Zeolite: Ein natürliches Mineral im Service der Wasserfiltration

In den letzten 50 Jahren wurden Fortschritte bei der Filtration von Wasserfiltern in körnigen Filtermedien erzielt, indem Sand mit geringerer Maschengröße in Kombination mit Granat oder Granat / Anthrazit (Multimedia) verwendet wurde, um eine Nennleistung von 12 bis 15 µm zu erreichen und das Bettdesign und die Fluidik zu verbessern.

Heute stehen hochreine Zeolithmedien zur Verfügung, die eine Nennleistung von <5µ erreichen. Mineralogisch gibt es etwa 40 Arten natürlicher Zeolithe (hydrierte Silikate), von denen Klinoptilolith der häufigste ist. Klinoptilolith wird als kristallines Aluminium-, Silizium-, Oxidmineral klassifiziert, das eine hohe Porosität, eine große Oberfläche, eine Mikrokristallstruktur aufweist und abriebfest ist.

Labordaten zeigen, dass Zeolith herkömmliche Filtrationsmedien, einschließlich Sand und Anthrazit, in seinen Filtrations- und Absorptionsfähigkeiten übertrifft. Dies wird auf die Zeolithoberfläche zurückgeführt, die sieben oder acht Mal größer ist als viele andere körnige Materialien.

Herkunft und Eigenschaften

Der Begriff Zeolith wurde ursprünglich im Jahr 1756 vom schwedischen Mineralogiker Axel Fredrik Cronstedt geprägt, der beobachtete, dass das durch Erhitzen des Materials, das vermutlich Stilbit war, große Mengen an Wasserdampf aus Wasser produziert, das von dem Material adsorbiert wurde. Daraufhin nannte er das Material Zeolith aus dem Griechischen ζέω (zéō), was "Kochen" bedeutet, und λίθος (líthos), was "Stein" bedeutet.

Zeolithe sind Feststoffe mit einer relativ offenen, dreidimensionalen Kristallstruktur, die aus den Elementen Aluminium, Sauerstoff und Silizium aufgebaut ist, mit Alkali- oder Erdalkalimetallen (wie Natrium, Kalium und Magnesium) sowie Wassermolekülen, die in den Zwischenräumen zwischen ihnen eingeschlossen sind .

Das interessanteste an Zeolithen ist ihre offene, käfigartige "Gerüststruktur" und die Art und Weise, wie andere Moleküle darin eingeschlossen werden können. Auf diese Weise werden Wassermoleküle und Alkali- oder Erdalkalimetallionen (positiv geladene Atome mit zu wenigen Elektronen, manchmal als Kationen bezeichnet) Teil von Zeolithkristallen - obwohl sie nicht unbedingt permanent dort verbleiben. Zeolithe können andere positiv geladene Ionen gegen die ursprünglich in ihnen eingeschlossenen Metallionen austauschen (technisch ist dies als Kationenaustausch bekannt) und wie Cronstedt vor mehr als 250 Jahren feststellte, können sie ihre Wassermoleküle auch leicht gewinnen oder verlieren (dies wird reversibel genannt) Austrocknung). Zeolithe haben regelmäßige Öffnungen mit fester Größe, durch die kleine Moleküle direkt hindurchtreten, größere jedoch einfangen. deshalb werden sie manchmal als Molekularsiebe bezeichnet. Im Gegensatz zu natürlichen Zeolithen, die in zufälligen Formen und gemischten Größen vorkommen, werden synthetische Zeolithe in sehr genauen und einheitlichen Größen (typischerweise von etwa 1 um bis 1 mm) hergestellt, um einer bestimmten Anwendung gerecht zu werden; Mit anderen Worten, sie haben eine bestimmte Größe, um Moleküle einer bestimmten (kleineren) Größe in sich zu fangen.

Natürlicher Zeolith kann durch einmalige oder kombinierte Behandlung wie Erhitzen und chemische Modifikation (Säuren, Basen und anorganische Salze) modifiziert werden. Die chemische und thermische Behandlung von Zeolith kann zu einer Kationenwanderung führen und somit die Kationenposition und die Porenöffnung beeinflussen. "Pore Engineering" ist ein populärer Begriff für Methoden, die bei der Zeolithmodifikation verwendet werden, wobei einige seiner Sorbens-Eigenschaften manipuliert werden. Die Prozesse des Ionenaustauschs und der Adsorption im Kontakt von Zeolith und Lösung finden gleichzeitig statt.

