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