Origen de las zeolitas

En 1756, el mineralogista Baron Cronstedt descubrió la Estilbita. Este mineral, bajo el efecto del calor, pierde agua y da la impresión de hervir. Crönsted la llamó «zeolita», del griego zeo que significa «hervir» y litos que significa «piedra». Desde ese primer descubrimiento, la familia de las zeolitas ha crecido y es uno de los minerales más abundantes en la Tierra. En la actualidad, se conocen casi doscientos tipos de zeolitas, de las cuales más de cuarenta son naturales.

Las zeolitas naturales se formaron después de millones de años a partir de cenizas volcánicas depositadas en lagos de agua salada. Con el tiempo y bajo el efecto del medio alcalino, las cenizas se alteraron y cristalizaron para convertirse en zeolitas. Las zeolitas naturales se explotan en canteras a cielo abierto. La primera síntesis de zeolita tuvo lugar en 1862, pero no fue hasta 1956 cuando se logró realizar la primera zeolita sintética no existente en la naturaleza.

Definición y estructuras

Ya sean de origen natural o sintético, las zeolitas se definen por composiciones químicas específicas y modificaciones estructurales precisas. La siguiente tabla muestra la nomenclatura de algunas zeolitas comunes.

Nomenclatura de las principales zeolitas

Nombre	Naturaleza	Abreviatura
Zeolita «A»	Sintética	LTA
Faujasita «X»	«Y» Natural (excepto «Y») o sintética	FAU
Cabasita	Natural	CHA
Mordenita	Natural o sintética	MOR
Ferrierita	Natural o sintética	FER
Filipsita	Natural	PHI
Clinoptilolita (heulandita)	Natural	HEU
ZSM-5	Sintética	MFI

Las zeolitas son aluminosilicatos hidratados cristalizados constituidos por tetraedros SiO₄y AlO₄interconectados por átomos de oxígeno. Estas conexiones deben respetar la regla de Loëwenstein, es decir, que un mismo átomo de oxígeno no puede estar vinculado a dos átomos de aluminio.

La fórmula general de las zeolitas se escribe de la siguiente manera: M_2/nO Al₂O₃ xSiO₂ yH₂O. M es el catión de valencia n, que asegura la neutralidad eléctrica del conjunto, generalmente, cationes mono (M⁺) o bivalentes (M²⁺). En resumen, son potencialmente intercambiables por otros cationes monovalentes, bivalentes o trivalentes.

Propiedades de las zeolitas

1 ADSORCIÓN DE GASES

Las zeolitas son capaces de adsorber moléculas orgánicas y minerales en la fase gaseosa sin ninguna modificación estructural. Esta adsorción se debe a su alta superficie específica (de 20 a 800 m²/g) a efectos de superficie hidrófoba-hidrófila y a su estructura.

2 TAMIZ MOLECULAR

Los poros de las zeolitas, de diámetro constante, solo dejan penetrar dentro de su red a las moléculas más pequeñas. Por lo tanto, permiten separar de manera selectiva mezclas gaseosas o líquidas: estos son tamices moleculares.

3 ADSORCIÓN / DESORCIÓN DEL AGUA

Algunas zeolitas tienen una alta afinidad por el agua. Esto se traduce en una capacidad de adsorción de hasta un 30 % en peso, sin ninguna variación de su volumen. La regeneración se lleva a cabo eliminando el agua por efectos de presión o temperatura.
Esta reversibilidad de la adsorción del agua en función del equilibrio hídrico convierte a las zeolitas en perfectos estabilizadores de humedad.

4 ADSORCIÓN DE LÍQUIDOS ORGÁNICOS Y MINERALES

Las zeolitas, como para los gases y el agua, son capaces de adsorber moléculas orgánicas o minerales en solución acuosa o no. Esta adsorción es específica de cada zeolita. Esta propiedad permite usar zeolitas en el tratamiento de efluentes que contienen pesticidas, organoclorados, e incluso hidrocarburos.

