Kristalle und Energie

Kristalle und Energie. Der Fortschritt der grünen Energie steht in direktem Zusammenhang mit der Gewinnung neuer kristalliner Materialien. Zeolithe sind zum Beispiel poröse Materialien, die als Katalysatoren in der Ölindustrie und als Molekularsiebe in der Wasseraufbereitung eingesetzt werden. Die Effektivität der Solarenergie hängt von Siliziumkristallen ab. Und die große Herausforderung der Energiespeicherung liegt in der Verbesserung der Kristallisation von Halbleitermaterialien.

Wissen Sie, wie ein Solarkraftwerk funktioniert? Wissen Sie, was eine Brennstoffzelle und ein Katalysator sind? Können Sie sich vorstellen, wie ein Molekularsieb Wasser reinigt?

Zeolithen

Zeolithe sind mikroporös und haben eine extrem hohe Hydratations- und Trocknungsfähigkeit, da sie Poren und Kanäle einer bestimmten Größe in ihrer Struktur aufweisen. Etwa 200 Arten von Zeolithen sind aufgrund ihrer Struktur identifiziert worden. Die meisten davon sind synthetisch, aber einige kommen in der Natur in Form von Mineralien vor, wie z. B. Leuzit, Heulandit und Stilbit, das der erste bekannte Zeolith war. Diese Minerale kommen in vulkanischen, metamorphen und sedimentären Gesteinen vor. Ihre kristalline Struktur besteht aus Tetraedern, die miteinander zu einem dreidimensionalen Gitter verbunden sind, in dem jedes Sauerstoffatom durch zwei Siliziumatome geteilt ist.

Zeolieten

Zeolithe tragen in mehrfacher Hinsicht zu einer saubereren und sichereren Umwelt bei. Fast alle ihre Anwendungen zielen auf die Lösung von Problemen im Zusammenhang mit Verschmutzung oder Energieverbrauch in vielen industriellen, technologischen und häuslichen Prozessen. Dank ihrer Fähigkeit, andere Moleküle zu absorbieren und Wasser zu enthärten, sind sie zum Beispiel in den meisten Waschmitteln, als Ersatz für phosphatbasierte Schadstoffe, in Bodenverbesserern für die Landwirtschaft und in Wasserfiltern enthalten.

Natriumzeolith wird zur Wasserenthärtung durch einen Ionenaustauscher verwendet. Dies trägt dazu bei, die Effizienz der enthaltenen Waschmittel zu verbessern und die Wasserverschmutzung und den Energieverbrauch beim Waschen zu reduzieren.

Kristalle und Energie

Einige Zeolithe haben eine molekulare Selektivität für Substanzen, die sie absorbieren, d.h. sie sind sehr spezifisch für bestimmte katalytische Anwendungen. Per Definition machen Katalysatoren jeden chemischen Prozess effizienter. Verschiedene synthetische Zeolithe werden als Katalysatoren in der petrochemischen Industrie eingesetzt, um Dieselmoleküle aufzuspalten und Benzin herzustellen. In der Nuklearindustrie werden Zeolithe eingesetzt, um radioaktive Fusionsprodukte abzufangen. Ihre kristalline Struktur ist sehr stabil und beständig gegen Strahlung, was bedeutet, dass der radioaktive Abfall in einer sehr stabilen keramischen Form eingeschlossen bleibt, nachdem der geladene Zeolith bei Hitze komprimiert wurde, was das Risiko einer Kontamination reduziert.

Nach Unfällen wie in Tschernobyl und Fukushima Daiichi wurden große Mengen an Zeolith eingegossen, um zu verhindern, dass das radioaktive Cäsium ausläuft und sich im Meer ausbreitet. Andere Zeolithe werden für den Einsatz als Biogasspeicher entwickelt, da es möglich ist, das Gas in ihren Hohlräumen mit größerer Effizienz als jede andere bekannte Methode einzuschließen.

Die Poren von Zeolithen ermöglichen die selektive Absorption und Diffusion von Molekülen mit der entsprechenden Form und Größe. Oben ist ein Molekül Paraxylen in einem Zeolithkanal zu sehen. So können die Trenn- und Katalyseprozesse die petrochemische Industrie sauberer und effizienter machen.

Kristalle und Energie, wussten Sie dass…

Natürliche Zeolithe sind schon seit zweihundert Jahren bekannt. Synthetische Zeolithe werden seit den 1950er Jahren hergestellt. Derzeit werden mehr als 12000 Tonnen von etwa 100 verschiedenen Zeolithen produziert.

Synthetische Zeolithe werden häufig als Katalysatoren in der petrochemischen Industrie eingesetzt. Diese Verwendung gilt als eine der größten Errungenschaften der Chemie des zwanzigsten Jahrhunderts, und es werden mehr als 10 Milliarden Dollar für diese Produkte verbraucht.

Die größte Verwendung von Zeolithen ist jedoch die Herstellung von Waschmitteln, bei der jährlich fast 2 Millionen Tonnen Zeolith verbraucht werden.

Die Atomkatastrophe von Fukushima führte zu einer hohen Kontamination mit Cäsium-134, Cäsium-137 und anderen radioaktiven Isotopen. Unmittelbar nach der Katastrophe wurden Zeolithe in das Meer um das Atomkraftwerk geschüttet, um die gefährlichen radioaktiven Isotope abzufangen und zu immobilisieren.

Natürliche Zeolithe entstehen durch die Veränderung von vulkanischen Gesteins- und Ascheschichten, wenn diese mit alkalischem Grundwasser reagieren.

Viele Gebäude der Zapoteken in der Nähe von Oaxaca, Mexiko, sind aus vulkanischem Tuffstein gebaut, der fast ausschließlich aus Zeolithen besteht. So auch in vielen Gebäuden in Neapel, die mit „tuffo giallo Napolitano“, ebenfalls ein Zeolith-Tuff, gebaut wurden, und in zahlreichen Kathedralen und öffentlichen Gebäuden in Mitteleuropa.

Natürliche Zeolithe sind die effizientesten bekannten Filter für die Absorption von Schwefeldioxid, das bei der Verbrennung von Kohle mit hohem Schwefelgehalt entsteht – die Ursache für sauren Regen.

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