Introducción al tema de Zeolitas

  Te invito a conocer la importancia de estos compuestos de cara a su alta capacidad de intercambio iónico indicando algunas de sus muchas aplicaciones generales visitando nuestro significativo blog.

  La Zeolita es un mineral que pertenece al grupo de los aluminosilicatos, básicamente hidratados del sodio, del potasio, y el calcio en los cuales el agua se sostiene en las cavidades de los enrejados. Los enrejados se cargan negativamente y sostienen libremente los cationes tales como calcio, sodio, amonio, y potasio. Su capacidad de intercambiar un catión por otro se conoce como su capacidad de intercambio del catión. La capacidad de intercambio catiónico es una medida del número de cationes por el peso de unidad disponible para dicho intercambio, expresado generalmente como miliequivalentes por 100 gramos de material.  

  Su definición actual busca incluir todos los minerales cristalinos que se caracterizan por poseer estructuras formadas por tetraedros enlazados, cada uno de los cuales contiene 4 átomos de oxigeno y un catión el cual puede ser Al, Si, P, Be, Zn, Mg, Co, B y otros.




  La característica principal de este mineral es su estructura que tiene cavidades o poros que se unen para formar un sistema de canales a través de dicha estructura, un factor que determina las moléculas que pueden entrar en estos canales es el tamaño de la ventana o abertura del poro, que a su vez depende del numero de tetraedros. Las zeolitas se parecen a la arena, cuarzo y arcilla en que están formadas por los mismos elementos químicos: silicio, oxígeno y en algunos casos aluminio. Sin embargo, su estructura microporosa hace que tenga unas propiedades absorbentes únicas. En la naturaleza existen 35 tipos, las más conocidas de las cuales son la faujasita, la clinoptilotita y la chabazita. Las zeolitas naturales se forman en condiciones volcánicas (es decir, a altas temperaturas y altas presiones) a partir de numerosos minerales. Desde la década de 1940 se han descubierto en laboratorio zeolitas análogas a las naturales y unos 60 tipos de estructuras sintéticas.

  

Mordenita las zeolitas deshidratadas son muy buenos agentes secantes, absorbiendo agua para volver a su condición original.

  Las zeolitas también se refieren como támices moleculares, porque las cavidades del canal dentro de la estructura cristalina son extremadamente pequeñas y pueden ser utilizadas para separar las moléculas grandes de moléculas más pequeñas.

  Cabe resaltar  que hasta octubre 2012 se han identificado 206 tipos de zeolitas según su estructura, de los cuales más de 40 ocurren en la naturaleza; los restantes son sintéticos. Las zeolitas naturales ocurren tanto en rocas sedimentarias, como volcánicas y metamórficas. Suelen ser utilizados y vendidos como absorbentes comerciales.  

  Ejemplos de sus usos incluyen la refinación del petroleo, la coloración de gases y líquidos y el control de polución. Esto ha hecho que exista una producción comercial de zeolitas artificiales de características particulares.

 

Estructura físico química

 Las zeolitas están compuestas por tetraedros formados por un catión y cuatro átomos de oxigenos, es decir TO4. El catión, T, puede ser silicio (Si), aluminio (Al) o incluso germanio (Ge), aunque el silicio predomina. Al estar interconectados los tetraedros su fórmula es TO2 ya que tetraedros adyacentes comparten oxígenos. Debido a que el aluminio tiene cargas más bajas que el silicio, la inclusión de aluminio es compensada químicamente por la inclusión de K, Na y Ca o menos frecuentemente por Li, Mg, Sr y Ba. Estos siete cationes, si bien forman parte de las zeolitas, no llegan a formar parte del armazón TO2. Estas se asemejan en estructura y química a los feldespatos con la diferencia de que las zeolitas tienen cavidades más grandes y que albergan agua generalmente.

Catálisis, separación de gas e intercambiado de iones.