5 CAPACIDAD DE INTERCAMBIO DE CATIONES

El catión que asegura la neutralidad eléctrica de la matriz zeolítica puede intercambiarse con otro. Este intercambio se realiza de forma selectiva en función de la afinidad de la zeolita para el catión sustituto. La capacidad total de intercambio catiónico y la selectividad son específicas para cada tipo de zeolita. Esta propiedad convierte a las zeolitas en particularmente útiles y con una eficacia única en la eliminación de cationes o el control de su concentración en el agua potable y las aguas residuales, en acuicultura, agricultura y muchas otras áreas.

6 CATÁLISIS

Las zeolitas pueden tener dentro de su estructura emplazamientos capaces de catalizar reacciones químicas. Esta propiedad se utiliza ampliamente en petroquímica y permite realizar muchas reacciones de reducción, oxidación o ácido-básicas. En la medida en que las reacciones tienen lugar dentro de la matriz zeolítica, sólo pueden formarse las moléculas que requieren un espacio inferior al disponible en las cavidades.

7 ALMACENAMIENTO Y RECUPERACIÓN DE ENERGÍA

En el caso de las zeolitas, la adsorción de agua se acompaña por una liberación de calor. El ciclo de adsorción / desorción puede repetirse indefinidamente y el calor se desprende a través de los compresores o fluidos térmicos. Esta propiedad permite realizar un circuito frío y caliente según el principio de la bomba de calor.

Estabilidad de las zeolitas

El uso de zeolitas para extraer, contener o confinar, implica que conserven sus propiedades durante períodos de tiempo comparables a la duración de implicación del peligro de los contaminantes. Esta estabilidad debe manifestarse en las áreas mecánica, térmica, química y también en una alta resistencia a la radiación (extracción de los radionúclidos).

La estabilidad depende en gran medida de la historia de la materia, es decir, de las técnicas de síntesis y de conformación de las zeolitas sintéticas, de la génesis geológica y de los métodos de extracción de las zeolitas naturales. Por último, cabe señalar que la estabilidad térmica, mecánica y química de las zeolitas es generalmente superior a la de los materiales con propiedades fisicoquímicas comparables: resinas, carbón activo…

Capacidad de intercambio

Entre los minerales naturales, las zeolitas son materiales dotados de las capacidades de intercambio más fuertes.

En defensa del medio ambiente y del equilibrio ecológico, las zeolitas tienen la ventaja de intervenir en los siguientes campos:

intercambio de amonio, precursor de los nitratos, en el tratamiento de efluentes industriales, aguas residuales y agua potable,
intercambio de cationes de metales pesados, aportando posibilidades muy diversificadas de tratamiento de residuos industriales,
intercambio de cationes radioactivos, especialmente de cesio, estroncio y cobalto, para el tratamiento de diversos efluentes de la industria nuclear,
intercambio de calcio por las zeolitas «A» por sodio (4A) por sus aplicaciones en el desarrollo de detergentes sin fosfatos.

A partir de los estudios sobre las zeolitas utilizadas como intercambiadores de iones («A», «X», cabasita, clinoptilolita), podemos describir las grandes líneas de las propiedades de intercambio de estos materiales:

La selectividad es favorable para cationes monovalentes y, en muchos casos, Cs⁺ está a la cabeza.
La retención es mayor para los cationes de valencia más alta, por ello, el papel de Ca⁺⁺ en los emplazamientos geológicos de zeolitas.

Origen y formas

Cuando se habla de las zeolitas naturales, es muy importante saber de qué se trata. A diferencia de las zeolitas sintéticas, obtenidas en procesos industriales y muy puras, las zeolitas naturales se extraen de las canteras. No son absolutamente puras, por lo que sería más exacto hablar de roca zeolítica, toba zeolita e incluso «zeolitita». En el caso de las zeolitas naturales, los mineralogistas han adoptado un método que consiste en dar a la roca el nombre del mineral que la compone principalmente siempre que contenga al menos un 50 %. Por ello, llamamos clinoptilolita, mordenita o cabasita a cualquier roca compuesta por al menos la mitad de una de estas zeolitas.

Los otros minerales que componen la roca, que podrían llamarse «impurezas» son de suma importancia. En función de su naturaleza y su concentración condicionan la roca y su campo de aplicación. Por ejemplo, podemos encontrar dos rocas procedentes de dos yacimientos que presenten el mismo contenido de una misma zeolita pero que no puedan aplicarse en los mismos campos.