Zeolitas

DEFINICIÓN.

Aluminosilicatos hidratados altamente cristalinos que al deshidratarse desarrollan, en el cristal ideal, una estructura porosa con diámetros de poro mínimos o sea de 3 a 10 angstroms.

Una zeolita es un aluminosilicato cuya estructura forma cavidades ocupadas por iones grandes y moléculas de agua con gran libertad de movimiento que permiten el intercambio iónico y la deshidratación reversible.

 

ESTRUCTURA FÍSICO QUÍMICA

  •  No existe un tipo estructural único para las zeolitas.
  •  Armazón tridimensional de tetraedros (Si,Al)O4, con anillos de 3, 4, 5, ó 6 miembros.

Las zeolitas están compuestas por tetraedros formados por un catión y cuatro átomos de oxígenos, 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 tetrahedros 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. Las zeolitas 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.

Zeolita Faujasita

Estructura de una zeolita faujasita. (b) representación simplificada del cuboctaedro (a),
en el que aparecen los átomos de oxígeno (o) y los de aluminio o silicio (•).
Estos cuboctaedros unidos forman a la zeolita faujasita (c).


INTERCAMBIO IÓNICO:

La mayor parte de los intercambios iónicos se lleva a cabo a través de la solución acuosa, por lo cual se utiliza para ablandar aguas duras residuales.

Esto se logra generando “sitios activos” sobre la superficie de la zeolita (con un tratamiento previo de este material) de modo que al pasar el líquido a través de ella se logre atrapar y reemplazar los iones que se encuentran en la solución por otros que disminuyan las propiedades de dureza, por ejemplo, aunque esto se puede aplicar a un sin fin de procesos de interés. Cada determinado tiempo se requiere un proceso de recuperación de la resina de intercambio (como también se le denomina) de modo que se limpien los iones retenidos y se vuelvan a liberar los respectivos sitios activos.

 

INTERCAMBIO CATIÓNICO:

  • Los cationes de intercambio están débilmente unidos a la estructura tetraédrica, y pueden removerse con facilidad mediante lavado con una solución catiónica más fuerte.
  • La capacidad de intercambio de muchas zeolitas alcanzan 2 ó 3 meq/g, aproximadamente el doble que las arcillas bentoníticas.
  • La capacidad de intercambio es, sobre todo, una función del grado de sustitución de Si por Al en la estructura:
    cuanto más alta sea ésta, mayor deficiencia de cargas positivas, y mayor es el número de cationes alcalinos o alcalinotérreos necesarios para neutralizar la carga total.

 

COMPOSICIÓN.

Las sustituciones atómicas en las zeolitas son de dos tipos:

1.- Similar al que tiene lugar en los feldespatos (K Si por Ba Al y Na Si por Ca Al, por ejemplo)
2.- Implica una variación en el número de cationes (Ca por 2Na, Ba por 2K, etc.).

 

PROPIEDADES FUNDAMENTALES.

    • Intercambio catiónico
    • Adsorción ( tamiz molecular)
    • Hidratación-deshidratación (un tipo especial de adsorción)

Propiedades extensivas de la roca zeolítica y de sus partículas constituyentes:

  • Tamaño
  • Forma
  • Porosidad
  • Dureza

 

ADSORCION DE LAS ZEOLITAS.

Los canales y cavidades de una zeolita están normalmente llenos de moléculas de agua, que forman esferas de hidratación alrededor de los cationes de intercambio

Al calentar a 350-400º C durante varias horas, las zeolitas pierden agua, y los canales quedan vacíos y capaces de
adsorber cationes o radicales del tamaño adecuado.
Las moléculas muy grandes pasan alrededor de la partícula, y no son adsorbidas (efecto tamiz molecular)
La superficie de adsorción puede llegar a cientos de metros cuadrados por gramo
Algunas zeolitas ganan hasta un 30% de su peso seco, adsorbiendo gases.

 

ANALISIS DE UNA MUESTRA.

Un análisis elemental para determinar qué átomos componen una muestra, nos arroja los siguiente resultados.

Los resultados correspondiente al análisis elemental informa que una muestra está constituida por aluminio (Al), silicio (Si), sodio (Na), hidrógeno (H) y oxígeno (O).  La cantidad de átomos de aluminio (x) respecto a la cantidad de átomos de silicio (y) es:

x/y = 0.408

 

fórmula química:

Na56Al56Si136O384 * wH2O

 

En donde wH2O sólo significa un número variable de moléculas de agua (H2O). Esta fórmula quiere decir que, en promedio, a 56 átomos de sodio y 56 átomos de aluminio le corresponden 136 de silicio y 384 de oxígeno.

Cuando J.V. Smith, en su artículo “Definición de una zeolita” publicado en la revista Zeolites (una revista internacional dedicada exclusivamente a las zeolitas), intenta precisar lo que se debe entender por zeolita propone la fórmula:

Mx/nAlxSiyO2(x+y) • wH2O

 

Recordando que la valencia es el número de enlaces moleculares que un ion o un átomo entabla con otros átomos o iones, y que los iones positivos se denominan cationes y los negativos, aniones. Como son de carga opuesta los cationes y aniones se atraen mutuamente con gran fuerza.

 

En la fórmula propuesta por Smith, M es un catión de valencia n (en nuestro caso se trataría del sodio cuya valencia es 1, así que Mx/n sería Na), “x” es el número de átomos de aluminio, “y” es el número de átomos de silicio (según el resultado experimental antes obtenido, en nuestro caso serían 56 y 136 respectivamente) y 2 (x+y) es el número de átomos de oxígeno que en nuestro caso tendría que ser:

2 (56+136) = 384

 

y que es exactamente el número de oxígenos determinados en el análisis de los polvos.

