Silkem entwickelt und produziert seit über 25 Jahren aktiv Zeolithprodukte. Die Anfänge und das Wachstum des Unternehmens sind direkt mit diesen Produkten verbunden. Dank intensiver Entwicklungsarbeit wird das Sortiment kontinuierlich um neue Produktarten erweitert, wodurch sich auch die Anwendungsmöglichkeiten vervielfachen.
Zusammensetzung von Zeolithen
Eine vollständig silikatische Struktur, die nur aus SiO4-Tetraedern mit der chemischen Formel SiO2 besteht, ist Quarz, dessen Struktur elektrisch neutral geladen ist. Die Einlagerung von Aluminiumatomen in das Silikatgerüst führt zu einer negativen Ladung, die zur Neutralisierung der Ladung des Kristallgitters Kationen aus Elementen der Hauptgruppen I und II des Periodensystems, wie Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium, oder Kationen organischen Ursprungs erfordert.
Die Zusammensetzung eines Zeoliths lässt sich mit der Formel 𝐌2/𝑛𝐎 ∙ 𝐀𝐥2𝐎3 ∙ 𝑦𝐒𝐢𝐎2 ∙ 𝑤𝐇2𝐎 beschreiben, wobei y Werte zwischen 2 und ∞, n die M-Kationenvalenz und w die Wassermoleküle in den Poren des Zeoliths darstellt. Strukturell lassen sich Zeolithe als komplexe kristalline anorganische Polymere mit einem unendlichen dreidimensionalen Gerüst beschreiben, das aus AlO4– und SiO4-Tetraedern besteht, die durch gemeinsame Sauerstoffatome miteinander verbunden sind. Der Aluminiumgehalt im Zeolithgerüst kann über einen weiten Bereich von SiO2/Al2O3-Molverhältnissen variieren, von einer vollständig silikatischen Struktur bis zu einem Zeolith mit einem SiO2/Al2O3-Molverhältnis von 2, was gemäß der Loewenstein-Regel, die besagt, dass Al-O-Al-Motive (Aluminium-Sauerstoff-Aluminium) in Zeolithstrukturen vermieden werden, die Untergrenze darstellt.
Die Zusammensetzung des Zeolithgerüsts hängt von den Synthesebedingungen oder Modifikationen nach der Synthese ab. Die hydrothermale Stabilität und Hydrophobie von Zeolithen nehmen mit dem Molverhältnis SiO2/Al2O3 zu. Die Zeolithkristallstruktur enthält intrakristalline Kanäle oder miteinander verbundene Hohlräume, die mit Kationen oder Wassermolekülen besetzt sind. Die Kationen sind beweglich und können mit anderen Kationen ausgetauscht werden. Wassermoleküle können reversibel aus dem Zeolithgerüst entfernt werden, in der Regel durch Erhitzen, wobei eine poröse Struktur erhalten bleibt, in der Mikroporen und Hohlräume bis zu 50 % des Volumens ausmachen.
Die kristalline Beschaffenheit des Zeolithgerüsts sorgt dafür, dass die Poren im gesamten Kristall gleichmäßig groß sind. Dadurch können Zeolithe Moleküle nach ihrer Größe trennen, weshalb sie auch als Molekularsiebe bezeichnet werden. Das Zeolithgerüst kann eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Porentopologie aufweisen. In der Praxis werden Zeolithe mit zwei- oder dreidimensionalen Porensystemen aufgrund ihrer besseren Zugänglichkeit und Vernetzung bevorzugt.
Verwendung von Zeolithen
Indirekt werden viele aromatische und olefinische Kohlenwasserstoffe unter Verwendung von Zeolithkatalysatoren hergestellt, die anschließend mit verschiedenen Zeolithadsorbentien gereinigt werden. Die so hergestellten Verbindungen werden dann als Rohstoffe für die Herstellung von Textilien, Möbeln, Lebensmitteln, Baumaterialien, Kunststoffen, Kraftstoffen usw. verwendet. Zeolithe haben einen direkten Einfluss auf unser tägliches Leben durch ihre Verwendung in Waschmitteln, Feuchtigkeits- und Geruchsentfernern, bei der Herstellung und Reinigung von Industriegasen usw.
Obwohl viele neue Gruppen poröser Materialien entdeckt wurden, die hauptsächlich auf Aluminophosphaten, mesoporösen Silikaten und in jüngerer Zeit auf metallorganischen Gerüsten (MOFs) basieren, stehen Zeolithe – Materialien, die Mitte des 20. Jahrhunderts entdeckt wurden – hinsichtlich ihrer Wirksamkeit, Erschwinglichkeit und Verwendung in industriellen Katalyse-, Adsorptions- und Trennprozessen nach wie vor an erster Stelle.