Existen tres usos de zeolitas en industria: 

Catálisis: Son extremadamente útiles como catalizadores para muchas reacciones importantes con moléculas orgánicas. Las más importantes son craqueo, isomerización y síntesis de hidrocarbonos. Las zeolitas pueden promover una seria de reacciones catalíticas incluyendo ácido-base y reacciones de metal inducido. Las zeolitas también pueden ser catalizadores de ácidos y pueden usarse como soporte para metales activos o reactivos.
Las zeolitas pueden ser catalizadores selectivos en cuanto a la forma, tanto por la selectividad del estado de transición o por exclusión de reactivos competidores en base al diámetro de la molécula. También se han utilizado como catalizadores de oxidación. Las reacciones tienen lugar dentro de los poros de la zeolita, que permite un mayor grado de control del producto.
La principal aplicación industrial son: refinamiento del petróleo, producción de fuel e industria petroquímica. Las zeolitas sintéticas son los catalizadores más importantes en las refinerías petroquímicas.

Absorción: Las zeolitas se usan para la absorción de una gran variedad de materiales. Esto incluye aplicaciones en secado, purificación y separación. Pueden remover agua a presiones parciales muy bajas y son unos desinfectantes muy efectivos, con capacidad de más de un 25% en peso con agua. Pueden extraer químicos orgánicos volátiles de las corrientes de aire, separar isómeros y mezclar gases.

Una propiedad de las zeolitas es su capacidad para la separación de gases. La estructura porosa de las zeolitas puede utilizarse como "tamiz" para moléculas con un cierto tamaño permitiendo su entrada en los poros. Esta propiedad puede cambiarse variando la estructura y así cambiando el tamaño y el número de cationes alrededor de los poros.

Otras aplicaciones que pueden tener lugar dentro del poro incluye la polimerización de materiales semiconductores y polímetros conductores para producir materiales con propiedades físico y eléctricas extraordinarias.

Intercambio de iones: Cationes hidratados dentro de los poros de la zeolita están unidos débilmente y preparados para intercambiarse con otros cationes cuando se encuentran en un medio acuoso. Esta propiedad permiten su aplicación como ablandadores de agua, y el uso de zeolitas en detergentes y jabones. Los mayores volúmenes de uso de zeolitas es en la formulación de detergentes donde se reemplazan fosfatos como agentes ablandadores del agua. Esto se realiza mediante el intercambio de sodio en la zeolita por Calcio y Magnesio presente en el agua. Es incluso posible remover iones reactivos del agua contaminada.

 
                                      




Localización de los sitios I, II, III     En la red de una zeolita faujasita.

 

Usos de la Zeolita

Desde un punto de vista practico, la zeolita se puede adaptar a una gran variedad de usos:

Agricultura

-Control del olor

-Control del ambiente de animales confinados

-Aditivos de alimentación para ganados

En el este de Europa, Japón y Cuba, las zeolitas han sido usadas tradicionalmente en agricultura. Sobre un 5% añadido en raciones para ganado reduce emisiones de amonio y olores, mejora la utilización de alimentos, ayuda a la absorción de mico-toxinas y elementos traza. Hace muchos años la NASA utilizaba zeolitas cargadas de nutrientes como fertilizantes para la liberación lenta de nutrientes, permiten que las plantas crezcan más rápido, pues les facilita la fotosíntesis y las hace más frondosas. 

ZEOLITA PARA UN MUNDO MÁS LIMPIO. 

Acuicultura

      En una piscifactoría la carga de agua con pescado puede ser muy alta. Esto provoca una rápida contaminación del agua y concentración de sustancias toxicas. Por eso es necesario sistemas de purificación del agua. Las zeolitas se pueden usar en distintos pasos en el proceso de purificación y/o aireación; como material de soporte para bacterias; como medio filtrante para la extracción de sólidos y partículas en suspensión y la extracción de iones no deseados al mismo tiempo.

    Se utiliza como un ablandador de aguas, debido a su capacidad de intercambiar iones, y también se utiliza para hacer engordar más rápido a algunos peces, aunque el exceso puede ser mortal, por lo cual sólo se puede utilizar como un suplemento alimenticio.

-    -Filtración de amonio e incubadoras de pescado.

     -Medio biofiltro.

