Zeolith: Aufbau, Entstehung und Verwendung der Mineralgruppe

Das Gerüst aus Tetraedern

Der Grundbaustein ist ein Tetraeder, eine vierseitige Pyramide. In seinem Zentrum sitzt ein Siliziumatom, an den vier Ecken je ein Sauerstoffatom. Jedes dieser Sauerstoffatome gehört gleichzeitig zum benachbarten Tetraeder. So entsteht ein dreidimensionales Netz, das sich in alle Richtungen fortsetzt.

Entscheidend ist der Einbau von Aluminium. Wo ein Aluminiumatom die Stelle eines Siliziumatoms einnimmt, trägt das Gerüst eine negative Ladung, denn Aluminium bringt eine positive Ladung weniger mit. Diese Ladung wird durch Ionen ausgeglichen, die nicht ins Gerüst eingebaut sind, sondern lose in den Kanälen sitzen — meist Natrium, Kalium, Calcium oder Magnesium. Weil sie nicht fest gebunden sind, lassen sie sich gegen andere Ionen austauschen. Genau das macht Zeolithe zu Ionentauschern.

Poren, innere Oberfläche und das Molekularsieb

Die Kanäle im Gerüst sind nicht zufällig geformt. Ihre Öffnungen werden von Ringen aus acht, zehn oder zwölf Tetraedern gebildet und haben deshalb in jedem Kristall dieselbe Weite. Sie liegt je nach Zeolithart im Bereich von drei bis etwa zehn Zehntel-Nanometern, also in der Grössenordnung kleiner Moleküle.

Daraus folgt der Name Molekularsieb. Moleküle, die kleiner sind als die Porenöffnung, gelangen in das Innere des Kristalls. Grössere bleiben aussen. Eine Trennung nach Molekülgrösse ist damit ohne Filter und ohne Membran möglich.

Weil die Kanäle den ganzen Kristall durchziehen, ist die innere Oberfläche um ein Vielfaches grösser als die äussere. Sie erreicht bei technischen Zeolithen die Grössenordnung mehrerer hundert Quadratmeter je Gramm. Ein Löffel Pulver bietet damit eine Fläche, die man sich als Fläche kaum vorstellen kann.

Woher der Name kommt und wie die Gruppe geordnet ist

Der Name stammt aus dem Griechischen und bedeutet sinngemäss «siedender Stein». Der schwedische Mineraloge Axel Fredrik Cronstedt prägte ihn im 18. Jahrhundert, nachdem er ein solches Mineral erhitzt hatte: Das eingeschlossene Wasser trat als Dampf aus, und der Stein wirkte, als würde er kochen.

Die verbindliche Ordnung der Gruppe stammt von der Internationalen Mineralogischen Vereinigung. Coombs und Mitarbeitende legten 1998 den Bericht der zuständigen Unterkommission vor.¹ Er führt 13 Zusammensetzungsreihen und 82 anerkannte Zeolith-Mineralarten auf. Eine Regel daraus ist für die Praxis wichtig: Zeolithe werden grundsätzlich nicht allein nach dem Verhältnis von Silizium zu Aluminium unterschieden. Genau eine Ausnahme lässt der Bericht zu, und zwar für Heulandit und Klinoptilolith.

Klinoptilolith, eine natürliche Zeolithart

Klinoptilolith ist eine der natürlich vorkommenden Zeolitharten. Es teilt seinen Gerüsttyp mit dem Mineral Heulandit; unterschieden werden beide über das Verhältnis von Silizium zu Aluminium. Liegt es unter vier, spricht man von Heulandit, liegt es bei vier oder darüber, von Klinoptilolith. Der höhere Siliziumanteil macht Klinoptilolith beim Erhitzen beständiger.

Wie bei allen Zeolithen wird der Name durch das vorherrschende austauschbare Ion ergänzt. Der Nomenklaturbericht kennt daher Klinoptilolith-Ca, Klinoptilolith-K und Klinoptilolith-Na.

Wie natürliche Zeolithe entstehen

Der wichtigste Bildungsweg beginnt mit vulkanischer Asche. Das Glas der Asche ist chemisch unbeständig. Gelangt es in einen abflusslosen, salzhaltigen und alkalischen See oder auf den Meeresboden, reagiert es über lange Zeiträume mit dem Porenwasser. Aus dem Glas werden dabei Zeolithkristalle. Ganze Aschelagen können auf diesem Weg umgewandelt werden; man spricht dann von Zeolithtuff.