Finalmente, como el número de moléculas de agua es variable (wH2O) concluimos que la fórmula química de la muestra es la de una zeolita.

 

CUADRO. Clasificación de algunas zeolitas (de particular interés
en nuestro caso serán las faujasitas y las pentasil).

 

 

TIPOS DE ESPECIES MINERALES

Existen varios tipos de zeolita natural, que surgen en las rocas sedimentarias y que se encuentran constituidas por aluminio, silicio, hidrógeno, oxígeno, y un número variable de moléculas de agua. Según la IMA se aceptan como minerales válidos las siguientes zeolitas:

Zeolitas Fibrosas (Unidades T2O10)
Gonnardita, Mesolita, Natrolita, Paranatrolita, Escolecita, Tetranatrolita, Thomsonita-Sr, Thomsonita-Ca, Kalborsita, Edingtonita.

Cadenas de Anillos de 4 miembros, conectados simples.
Amonioleucita, Leucita, Analcima, Hsianghualita, Litosita, Polucita, Wairakita, Laumontita, Yugawaralita, Roggianita, Goosecreekita, Montesommaíta, Partheíta.

Cadenas de anillos de 4 miembros, conectados dobles.
Amicita, Garronita, Gobbinsita, Gismondina, Harmotoma, Phillipsita-Na, Phillipsita-Ca, Phillipsita-K, Merlinoíta, Mazzita-Mg, Mazzita-Na, Perlialita, Boggsita, Paulingita-Ca, Paulingita-K, Paulingita-Na.

Zeolitas tabulares (cadenas de anillos de 6 miembros).
Gmelinita-Ca, Gmelinita-K, Gmelinita-Na, Cabasita-K, Cabasita-Ca, Cabasita-Na, Herschelita, Cabasita-Sr, Willhendersonita, Levyna-Ca, Levyna-Na, Bellbergita, Erionita-Ca, Erionita-K, Erionita-Na, Wenkita, Offretita, Faujasita-Ca, Faujasita-Mg, Faujasita-Na, Maricopaíta, Mordenita, Dachiardita-Ca, Dachiardita-Na, Epistilbita, Ferrierita-K, Ferrierita-Mg, Ferrierita-Na, Bikitaíta.

Cadenas de tetraedros T5O10
Heulandita-Ba, Clinoptilolita-Na, Clinoptilolita-K, Clinoptilolita-Ca, Heulandita-Ca, Heulandita-K, Heulandita-Na, Heulandita-Sr, Estilbita-Ca, Estilbita-Na, Barrerita, Stellerita, Brewsterita-Ba, Brewsterita-Sr

Otras zeolitas (raras o inclasificadas).
Terranovaita, Gottardiíta, Lovdarita, Gaultita, Chiavennita, Tschernichita, Mutinaíta, Tschortnerita, Tornasita, Direnzoíta, Cowlesita, Mountainita, Alflarsenita.

 

OCURRENCIA – GÉNESIS.

  • En rocas metamórficas de muy bajo grado > definen una facies específica en rocas de composición básica, junto a clorita y cuarzo (esencialmente cálcicas > laumontita y heulandita).
  • Los mejores ejemplos de zeolitas > en vesículas y cavidades en basaltos.
  • En ambientes desérticos o semidesérticos pueden formarse a partir de precursores adecuados (vidrios volcánicos, feldespatos, nefelina, etc.) en condiciones de elevado pH.
  • Las zeolitas son también comunes y están ampliamente distribuidas en lagos salinos alcalinos, asociadas a minerales de la arcilla (esmectitas, sepiolita, etc.).
  • La mayor parte de las zeolitas sedimentarias proceden de transformación de cenizas volcánicas de grano fino, arrastradas por el viento desde el volcán en erupción y depositadas en la tierra, en lagos salinos someros o en costas marinas próximas.
  • Las capas de ceniza pura varían de potencia entre un cm y cientos de metros.
  • Las cenizas vítreas reaccionan con el agua salina circundante y se transforman en cristales micrométricos de zeolitas, probablemente mediante mecanismos de disolución-precipitación.
  • Las rocas zeolíticas normalmente contienen entre un 50 y un 95% de una sola especie. A veces, varias zeolitas pueden coexistir.
  • Los minerales paragenéticos más comunes son: vidrio volcánico, cuarzo, feldespato potásico, montmorillonita,
    calcita, yeso y tridimita-cristobalita.
  • Generalmente, todas las partículas son de tamaño micra, pero algunos granos pueden ser milimétricos.
  • Las rocas zeolíticas suelen ser ligeras, friables, suaves, con densidades entre 1,2 y 1,8 g/cm3.
  • Algunas rocas silicificadas pueden presentar resistencias y densidades mayores, pues la sílice rellena poros y actúa como
    un cemento. En consecuencia, las rocas duras contienen menos zeolita.
  • La roca zeolítica ideal debe ser rica en la especie buscada, resistente mecánicamente ante la abrasión y la desintegración, muy porosa para facilitar la difusión de gases y líquidos, y no muy dura para facilitar su conminución.

 

 

USOS DE LAS ZEOLITAS

  • Cargas en la industria del papel Intercambiadores iónicos en purificación de aguas.
  • Descontaminantes de residuos líquidos y gaseosos.
  • Separación de oxígeno y nitrógeno del aire.
  • Catalizadores en craking del petróleo.
  • Adsorbentes resistentes a los ácidos en secado de gases.
  • Trampas para elementos radioactivos en efluentes líquidos de instalaciones nucleares.
  • Eliminación de compuestos de nitrógeno en la sangre de enfermos de riñón.
  • Materiales de relleno y cubierta de residuos radioactivos en sus almacenamientos.
  • Sustitutivos de fosfatos en detergentes.

 

 

 

 

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