Die thermische Behandlung bei hoher Temperatur kann, abhängig von der verwendeten festen Probe und der verwendeten Temperatur, das Porenvolumen erhöhen, indem Wassermoleküle und organische Stoffe aus den Porenkanälen entfernt werden. In Käfigen und Kanälen des Zeolithgerüsts vorhandenes Wasser trägt 10 - 25% zur Gesamtmasse der Zeolithe bei. Um einen effizienten Einsatz von Zeolithen bei der Wasserbehandlung zu ermöglichen, ist es wichtig, die Eigenschaften der Dehydratisierung und die strukturelle Stabilität bestimmter zeolithischer Materialien zu kennen.

Benutzen

Die einzigartigen Ionenaustausch- und Adsorptionseigenschaften, die hohe Porosität, die hervorragende thermische Stabilität und die käfigartige Struktur von Zeolithen machen sie für viele Anwendungen sehr gut geeignet. Zeolithe werden täglich in Wasserenthärtern und Wasserfiltern eingesetzt. In Ionenaustauschwasserenthärtern wird zum Beispiel hartes Wasser (reich an Calcium- und Magnesiumionen) durch eine Säule geleitet, die mit Natrium enthaltenden Zeolithen gefüllt ist. Die Zeolithe fangen die Calcium- und Magnesiumionen ein und setzen an ihrer Stelle Natriumionen frei, so dass das Wasser weicher wird, aber natriumreicher ist. Viele Wasch- und Reinigungsmittel für den täglichen Gebrauch enthalten Zeolithe, um Kalzium und Magnesium zu entfernen und Wasser zu enthärten, damit sie effektiver arbeiten.

Ammoniak (NH3) und Schwermetallkationen sind häufig in Wasserquellen zu finden und bergen ernsthafte Gesundheits- und Umweltrisiken. Studien haben gezeigt, dass natürlicher Clinoptilolith-Zeolith für diese Kationen selektiv ist, was bedeutet, dass er diese in seiner Wabenstruktur selbst in Gegenwart größerer Mengen konkurrierender Kationen absorbieren und binden wird. Darüber hinaus bildet Zeolith starke Bindungen mit Ammoniak und Schwermetallen, die schwer zu brechen sind. Dies verhindert das Auslaugen von Schadstoffen in die Umwelt.

Zeolithe adsorbieren eine Reihe organischer Substanzen. Das Mineral hat die größte Affinität für polare organische Komponenten, beispielsweise chlorierte Kohlenwasserstoffe. Je nach Durchmesser der Moleküle werden diese entweder im Mikro- oder Mesoporenbereich adsorbiert. Die Kapazität der Adsorption hängt stark von den Umständen ab, unter denen die Adsorption durchgeführt wird.

Da Zeolithe ein körniges Material sind, werden feste und suspendierte Partikel zwischen den Körnern eingeschlossen. Die poröse Struktur bewirkt auch, dass Kolloidpartikel sowohl organischen als auch mineralischen Ursprungs aus dem Wasser entfernt werden. Die Kapazität zum Entfernen fester Partikel ist bis zu 45% größer als die Kapazität von Sand mit einer äquivalenten Partikelgrößenverteilung.

Leistungen

Um es auf den Punkt zu bringen, zu den Vorteilen von Zeolith bei der Wasseraufbereitung und Filtration gehören:

• Erweicht Wasser durch Aufnahme von Calcium (Ca) und Magnesium (Mg)
• Entfernt Chlor (Cl) aus Leitungswasser
• Entfernt Eisen (Fe) aus den Grundwasserquellen
• Entfernt Verunreinigungen wie Schwermetalle und Ammoniak (NH3)
• Neutralisiert leicht saures Wasser
• Verbessert die Klarheit des Wassers
• Bietet eine bessere Trennung von Flüssigkeit und Feststoff als andere Filter wie Alaun und Polymer
• Hohe innere und äußere Oberfläche, die zu einer hohen Ionenhaltefähigkeit führt
• Selektiv für Schwermetallkationen einschließlich Zink (Zn), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Blei (Pb), Cobalt (Co) und Nickel (Ni)
• Übertrifft herkömmliche Granulatmedien
• Sehr effektiv beim Filtern und Reinigen von Wasser
• Kosteneffizient
• Entfernt organisches Material
• Abriebfeste
• Entwässert Schlamm
• Benötigt 50% weniger Rückspülzyklen als Sand
• Reduziert die Menge an Rückspülwasser aufgrund einer geringeren Anzahl an Rückspülzyklen
• Klassifiziert als GRAS (allgemein als sicher betrachtet) für Menschen und Tiere
• Ungiftig und umweltfreundlich
• Enthält keine chemischen Zusätze oder Farbstoffe

Das amerikanische Wasserfilterunternehmen CFCI (Ceramic Filters Company Inc)  hat Aquametix entwickelt, eine patentierte Kombination von zwei Arten von Aktivkohle mit Zeolith. Zeolithe sind durch spezielle Polymere mit Aktivkohle verbunden und bilden einen extrem dichten und porösen Wasserfilter.

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