Productos domésticos

  -Control del olor en casa  

-Control del olor de animales de compañía   

 

       El uso domestico se relacionan principalmente con el olor y absorción de líquidos. Una gran variedad de gases incluido formaldehído, sulfuro de hidrógeno se ha demostrado que pueden ser adsorbidos por la zeolita.

       En EEUU, se añade rutinariamente a filtros de aire pequeños para la absorción de ciertos gases y reducción de problemas de alergia.    Además se puede utilizar para el secado de zapatillas de deporte, reducir la humedad en los armarios y adsorber olor de cigarrillos. Limpiadores de alfombras tienen zeolita como material de base.    También utilizado como cama para gatos y absorción de grasa en barbacoas. Se utiliza en acuarios para la absorción de amonio. Cuando ha sido completamente utilizado el producto residual usado se utiliza como compost para el acondicionamiento y contribución a la textura del suelo y su capacidad de retención de nutrientes.

 Productos industriales

   -Absorbentes para aceites y derrames

  -Separaciones de gases    

  Usos industriales se basan en las propiedades de absorción de líquidos y vapores por las zeolitas. Puede ser un limpiador ideal de estructura granular para la limpieza de derrames de aceites y químicos; es inocuo y seguro para su uso.

 Residuos radioactivos

  -Remediación/ recontaminación.

 Tratamiento del agua

 -Filtración -Extracción de metales pesados -Piscinas. 

Tratamiento de aguas residuales 

  -Extracción de amonio en lodos y aguas residuales municipales

  -Extracción de metales pesados  -Campos de lixiviados sépticos (pozos negros).

  

Horticultura

-Viveros, invernaderos

-Floricultura

-Vegetales/hierbas

-Follaje

-Preplantación de arbustos y árboles

-Añadido para la hierba de césped

-Reposición, revegetacion ordenación paisajística

-Selvicultura

(bosques,plantaciones de árboles)

-Medio para crecimiento hidropónico

-  

A continuación los invito a visualizar el funcionamiento de un reactor de zeolitas automático con un servo modificado para girar 380º.

Catalizador zeolita y uso para conversión de hidrocarburo

   

   Las rocas que pertenecen a la familia de las Zeolitas presentan coloración clara, se reconocen con relativa facilidad por ser además muy ligeras, porosas e higroscópicas. Con frecuencia las manifestaciones de rocas zeolíticas presentan estructuras simples en cajas de grandes espesores, donde casi siempre aparecen juntas dos o más Zeolitas en proporciones variables, acompañadas por pequeñas cantidades de montmorillonita, calcita o minerales de sílice entre otras.    Entre las principales propiedades de los minerales Zeolíticos es importante destacar su baja densidad (muy livianos), su elevada capacidad de intercambio catiónico (potasio por sodio, calcio por magnesio o algunos metales pesados), su elevado poder de absorción-adsorción, y la gran facilidad que presentan los minerales que pertenecen a la familia de las zeolitas para deshidratarse. Catalizador de cracking de hidrocarburos que contiene zeolita agotada regenerándolo para remover los depósitos carbónicos. Se extrae una porción del catalizador regenerado del inventario del catalizador circulante de una unidad de procesamiento de hidrocarburos y se forma una lechada con un liquido que contiene un agente activador para solubilizar y/o desalojar los contaminantes que bloquean los poros de la zeolita y afectan en forma adversa la actividad del catalizador.

Composición mineralógica

         Este mineral esta compuesto fundamentalmente por Silicio y Aluminio, se presenta preferentemente en las rocas de origen volcánico, en las cuales se agrupan en grandes cantidades que les permite formar yacimientos. Investigaciones han determinado un total aproximado de 40 minerales pertenecientes a la familia de las Zeolitas, siendo los más importantes: Analcima, Chabacita, Clinoptilolita, Erionita, Mordenita, Faujasita, Ferrierita, Heulandita, Gismondita, Natrolita.

