Zeoliet

Zeoliet is een zeer bijzonder mineraal gesteente dat, om precies te zijn, behoort tot de groep van de kristallijne aluminosilicaten. Er bestaan meer dan 65 soorten zeolieten, sommige worden in de natuur terug gevonden, maar de meeste zijn kunstmatig vervaardigd. Ze komen dus in verschillende vormen voor. Elk type heeft zijn eigen naam. Voor de toepassing op vijvers wordt vooral gebruik gemaakt van het zeoliet « clinoptiluliet », dat is een natuurlijk zeoliet dat vooral ontgonnen wordt in Nieuw-Zeeland, Japan, de Verenigde staten, Siberië en Indonesië.

Kristalrooster

Het bijzondere van zeolieten is hun kristalstructuur. Zoals elk mineraal zijn zeolieten opgebouwd volgens een kristalrooster. Zo” n rooster is opgebouwd uit ionen, elektrisch geladen atomen, die elkaar aantrekken en zich volgens een welbepaald patroon aaneen schakelen. In dit geval (denk terug aan de groep waartoe zeolieten behoren) gaat het over regelmatig geordende aluminium- en siliciumionen die onderling door zuurstofatomen zijn verbonden.

Uitwisselbare positieve ionen

De samenstelling van zeolieten kan sterk variëren. De Si/Al-verhouding kan oneindig zijn, waarbij er bvb. geen aluminium in zit (het is dan een zuiver silicaat “ SiO2). Het aluminiumgehalte kan echter ook stukken hoger zijn, tot maximaal een verhouding van 1:1. De vervanging van (vierwaardige) silicium-ionen door (driewaardige) aluminium-ionen brengt extra negatieve ladingen in het kristal. Hoe rijker aan aluminium, hoe negatiever het (inwendige) oppervlak van het zeolietkristal dan ook zal geladen zijn. Deze negatieve ladingen worden geneutraliseerd door positieve ionen die geen deel uitmaken van het kristal. Kationen dus die van uit de omgeving hier terecht komen (bvb Na+, Ca++, Cu++). Doordat ze geen deel uitmaken van het kristalrooster, laten ze zich makkelijk vervangen door andere kationen. Daaraan ontleent het zeoliet haar kationuitwisselingseigenschappen.

Oppervlaktevergroting

Zeolieten hebben een enorm soortelijk oppervlak (400-700 m²/g). Als we de ruimtelijke structuur bekijken, dan loopt door het kristalrooster een netwerk van minuscule poriën en kanalen (vergelijk het met gatenkaas). Ieder soort zeoliet heeft zijn eigen, karakteristieke, breedte van deze kanalen. Dank zij de vorm en de grootte van de poriën in de diverse zeolieten, kunnen bepaalde moleculen wel in de kanalen doordringen, en andere niet.

Resultaat

Het doulhof van kanalen en hulten en de aanwezigheid van uitwisselbare kationen levert zeolieten hun kenmerkende adsorptie- en scheidingseigenschappen.
Scheiding omdat men door in te spelen op (of aanpassen van) de diameter van de poriën selectief moleculen kan scheiden op basis van hun grootte. Vandaar de benaming « muleculaire zeven ».
Adsorptie omdat ze dus specifiek bepaalde positieve ionen/moleculen kunnen gaan omkeerbaar vangen uit een systeem waar ze aanwezig in zijn. Het zeoliet haar Si/Al-verhouding bepaalt de affiniteit voor moleculen. Maw. het ene zeoliet zal eerder neiging hebben Ca++ te vangen, terwijl het andere meer een voorkeur heeft voor NH4+.

Koivijver

Waar we in dit artikel naartoe willen gaan is uiteraard het systeem van de koivijver.

Ammonium-vanger

Wanneer « vijverzeoliet » in het filter wordt gebracht zal het water, samen met erin opgeloste stoffen (althans diegene die zo klein zijn dat ze er door raken), door het kanalengeheel stromen. Zo komt bijvoorbeeld ammonium (NH4+) in contact met het negatief geladen kristaloppervlak, waar het gevangen zal worden. Op die manier verdwijnt het uit het water waar de vissen zich in bevinden en concentreert het zich in het zeoliet tot het gehele mineraal geneutraliseerd (cq. verzadigd) is.

Toepassingen

Dit biedt natuurlijk zeer interessante praktische doeleinden. Bijvoorbeeld een belangrijke mogelijke toepassing is bij het voorkomen van ammonia-pieken. Dank zij het zeoliet, kan je dan mede m.b.v. het regelmatig wisselen van een hoeveelheid water (25-35%), de ammonia-concentraties onder controle houden in afwachting dat je nitrificerende bacteriën zich voldoende voortgeplant hebben zodat ze zelf deze stof kunnen onschadelijk maken. Het zeoliet moet dan ook op het laatst mogelijke punt in de filterlijn geplaatst worden zodat we de bacteriën ervoor de kans (voeding) geven om zo veel mogelijk ammonia om te bouwen. De overtullige hoeveelheid wordt dan (gedeeltelijk) opgeslorpt.

Anderzijds kan een (kleine) soeplepel zeoliet helpen bij het laag houden van de concentratie aan ammonia in het transportwater wanneer we vissen hoeven te vervoeren. Immers, vissen zullen altijd blijven een gedeelte ammonia uitscheiden. Nadeel is dat de vissen zich evt. aan de steentjes zouden kunnen beschadigen.

Het clinoptiluliet kan zowat 2.2 mg ammonium-N per gram opnemen. Het kan verder ook gebruikt worden voor het onttrekken van zware metalen, zelfs radioactieve elementen, uit besmette waters.

Regenereren

Naast ammonium, zal het clinoptiluliet ook (bij voorkeur) natrium of kalium kunnen binden. Natrium vinden we bijvoorbeeld terug in keukenzout en natriumbicarbonaat (NaHCO3). Zeoliet dat bvb reeds ammonium heeft gebonden zal in aanwezigheid Na+/K+ het ammonium wisselen voor deze laatste ionen. Dit schept mogelijkheden.. We kunnen zo immers ons zeoliet steeds hergebruiken na het een dag lang in een + /- 5% keukenzoutoplossing te laten regenereren. Wanneer het zeoliet verzadigd is en dus geregenereerd moet worden kan zo maar niet gezegd worden, het hangt dan ook nog af van factoren zoals hoeveelheid zeoliet, aanbod van ammonium, kwaliteit van het materiaal.. Als regel kunnen we aanhouden zeoliet niet langer dan 3 à 4 weken aan één stuk door te gebruiken zonder te regenereren. Dankzij regelmatige metingen kunnen we het verzadigingspatroon enigszins voorspellen. Nadat we het zeoliet geregenereerd hebben, moeten we het goed naspoelen met zuiver water.

Voorzorgen

Opgelet ! Uit het voorgaande weten we nu dat we nooit zout mogen oplossen in ons vijverwater terwijl er zich zeoliet in het filter bevindt ! Al de voordien opgeslorpte (giftige) stoffen komen dan immers weer vrij wat tot toxische concentraties kan leiden. We moeten ook opletten met grote hoeveelheden natriumbicarbonaat te gebruiken bij het aanharden van onze KH. Er mag zich verder ook nooit zeoliet (of elk ander absorberend materiaal) in het filter bevinden wanneer we gebruik maken van medicijnen. De kans bestaat dat ook het medicijn opgeslorpt wordt waardoor er dan onvoldoende product overblijft om de vissen te genezen. De kationen die het rooster elektrisch neutraal houden, laten zich immers ook vervangen door ionen van overgangsmetalen, zoals koper (Cu2+) en chroom (Cr3+), deze elementen zijn nogal eens bestanddeel van medicijnen maar zelfs ook van algendoders.

Permanent gebruik

Het permanent houden van zeoliet in het filter is af te raden. Het is zelfs totaal overbodig in een goed werkend (bio)filter dat stabiele waterwaarden garandeert. Hier zijn ammonia-concentraties vrijwel verwaarloosbaar (niet meetbaar) omdat ze snel afgebroken worden. Het is dan ook veel beter om geregenereerd zeoliet bij de hand te houden voor in het geval er ammonia-problemen (zouden kunnen) optreden.

Andere zeolieten

Zeolieten zijn chemisch dus zeer interessant. Hun verscheidenheid daarenboven, heeft er toe geleid dat ze reeds op verschillende (industriële) gebieden ingezet zijn. Afsluitend wil ik jullie hiervan nog enkele voorbeelden mee geven :

• Het scheiden van zuurstof en stikstof uit de lucht (pressure-swing proces)
• Tal van droogprocessen (zeolieten kunnen veel water opnemen
• Verwijderen van kwalijke luchtjes (kattebak, stallen,.. = zuivering van ammoniakale dampen)
• Als veevoederadditief (vermindering van de stikstof-uitstoot = milieuvriendelijker en minder geurhinder)
• Ontharden van water (m.b.v. natriumhoudende zeolieten wordt Ca++ en Mg++ gevangen o.a. in waspoeders)
• Katalytisch kraken van ruwe aardulie (Fluid-Catalytic-Cracking = FCC-proces)

Bron & Referenties

Tom van Loon. Kunstmatige zeolieten als muleculaire zeven. Mens en Wetenschap 1997, 4, 271
Weckhuysen B, Schoonheydt R. Megapoeders : zeolieten. Natuur & Techniek 1997, 1, 65-75
Mortier WJ. Structuurchemie van zeolieten : basis van hun toepassing in de petruleumindustrie. Het ingenieursblad 1989, 6, 47-52
Weckhuysen B, Schoonheydt R. Microporeuze en mesoporeuze kristallijne materialen. Chemie Magazine 1994, 25, 12-17