Zeolieten als waterontharders in wasmiddelen

De Zweedse mineraloog Axel Fredrik Cronstedt stond halverwege de 18e eeuw vreemd te kijken toen hij een stuk steen met een brander verwarmde. Wat gebeurde er? De steen begon te borrelen en te sissen. Water dat in deze stenen geadsorbeerd was kwam in de vorm van stoom vrij. Hij noemde deze stenen zeolieten, naar de Oudgriekse woorden zeos (‘koken’) en lithos (‘steen’).

Chemisch gezien zijn zeolieten kristallijne, gehydrateerde aluminiumsilicaten die (aard)alkalimetalen als natrium, kalium, magnesium en calcium bevatten. Het opmerkelijke aan zeolieten is dat poriën onderdeel uitmaken van de kristalstructuur. Deze structuur bestaat uit regelmatige kanalen of holtes op (sub)nanometerschaal die met elkaar verbonden zijn, en die bijvoorbeeld watermoleculen kunnen bevatten. Uit deze zeolieten kun je het water reversibel laten verwijderen door het materiaal te verwarmen.

Zeolieten komen in de natuur voor – zoals bij de ontdekking van Cronstedt – en bestaan ook in kunstmatige vorm, door mensenhanden gemaakt. Meer dan twee-derde deel van de totale zeolietmarkt bestaat uit Zeoliet type A, dat werkt als waterontharder in wasmiddelen. In dit aluminiumsilicaat is een deel van de Si4+-ionen vervangen door Al3+-ionen, waardoor het rooster op deze plaatsen effectief negatief geladen is. Positief geladen natriumionen willen hier graag in de buurt zitten. Deze natriumionen zitten ‘losjes’ aan het zeoliet gebonden, en kunnen eenvoudig worden vervangen door andere positief geladen ionen zoals calciumionen.

Wasmiddelen hebben de wenselijke eigenschap dat ze oppervlakte-actieve stoffen bevatten die vuildeeltjes van je kleding kunnen ‘losweken’. Nu bevat hard water calciumionen die de werking van wasmiddelen tegengaan doordat ze een aantrekkelijk koppel vormen met de negatief geladen oppervlakte-actieve stoffen. Als je deze calciumionen uit het water zou kunnen wegnemen, dan werkt het wasmiddel veel beter. Daarom worden zeolieten in wasmiddelen ingezet als ‘ionenwisselaars’ : de natriumionen in het zeoliet worden vervangen door de calciumionen uit het harde water, waardoor dit water een stuk zachter wordt. Geen wasverzachter, maar ‘waterverpachter’.

Ook binnen de chemische industrie kom je zeolieten tegen. Ze combineren namelijk twee dingen: een enorm inwendig oppervlak door de vele nanoporiën, en katalytisch actieve plaatsen als onderdeel van de kristalstructuur. Dit maakt deze zeolieten ideaal om toe te passen als katalysator – een versneller van chemische reacties zonder zelf verbruikt te worden. Door de vele poriën kunnen chemicaliën – als ze klein genoeg zijn – de zeolieten binnenkomen, op de katalytisch actieve plaatsen reageren tot gewenste reactieproducten die het zeoliet eveneens door de poriën verlaten. Een chemische reactor op nanoschaal, als het ware.


Kristalstructuur van zeoliet type A (blauwe en gele vormen vullen de holtes)