   Debido a su origen, sus yacimientos naturales no son tan abundantes, lo que ha dado lugar a que se hayan diseñado diferentes métodos para su obtención artificial. Las Zeolitas son combinaciones hidratadas, donde el agua se encuentra en ellas unida flojamente, por consecuencia de la estructura, el agua presente en la estructura de las Zeolitas se puede desprender por calor de modo continuo sin que se altere la estructura del mineral. El agua desalojada se puede reincorporar colocada el mineral en atmósfera húmeda, y hasta es posible de substitución en contacto con otras substancias.   Se encuentran insertas en las cavidades de las rocas volcánicas jóvenes y sus tobas, pero no son ajenas a las drusas y hendiduras de las rocas eruptivas antiguas y las pizarras cristalinas. Se ha comprobado además su presencia en los filones minerales, en ciertos yacimientos de magnetita, en las calizas metamórficas de contacto y como formación reciente de algunas termas. Las Zeolitas se consideran también elementos normales constitutivos de las rocas magmáticas, debido a un proceso temprano de segregación. Genéticamente, las Zeolitas casi siempre aparecen originadas en aguas termales, unas veces por cristalización directa de la disolución en las hendiduras y cavidades semejantes, y otras por formación secundaria mediante pseudomórfosis de minerales de la familia de los feldespatos y sus afines

Composición química

       La composición química de las rocas Zeolíticas puede variarse por el proceso de Intercambio iónico, (propiedad inherente a las Zeolitas) pero sólo en aquellos cationes intercambiables presentes en la misma como Sodio, Calcio, Magnesio, Potasio y otros. Durante este intercambio iónico las Zeolitas se comportan atendiendo a sus propias leyes para este proceso, la más importante es el orden de selectividad o afinidad por los cationes.
   Atendiendo a las características de selectividad que presentan las Zeolitas, a su composición química y mineral, a los tiempos de duración de los procesos de difusión externa e interna de los iones durante el intercambio, así como a la influencia de la temperatura y la concentración iónica de la solución de intercambio, se logran las composiciones deseadas de los iones de las rocas Zeolíticas

        Las zeolitas se utilizan como catalizadores en la fabricación de productos químicos de empleo masivo, tales como la gasolina y el estireno, como absorbentes en aplicaciones domésticas como la deshumidificación y filtrado del aire (‘mataolores’) y el filtrado del agua y finalmente, como intercambiadores de iones en los detergentes. ABB Lummus Global ha desarrollado y los ofrece bajo licencia– varios procesos petroquímicos y de refinado que utilizan los catalizadores de zeolita. Estas aplicaciones aprovechan la característica catalítica más importante de las zeolitas: actúan como un catalizador ‘sólido ácido’ si contienen protones (iones H+). Los protones catalizan la ruptura (pirólisis catalítica), los cambios internos (isomerizado) y el acoplamiento (alquilación, oligomerizado) de las moléculas de hidrocarburos.

        Aunque las zeolitas son ácidos muy fuertes, no son materiales peligrosos por lo que pueden ser manipuladas sin grandes precauciones. En la última década, se han remodelado muchos procesos químicos para sustituir los catalizadores líquidos ácidos (ácido sulfúrico y ácido fluorhídrico), que son peligrosos para el medio ambiente. La investigación de catalizadores en el Centro de Desarrollo Tecnológico de ABB Lummus Global en Bloomfield (EE UU) se ha centrado en la mejora de los procesos de alquilación, no sólo mediante la optimización del diseño del proceso sino también mediante el desarrollo de catalizadores de zeolita

Ventajas de la zeolita

       La Zeolita es clinoptilolita casi pura con una fórmula general (Na, K, CA) 2-3 del silicio del al3 (al, silicio) 213O 12H2O.ü  El equilibrio es silicona sobre todo opalina, no cristalina.