Ein zweiter Weg führt über heisse Wässer. In den Blasenhohlräumen erkalteter Lava scheiden sie Zeolithe als gut ausgebildete Kristalle ab. Diese Vorkommen liefern die klassischen Sammlerstufen: Natrolith, Stilbit, Heulandit, Chabasit und Analcim.

Technische Verwendung

• Trocknen und Trennen: Molekularsiebe entziehen Gasen und Lösungsmitteln Wasser. In der Druckwechseladsorption trennen sie Sauerstoff von Stickstoff.
• Ionentausch: In Waschmitteln bindet Zeolith A die Härtebildner des Wassers und ersetzte dort weitgehend die Phosphate.
• Katalyse: In der Erdölverarbeitung spalten Zeolith-Katalysatoren lange Kohlenwasserstoffketten in kürzere.
• Bau und Landwirtschaft: Zeolithtuff dient als puzzolanischer Zuschlag im Zement sowie als Einstreu- und Bodenhilfsstoff.

Ein Hinweis zur Herkunft: Der weitaus grösste Teil der technisch eingesetzten Zeolithe wird synthetisch hergestellt, nicht bergmännisch gewonnen. Synthese erlaubt es, Porenweite und Zusammensetzung genau einzustellen.

Zwei Abgrenzungen zur Rechtslage

Anhang 1 der Verordnung des EDI über Nahrungsergänzungsmittel (SR 817.022.14) führt Zeolith nicht auf.² Aus diesem Fehlen folgt weder, dass eine Verwendung zulässig wäre, noch, dass sie unzulässig wäre. Anhang 1 Teil B ist keine abschliessende Aufzählung erlaubter Stoffe. Ob ein bestimmtes Erzeugnis verkehrsfähig ist, richtet sich nach weiteren Vorschriften, unter anderem nach der Verordnung des EDI über neuartige Lebensmittel (SR 817.022.2).³ Diese Seite trifft dazu keine Feststellung.

Die zweite Abgrenzung betrifft den Regelkreis. Erzeugnisse auf Zeolithbasis werden teils als Medizinprodukte in Verkehr gebracht. Für sie gilt nicht das Lebensmittelrecht, sondern die Medizinprodukteverordnung mit eigener Kennzeichnung, eigener Konformitätsbewertung und eigenen Regeln für die Anpreisung. Diese Seite beschreibt ausschliesslich das Mineral. Sie sagt nichts darüber aus, was Zeolith im Körper bewirkt, und sie verweist auf kein Erzeugnis.

Häufige Fragen

Was ist ein Zeolith?

Ein Gerüstsilikat mit regelmässigen Kanälen. Silizium- und Aluminium-Sauerstoff-Tetraeder sind über gemeinsame Ecken zu einem starren Netz verknüpft, in dessen Hohlräumen Wasser und austauschbare Ionen sitzen. Zeolith ist damit ein Gruppenname, kein einzelnes Mineral.

Was unterscheidet Adsorption von Absorption?

Der Ort. Bei der Adsorption haften Teilchen an einer Oberfläche, bei der Absorption dringen sie in das Volumen des Stoffes ein. Zeolithe lagern an ihrer inneren Oberfläche an, sie saugen nichts auf.

Ist Klinoptilolith dasselbe wie Zeolith?

Nein, Klinoptilolith ist eine einzelne Art innerhalb der Gruppe. Es teilt seinen Gerüsttyp mit Heulandit und wird von diesem über das Verhältnis von Silizium zu Aluminium abgegrenzt: ab dem Wert vier spricht man von Klinoptilolith.

Warum heissen Zeolithe «siedende Steine»?

Weil sie beim Erhitzen Wasserdampf abgeben. Das Wasser sitzt in den Kanälen des Kristalls und tritt bei Hitze aus. Für den Beobachter sieht das aus, als koche der Stein.

Sind alle Zeolithe natürlichen Ursprungs?

Nein. Der grösste Teil der technisch verwendeten Zeolithe wird synthetisch hergestellt. Natürliche Vorkommen entstehen vor allem durch die Umwandlung vulkanischer Asche in salzhaltigen, alkalischen Gewässern.

Quellen

1. Coombs und Mitarbeitende, 1998, Bericht der zuständigen Unterkommission der Internationalen Mineralogischen Vereinigung — DOI 10.1180/002646198547800 ↩
2. Verordnung des EDI über Nahrungsergänzungsmittel, Anhang 1 — SR 817.022.14 ↩
3. Verordnung des EDI über neuartige Lebensmittel — SR 817.022.2 ↩