Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kristalle aus dem Rührkessel

03.04.2003


Neues Verfahren der Züchtung von Zeolithen


Das Kanalsystem eines Zeolithen
Abb.: Dr. Ralph Herrmann



Prof. Dr. Wilhelm Schwieger vom Institut für Bio- und Chemieingenieurwesen der Universität Erlangen-Nürnberg ist ehrlich: "Nach dreijähriger Arbeit in einem Projekt mit der ESA (European Space Agency) wurden nicht alle Annahmen bestätigt." Jedoch ein Teilergebnis - gewissermaßen ein experimentelles "Nebenprodukt" - hat sich statt dessen zu einem echten "Volltreffer" entwickelt. Mittels Ultraschall kann in einem weltweit einmaligen Verfahren die Züchtung von Zeolithkristallen erstmals überwacht und dadurch auch gesteuert werden.



Zeolithe sind kristalline Silikatverbindungen mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Über eine Million Tonnen werden jährlich synthetisch hergestellt. In der petrochemischen Industrie helfen Zeolithe als Katalysatoren z.B. beim so genannten Cracken von Erdöldestillaten zur Treibstoffherstellung oder bei der Umwandlung von Methanol in Kohlenwasserstoffe. Der mengenmäßig größte Abnehmer von Zeolithen ist die Waschmittelindustrie mit ca. 700.000 Tonnen pro Jahr. Dort dienen sie als Ersatz von Phosphaten und tragen damit wesentlich zur Reduzierung der Überdüngung unserer Gewässer bei. Weiterhin kommen sie als Trocknungsmittel bei der Isolierglasherstellung oder in der Luftfilterung zum Einsatz. In jüngster Zeit finden sie bei zahlreichen High-Tech-Produkten Verwendung. So werden etwa in Mikrosensoren und Mikroschaltern chemisch oder photochemisch sensitive Moleküle in die Zeolithstrukturen eingeschlossen.

Zeolithe werden technisch in riesigen Rührkesseln mit bis zu zwanzig Kubikmetern Fassungsvermögen hergestellt. Darin werden alle benötigten Ausgangsstoffe eingerührt, die ein dickflüssiges yoghurtartiges Reaktionsgel bilden. Erhitzt man dieses Gel, so wachsen darin die gewünschten Zeolithkristalle. Die Problematik besteht darin, dass für jeden Anwendungszweck eine andere Kristallart benötigt wird. Sollen die Zeolithe als molekulare Siebe fungieren und - wie beispielsweise bei der Abgasreinigung - in ihren Hohlräumen relativ kleine Moleküle wie Stickoxide aufnehmen, so muss der Kristallzüch- tungsprozess entsprechend der späteren Anwendung exakt gesteuert werden.

"Den richtigen Zeitpunkt für das Reaktionsende zu finden, war aber reine Erfahrungssache. Praktikable Messmethoden gab es nicht", erklärt Prof. Schwieger. So musste der Chemieingenieur bislang regelmäßig Proben entnehmen, diese filtrieren, trocknen und anschließend analysieren. Bis das Ergebnis vorlag, lief der Prozess mindestens dreißig Minuten weiter. "Mit unserer Methode können wir jedoch in den Herstellungsprozess ’hineinlauschen’ und zeitnah eingreifen", so Prof. Schwieger: "Das Ergebnis liegt uns nun on-line vor."

Ähnlich wie Fledermäuse oder Wale zur Ortung und Orientierung benutzen die Erlanger Forscher hochfrequente Schallwellen. Jede Sekunde wird von einer Sonde, die an einem repräsentativen Punkt im Rührkessel eingebracht ist, ein Ultraschallimpuls in den erhitzten "Yoghurt" gegeben. Die ausgesandten Ultraschallwellen ändern auf dem Weg durch die Reaktionslösung ihre Geschwindigkeit und "Lautstärke". Wird das empfangene Signal mit dem Zustand der Lösung in Verbindung gebracht - man sagt korreliert, so lassen sich bei geschickter Einstellung der "frische Yoghurt" zu Reaktionsbeginn und verschiedene Stadien "fertiger" Zeolithkristalle unterscheiden.

Von der "Zufallsentdeckung" zur Anwendungsreife

Die Entwicklung dieser "künstlichen Fledermaus" war keineswegs geplant. Prof. Schwieger: "Eigentlich suchten wir für die ESA (European Space Agency) nach einem Weg, die Zeolithherstellung schneller durchzuführen und Kristalle mit besserer Qualität zu erhalten. Deshalb experimentierten wir unter anderem mit Mikrowellen als Wärmequelle." Für die Versuche im elektrische Feld der Mikrowellen wurde jedoch eine geeignete Untersuchungsmethode benötigt. Die Entdeckung der unterschiedlichen Reaktion des Ultraschalls auf den Zustand der Reaktionslösung erweiterte schließlich die Zielrichtung der Erlanger Forscher. Gemeinsam mit Kollegen der Universität Leipzig und einem Industriepartner entwickelten sie das Verfahren - gewissermaßen als ’Spin-off’ des ESA-Projektes - bis zur Anwendungsreife. Seit Juni vergangenen Jahres ist es in einem Pilotprojekt im Chemiepark Bitterfeld zur Qualitätssicherung bei der Zeolithherstellung im Einsatz. Wie das einjährige "Anwendungsjubiläum" stilecht mit einer Resourcen schonenden energetischen Anwendung gefeiert werden kann, steht auch schon fest. Prof. Schwieger: "Werden Zeolithe in eine speziell präparierte Isolierschicht eingebracht, so lässt sich damit Bier auch stromlos kühlen. Ein selbstkühlendes Bierfass gibt es bereits."


Natürlich vorkommende Zeolithe wurden 1756 vom schwedischen Hobbymineralogen Baron Axel F. Cronstedt entdeckt. Er beobachtete, dass das Mineral Stilbit beim Erhitzen dampfte, als ob es sieden würde. Daher stammt der Name Zeolith (griech. Zeo = ich siede, lithos = Stein), siedender Stein. Seit ca. fünfzig Jahren werden Zeolithe synthetisch hergestellt und in den verschiedensten Industriezweigen eingesetzt. Die Abbildung zeigt die Struktur eines typischen Zeolithen. Die Öffnungen der Kanäle haben einen Durchmesser in Moleküldimensionen. Dies erlaubt das sogenannte "Sieben" von Molekülen. Würde man das Kanalsystem von einem Gramm Zeolith (siehe Abbildung) aneinander reihen, so ergäbe sich eine Strecke, die der Entfernung von der Erde zur Sonne - immerhin rund 150 Millionen Kilometer - entspricht. Als Katalysator sind Zeolithkristalle mit einer Größe von 500 nm bis 10 µm erwünscht. Für neuartige Anwendungen (Sensoren, Schalter) sind große Kristalle (größer 20 µm) erforderlich.


Weitere Informationen

Prof. Dr. Wilhelm Schwieger
Lehrstuhl für
Technische Chemie I
Tel.: 09131/85-28910
schwieger@tc.uni-erlangen.de

Heidi Kurth | idw

Weitere Berichte zu: Molekül Rührkessel Zeolith Zeolithkristalle

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wegbereiter für Vitamin A in Reis
21.07.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pharmakologie - Im Strom der Bläschen
21.07.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten