbereiche abgegrenzt und numeriert. Der für die einzelnen Strukturfamilien verwendete Farbcode wird auf dieser Seite einheitlich verwendet.

Abb. 8.9.1. Zusammensetzungen und Mineralogie wichtiger Zeolithe SVG

Die folgende Besprechung der wichtigsten Zeolith-Strukturen folgt dieser Nummerierung bzw. der groben Einteilung nach Kanalsystemen. Zu den Strukturen gibt es die vollständigste Übersicht in der 'Database of Zeolite Structures' der International Zeolite Association (IZA) (Baerlocker, McCusker). Dort findet man die Strukturen am schnellsten über den Dreibuchstaben-Code für das Si-Grundgerüst.

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

Abb. 8.9.16. Kanalsystem im ZSM-5



8.9.3. Synthese

Die Synthese von Zeolithen kann auf drei Wegen erfolgen:
  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. 50oC) werden lockerere Strukturen, bei 350 oC dichtere Packungen ausgebildet.

8.9.4. Verwendung von Zeolithen

Zeolithe finden Verwendung als
  1. Ionenaustauscher (Waschmittel, Molsieb)
  2. sauere, formselektive Katalysatoren, wobei die Formselektivität unterschiedliche Ursachen haben kann: Typische Reaktionen sind z.B.:

8.9.5. Natürliche Zeolithe (Links)

Links zu Mineralogie (M) und Bilder (B) natürlicher Zeolithe (in alphabetischer Reihenfolge): ( Übersicht Zeolithe).

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