9.1.- Grupo de las zeolitas

“Rarely in our technological society does the discovery of a new class of inorganic materials result in such a wide scientific interest and kaleidoscopic development of applications as has happened with the zeolite molecular sieves” (Donald W. Breck)

 

Esta frase lo resume todo o casi todo sobre estos maravillosos materiales englobados genéricamente bajo el nombre de “zeolitas”, cuyas aplicaciones industriales y ambientales aun están en fase desarrollo continuo. Las zeolitas constituyen un grupo de silicatos con una gran capacidad de intercambio iónico. Estas poseen una estructura definida por un armazón principal y “túneles”, que les confiere una propiedad que denominaremos “porosidad”, y que las convierte en microtamices muy efectivos. El armazón estructural está constituido por tetraedros de Si-O (SiO44-) y Al-O (AlO45-) que se unen por los vértices. Dado que el silicio presenta típicamente valencia 4 (Si4+) y el aluminio valencia 3 (Al3+), las zeolitas se encuentran “descompensadas eléctricamente” por lo que necesitan incorporar cationes para mantener la neutralidad (de ahí sus propiedades de intercambio). Dichos cationes, agua, u otras moléculas se acomodan en las estructuras tipo túnel.

 

Dos estructuras zeolíticas, note los tetraedros y las estructuras tipo túnel (poros)

donde se acomodan los cationes (que compensan eléctricamente la estructura),

el agua y otras moléculas.

 

La carga negativa en las zeolitas es compensada por cationes del tipo N+, K+ o NH4+, los se disponen en el interior de la estructura. Estos cationes son móviles y susceptibles de ser intercambiados por otros. Una reacción típica de intercambio iónico sería la siguiente:

Na-zeolita + Ca2+ = Ca-zeolita + 2 Na+

Las zeolitas ocurren en la naturaleza como minerales, y pertenecen al grupo de los tectosilicatos. Existen unas 40 zeolitas naturales y más de 150 sintéticas. Algunas zeolitas naturales incluyen:

 

Mineral

Fórmula

Natrolita

Na2(Al2Si3O10)·2H2O

Chabazita

(Ca,Na)2 (Al2Si4O12)·6H2O

Analcima

Na(AlSi2O6)·H2O

Stilbita

Ca(Al2Si7O18)·7H2O

Heulandita

Ca(Al2Si7O18)·6H2O

Laumontita

Ca(Al2Si4O12)·4H2O

Mesolita

Na2Ca2(Al2Si3O10)·3H2O

Thompsonita

NaCa2(Al,Si)10O20·6H2O

 

En la actualidad, la mayor parte de las zeolitas que se emplean para aplicaciones industriales son sintéticas: se diseñan “a medida” de un determinado proceso, es decir, para favorecer la captación de un determinado ión y su posterior elución en condiciones controladas, y se sintetiza el compuesto zeolítico en un proceso industrial de bajo coste económico. Debido a sus propiedades porosas las zeolitas se emplean en una gran variedad de usos industriales, y se comercializan en un mercado mundial de varios millones de toneladas por año.

El comportamiento de intercambio iónico en las zeolitas depende de varios factores, que determinan su selectividad a determinados cationes:

-                           Naturaleza de los cationes: tamaño, carga iónica, forma

-                           Temperatura

-                           Concentración de los cationes en solución

-                           Aniones asociados con los cationes en solución

-                           Solvente (agua, solventes orgánicos)

-                           Estructura de la zeolita (topología de la red, densidad de carga de la red)

 

La capacidad de intercambio iónico de una zeolita está directamente relacionada con la cantidad de aluminio presente en su red cristalina y depende directamente de su composición química: una alta capacidad de intercambio iónico corresponde a las zeolitas con baja relación SiO2/Al2O3. La capacidad de intercambio iónico teórica máxima, número de equivalentes intercambiables por masa de la celda unitaria, no siempre puede ser alcanzada debido a la existencia de sitios de intercambio inaccesibles.

Todo hasta aquí es atribuible tanto a zeolitas sintéticas como a las naturales. Desde el punto de vista del control ambiental mediante la eliminación de contaminantes, la gran mayoría de los autores coinciden en la superioridad de las zeolitas naturales atendiendo a:

-                           bajo costo de extracción y acondicionamiento para el intercambio,

-                           disponibilidad de grandes volúmenes,

-                           excelente estabilidad a los procesos químicos y térmicos que permite su reactivación y

-                           posibilidad de utilización en varios ciclos.

 

No obstante, las posibilidades de diseño de las zeolitas sintéticas y su carácter de compuestos químicamente puros, frente a las variaciones que pueden presentar las zeolitas naturales, hacen que las sintéticas se empleen cada vez más.

Algunas aplicaciones ambientales de las zeolitas incluyen la substitución de fosfatos como ablandadores del agua (captación de Ca2+), la remoción de óxidos de nitrógeno (NOx), y una contención en las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOCs: volatile organic compounds). Los óxidos de nitrógeno son un blanco típico de cualquier política ambiental mínimamente bien concebida. Los compuestos tipo NOx fomentan la formación de oxidantes fotoquímicos contaminantes como el ozono (O3). Los compuestos de óxidos de nitrógeno se producen por la actividad eléctrica atmosférica (rayos), acción bacteriana, y por los volcanes. Sin embargo, estos óxidos también tienen un origen industrial, principalmente en la combustión de combustibles fósiles a temperaturas superiores a 1000ºC. En este sentido las zeolitas pueden jugar un papel muy importante, ya que mientras los procesos de eliminación clásicos de los NOx por Reducción Selectiva Catalítica solo son efectivos a temperaturas de no más de 450º (Pt, V), las zeolitas pueden llegar hasta los 600ºC, alcanzándose así una mayor efectividad en el proceso. En cuanto a los VOCs, estos se encuentran presenten en las gasolinas, solventes orgánicos, desgrasadores, lacas, etc., y al igual que los NOx son potenciadores de la formación de oxidantes fotoquímicos. Un tema aun no resuelto del todo en los coches es el arranque del motor en frío. Durante los dos primeros minutos el convertidor catalítico (obligatorio en muchos países del mundo) no es efectivo, y los VOCs se arrojados a la atmósfera. En este momento se están investigando zeolitas que puedan actuar durante ese lapso de tiempo en el convertidor catalítico del coche: una vez que se alcanzara la temperatura adecuada, la zeolita liberaría los VOCs, y el convertidor podría realizar su trabajo de manera adecuada.

 

 

Subir

Volver al inicio del Tema 9

Seguir con el Punto 9.2