Fakultät für Physik und Astronomie Ruprecht-Karls-Universität ...

30 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN
des Zeolithen erklärt auch den Namen des Materials (griech. ζɛω λιθoσ = ” siedender Stein“), da
der Eindruck entsteht, ein Zeolith enthaltender Stein würde bei hohen Temperaturen beginnen
zu sieden.
(a) Zeolith Typ A (b) Zeolith Typ fau
Abbildung 2.7: Die Struktur der für Separationen am häufigsten eingesetzten Zeolithen (Kulprathipanja,
2010).
Die tetragonalen Einheitszellen des Zeolithen können auf verschiedene Weise zu sekundären
Strukturen, z. B. Kuben, hexagonalen Prismen oder polyedrischen Käfigen arrangiert werden,
die die Struktur des Zeolithen bestimmen. Insgesamt sind mindesten 40 natürlich vorkommende
Zeolithformen bekannt, hinzu kommen weit über 100 synthetisch hergestellte. Die Strukturen
der Zeolith-Typen A und fau (bzw. X und Y) sieht man in Abb. 2.7. Typ A besteht aus 24 Tetraedern
(12 SiO4 und 12 AlO4-Strukturen), die eine in Abb. 2.7 abgebildete Käfigstruktur bilden.
Zusätzlich sind 12 Kationen in die Struktur eingebaut, deren wahrscheinlichste Positionen in
Abb. 2.8 angegeben sind. Der fau-Typ besteht aus 192 Tetraedern, wobei das Verhältnis von
SiO4 zu AlO4 variieren kann, sodass ebenfalls die Menge an Kationen variiert. Je nach Strukturtyp
ergeben sich unterschiedlich große Poren im Zeolithen, die nur von Molekülen passiert
werden können, die kleiner sind als der Porendurchmesser. Daher eignen sich Zeolithen auch als
Molekularsieb, um Moleküle, die einen kleineren Durchmesser als die Poren haben, aus einem
Gemisch zu entfernen.
Im Gegensatz zu Aktivkohle sind Zeolithen hochgradig polare Adsorptionsmittel, da sie eine
Vielzahl an geladenen Ionen in ihrem Gitter eingebaut haben (Tabelle 2.3). Daher adsorbieren sie
besonders gut Stoffe mit einem starken permanenten Dipolmoment, z. B. Wasser. Auch Elemente
ohne Dipolmoment, aber mit einem permanenten Quadrupolmoment, können durch Zeolithen
adsorbiert werden. Zur Trennung von Argon und Sauerstoff sind Zeolithen daher besonders
gut geeignet, da diese beiden Elemente ähnliche physikalische Eigenschaften haben, Sauerstoff
aber im Gegensatz zum Argon ein permanentes Quadrupolmoment besitzt. Je nach Art des
verwendeten Kations und je nach Zeolithstruktur haben die einzelnen Zeolitharten verschiedene
Adsorptionseigenschaften. Im Allgemeinen gilt für die Bindungsenergie der Adsorption EAr <
EO2 < EKr < EN2 . Dies ist durch das unterschiedlich starke Quadrupolmoment der einzelnen
Moleküle zu erklären: Das von Stickstoff ist ca. 4 mal höher als dasjenige von Sauerstoff, Ar