Die herausragenden Eigenschaften dieser mikroporösen Aluminiumsilikatmaterialien, ihre einfache Verarbeitung, ihre Stabilität und die ökologische und wirtschaftliche Verträglichkeit ihrer Produktion bilden die Grundlage für ihre Nützlichkeit in vielen industriellen Anwendungen. Neue Modifikationsverfahren nach der Synthese ermöglichen die Herstellung von Zeolithmaterialien mit noch besseren Eigenschaften, wodurch nach mehreren Jahrzehnten die Aufmerksamkeit der Porenmaterialwissenschaft wieder auf die grundlegenden und industriell wichtigsten Zeolithe wie Zeolithe A, X, Y, Mordenit, Beta und ZSM-5 gerichtet wurde.
- High purity: the Al₂O₃ content typically exceeds 99%.
- High hardness: comparable to corundum (9 on the Mohs hardness scale), which makes it ideal for abrasive applications.
- Thermal stability: withstands extremely high temperatures, making it ideal for refractory materials.
- Chemical inertness: resistant to acids and bases, ensuring a long lifetime in harsh environments.
- Controlled particle size: available in different sizes for specific applications.
- Controlled specific surface area: can be adjusted to improve reactivity or inertness.
Waschmittel
Die Zeolithe in Waschmitteln erleichtern den Austausch von Natriumkationen gegen Calcium- und Magnesiumkationen im Wasser. Dadurch wird das Wasser enthärtet und die anderen Inhaltsstoffe können ihre Wirkung optimal entfalten.
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PVC-Stabilisatoren
Eine wichtige Anwendung von Zeolith 4A ist die Herstellung von Wärmestabilisatoren für die PVC-Produktion, wo die Zeolithe als HCl-Neutralisatoren und Adsorbentien wirken.
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Adsorbentien und Molekularsiebe
Zeolithe in Pulverform werden zur Herstellung von Adsorbentien in Granulat- oder Pelletform, für zeolithbeschichtete Pharma- und Lebensmittelverpackungen sowie zur Herstellung von Polymeradsorbentien verwendet.
Landwirtschaft
In der Landwirtschaft werden Zeolithe eingesetzt, um die Fließfähigkeit von Düngemitteln zu verbessern und eine langsame, gleichmäßige Freisetzung der Wirkstoffe in den Boden zu gewährleisten. Sie verhindern, dass Nährstoffe aus dem Boden ausgewaschen werden.
Bauwesen
Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich von Zeolithen ist das Bauwesen, wo sie hauptsächlich bei der Herstellung verschiedener Betonsorten zum Einsatz kommen.
Wasseraufarbeitung
Als Ionenaustauscher werden Zeolithe zur Entfernung von organischen Verbindungen, Schwermetallen und radioaktiven Substanzen aus Wasser oder kontaminierten Böden eingesetzt.
Herstellung von Bremsbelägen
Zeolithe werden als Reibungsregulatoren bei der Herstellung von Bremsbelägen eingesetzt. Sie wirken als Adsorptionsmittel der Feuchtigkeit von der Oberfläche des Bremsbelags und reduzieren so die Geräusche, die durch die Reibung zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe entstehen.
Weitere Anwendungsbereiche
Zeolithe werden darüber hinaus verwendet:
- als Füllstoffe bei der Herstellung von Farben, Lacken und Papier,
- zur Beseitigung unangenehmer Gerüche im Haushalt (bspw. als Zusatzstoff in Tierstreu),
- als Katalysatoren in säurekatalysierten Reaktionen (Cracken, Isomerisierung, Alkylierung).
| Produkttyp | ZP-4A | ZP-4A-TSR | ZP-4A-LD | ZP-4A-HD | ZP-4AM | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Na2O | % | 17 – 19 | |||||
| Al2O3 | % | 28 – 30 | |||||
| SiO2 | % | 31 – 34 | |||||
| H2O | % | 18 – 22 | |||||
| Na2SO4 | % | 0 | 1.5 – 2.5 | ||||
| Wasserfreier Feststoffgehalt (1h/800˚C) | % | 78 – 82 | 79 – 85 | ||||
| Helbezugswert (R 460) | % | min. 94 | |||||
| Schüttgewicht | g/l | 280 – 380 | – | – | 450 – 550 | ||
| Stampfdichte | g/l | – | – | max. 500 | min. 630 | – | |
| pH (5% Aufschlämmung) | 11 – 12 | 10 – 12 | |||||
| Calciumionen – austauschkapazität | mg CaO / g anhydrous | min. 160 | |||||
| Statische Wasseradsorption * | % | – | – | – | min. 25 | – | |
| Wasseradsorptions – kapazität (WAC)** | % | – | – | min. 24 | – | – | |
| Tenzide absorption | g/100g | – | – | – | – | 45 – 55 | |
| Korngrössenverteilung: | |||||||
| > 10 microns | % | max. 10 | – | ||||
| < 1 micron | % | max. 10 | – | ||||
| Durchschnittliche Korngröße d50 | µm | 3 – 5 | – | ||||
| Siebrückstand (on 45 µm) | % | 0.2 | 0.0 | 0.2 | – | ||
| Eigenschaften | Feines weisses Pulver ohne sichtbare Verunreinigungen | ||||||
*(25˚C, RH=55%, 24h)-Klimakammer
**(23˚C +/-2˚C, RH=55%, 24h)-desiccator