ü  Contiene aproximadamente 3,5% de potasio que es un alimento de planta.
ü  Contiene aproximadamente 1,6% de calcio que es un contenedor del pH para los suelos y alimento de las plantas.
ü   Contiene menos de 3,9% de sodio, que es tóxico para las plantas.
ü  El sodio no es soluble en agua.
ü  Cuando está cargado con los cationes del amonio, se convierte en un fertilizante.
ü  Cuando esta seco, su color es verde claro. Cuando esta mojado su color es verde más oscuro.
ü   Soporta hasta el 55% de su peso en agua.
ü  Tiene una alta capacidad de intercambio catiónico (CIC) de 160 gramos de to180 meq/100.
ü  La CCE alta permite que sea cargado con nitrógeno 1,8 a   2,1% como amonio.
ü  Tiene un área superficial muy grande de aproximadamente 24,9    metros cuadrados por gramo.
üPosee muy buenas cualidades de absorción de aceite. 

Ojo curioso:

-Las zeolitas sintéticas se obtienen mediante procesos hidrotérmicos. 

-Reductor los síntomas de las alergias 

-Ayuda a reducir el riesgo de cáncer

PODEROSO LIMPIADOR  DE TODO EL ORGANISMO.

Información Importante:

  Para finalizar es importante destacar que las zeolitas naturales son un medio filtrante nuevo y muy bueno disponible para la filtración del agua. Ofrece un funcionamiento superior a los filtros de arena y carbón, con una calidad mas pura y mayores tasas de rendimiento sin necesidad de altos requisitos de mantenimiento. Tiene muchas ventajas sobre la arena y puede ser directamente reemplazado por la arena en un filtro normal de arena. Las zeolitas son sólidos cristalinos microporosos con estructuras bien definidas. Contienen generalmente silicio, aluminio y oxígeno en su marco. Muchos ocurren naturalmente como minerales, y se minan extensivamente en muchas partes del mundo. Otros son sintéticos, y se hacen comercialmente para las aplicaciones específicas, o son producidos por los científicos de investigación que intentan entender más sobre su química. La estructura de una zeolita dada define, en una gran extensión, su posible aplicación industrial tanto en procesos físicos de separación y purificación como en procesos químicos de refinación y petroquímica. Por lo general dicho proceso son productos del efecto de tamizado molecular que la estructura zeolítica ejerce sobre las diferentes moléculas de los reactivos y productos. Este tamizado molecular depende del tamaño y de la forma de los canales y cavidades de la zeolita y de las dimensiones de las moléculas de los reactivos y productos que quieran ingresar hacia o difundir desde estos canales y cavidades. Las zeolitas tienen la capacidad de actuar como catalizadores para las reacciones químicas que ocurren dentro de las cavidades internas. Una clase importante de reacciones es ésa catalizada por las zeolitas hidrógeno-intercambiadas, que limitan los protones dando lugar a una acidez muy alta. Esto se explica en muchas reacciones orgánicas, incluyendo síntesis del petróleo el craqueo de crudo, la isomerización entre otros,pueden también servir como catalizadores de la oxidación o de la reducción, a menudo después de que los metales se hayan introducido en el marco. Las características forma-selectivas de zeolitas son también la base para su uso en la adsorción molecular. La capacidad de fijar preferencialmente ciertas moléculas por absorción, mientras que excluye otras, ha abierto una amplia gama de los usos moleculares. Es a veces simplemente una cuestión del tamaño y de la forma de los poros que controlan el acceso en la zeolita. En otros casos depende de diversos tipos de moléculas que se incorporan a la zeolita. Se utilizan actualmente como catalizadores en muchos procesos petroquímicos. ABB ha desarrollado un procedimiento innovador de síntesis de la zeolita que mejora el rendimiento catalítico creando cristales ultrapequeños de zeolita en el interior de una matriz optimizada. Dicho procedimiento, ya demostrado a una escala que permite su ampliación a una escala mayor, ofrece importantes ventajas sobre las técnicas convencionales de síntesis de la zeolita. En las pruebas de laboratorio, los catalizadores de zeolita preparados mediante este nuevo procedimiento ofrecieron más rendimiento que las zeolitas producidas por procedimientos convencionales. Otra de las ventajas de la nueva tecnología de síntesis es que reduce los costes de fabricación de zeolita. Teniendo en cuenta el amplio campo de aplicación de las zeolitas, esta tecnología tiene la posibilidad de convertirse en un auténtico avance de la catálisis en el sector petroquímico.