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Zeolita

Zeolita expuesta en el Museo de Historia Natural de Estonia

La zeolita es una familia de varios materiales de aluminosilicato cristalino y microporoso que se utilizan comúnmente como adsorbentes y catalizadores comerciales . [1] Se componen principalmente de silicio , aluminio y oxígeno y tienen la fórmula general Mn+
1/n(Al2O3)
2)−
(SiO
2)
incógnitay H
2O donde Mn+
1/nes un ion metálico o H + . Estos iones positivos pueden intercambiarse por otros en una solución electrolítica en contacto. H+
Las zeolitas intercambiadas son particularmente útiles como catalizadores ácidos sólidos . [2]

El término fue acuñado originalmente en 1756 por el mineralogista sueco Axel Fredrik Cronstedt , quien observó que calentar rápidamente un material, que se creía que era estilbita , producía grandes cantidades de vapor a partir del agua que había sido adsorbida por el material. Basándose en esto, llamó al material zeolita , del griego ζέω (zéō) , que significa "hervir" y λίθος (líthos) , que significa "piedra". [3]

Las zeolitas se producen de forma natural, pero también se producen industrialmente a gran escala. A diciembre de 2018 , se han identificado 253 estructuras de zeolita únicas y se conocen más de 40 estructuras de zeolita de origen natural. [4] [5] Cada nueva estructura de zeolita que se obtiene es examinada por la Comisión de Estructura de la Asociación Internacional de Zeolitas (IZA-SC) y recibe una designación de tres letras. [6]

Características

Propiedades

Estructura microscópica de un marco de zeolita ( mordenita ), ensamblado a partir de SiO que comparte esquinas
4Tetraedros. El sodio está presente como catión extraestructural (en verde). Los átomos de Si pueden ser reemplazados parcialmente por Al u otros metales tetravalentes.

Las zeolitas son sólidos blancos con propiedades de manipulación ordinarias, como muchos minerales de aluminosilicato de rutina, por ejemplo, el feldespato . Tienen la fórmula general (MAlO 2 )(SiO 2 ) x (H 2 O) y donde M + es generalmente H + y Na + . La relación Si/Al es variable, lo que proporciona un medio para ajustar las propiedades. Las zeolitas con una relación Si/Al superior a aproximadamente 3 se clasifican como zeolitas de alto contenido de sílice , que tienden a ser más hidrófobas. El H + y el Na + pueden reemplazarse por diversos cationes, porque las zeolitas tienen propiedades de intercambio iónico . La naturaleza de los cationes influye en la porosidad de las zeolitas.

Las zeolitas tienen estructuras microporosas con un diámetro típico de 0,3 a 0,8 nm. Como la mayoría de los aluminosilicatos, la estructura se forma mediante la unión de átomos de aluminio y silicio por óxidos. Esta unión conduce a una red tridimensional de enlaces Si-O-Al, Si-O-Si y Al-O-Al. Los centros de aluminio están cargados negativamente, lo que requiere un catión acompañante. Estos cationes se hidratan durante la formación de los materiales. Los cationes hidratados interrumpen la red densa de enlaces Si-O-Al, Si-O-Si y Al-O-Al, lo que conduce a cavidades regulares llenas de agua. Debido a la porosidad de la zeolita, el agua puede salir del material a través de canales. Debido a la rigidez de la estructura de la zeolita, la pérdida de agua no da como resultado el colapso de las cavidades y los canales. Este aspecto (la capacidad de generar huecos dentro del material sólido) sustenta la capacidad de las zeolitas para funcionar como catalizadores. Poseen una alta estabilidad física y química debido a la gran contribución del enlace covalente. Tienen una excelente hidrofobicidad y son adecuadas para la adsorción de moléculas voluminosas e hidrófobas como los hidrocarburos. Además de eso, las zeolitas con alto contenido de sílice son H+
Son intercambiables, a diferencia de las zeolitas naturales, y se utilizan como catalizadores ácidos sólidos . La acidez es lo suficientemente fuerte como para protonar hidrocarburos y las zeolitas con alto contenido de sílice se utilizan en procesos de catálisis ácida, como el craqueo catalítico fluido en la industria petroquímica. [7]

Zeolita Mordenita con algunos átomos de Si sustituidos por átomos de Al.

Estructura del marco

Tres formas de representar la estructura del anillo de oxígeno de 4 miembros de los compuestos de silicato.
Comparación de las estructuras de la zeolita tipo LTA (izquierda) y la zeolita tipo FAU (derecha)

Se han determinado las estructuras de cientos de zeolitas. La mayoría no se producen de forma natural. Para cada estructura, la Asociación Internacional de Zeolitas (IZA) proporciona un código de tres letras llamado código de tipo de estructura (FTC). [4] Por ejemplo, los principales tamices moleculares, 3A, 4A y 5A, son todos LTA (Linde Tipo A). La mayoría de las zeolitas naturales disponibles comercialmente son de los tipos MOR, HEU o ANA.

En la figura superior derecha se muestra un ejemplo de la notación de la estructura de anillo de la zeolita y otros materiales de silicato. La figura del medio muestra una notación común que utiliza la fórmula estructural . La figura de la izquierda enfatiza la estructura tetraédrica del SiO 4 . La conexión de átomos de oxígeno entre sí crea un anillo de oxígeno de cuatro miembros (línea azul en negrita). De hecho, una subestructura de anillo de este tipo se llama anillo de cuatro miembros o simplemente anillo de cuatro miembros . La figura de la derecha muestra un anillo de 4 con átomos de Si conectados entre sí, que es la forma más común de expresar la topología del marco.

La figura de la derecha compara las estructuras de armazón típicas de LTA (izquierda) y FAU (derecha). Ambas zeolitas comparten la estructura octaédrica truncada (jaula de sodalita ) (línea violeta). Sin embargo, la forma en que están conectadas (línea amarilla) es diferente: en LTA, los anillos de cuatro miembros de la jaula están conectados entre sí para formar un esqueleto, mientras que en FAU, los anillos de seis miembros están conectados entre sí. Como resultado, la entrada de poro de LTA es un anillo de 8 (0,41 nm [4] ) y pertenece a la zeolita de poro pequeño , mientras que la entrada de poro de FAU es un anillo de 12 (0,74 nm [4] ) y pertenece a la zeolita de poro grande , respectivamente. Los materiales con un anillo de 10 se denominan zeolitas de poro medio , siendo un ejemplo típico ZSM-5 (MFI).

Aunque se conocen más de 200 tipos de zeolitas, solo hay disponibles alrededor de 100 tipos de aluminosilicato. Además, solo hay unos pocos tipos que se pueden sintetizar de manera industrialmente factible y tienen suficiente estabilidad térmica para cumplir con los requisitos para uso industrial. En particular, los tipos FAU (faujasita, USY), * BEA (beta), MOR (mordenita con alto contenido de sílice), MFI (ZSM-5) y FER (ferrierita con alto contenido de sílice) se denominan los cinco grandes de las zeolitas con alto contenido de sílice, [8] y se han establecido métodos de producción industrial.

Porosidad

El término tamiz molecular se refiere a una propiedad particular de estos materiales, es decir, la capacidad de clasificar selectivamente las moléculas basándose principalmente en un proceso de exclusión por tamaño. Esto se debe a una estructura de poros muy regular de dimensiones moleculares. El tamaño máximo de las especies moleculares o iónicas que pueden entrar en los poros de una zeolita está controlado por las dimensiones de los canales. Estos se definen convencionalmente por el tamaño del anillo de la abertura, donde, por ejemplo, el término "ocho anillos" se refiere a un bucle cerrado que se construye a partir de ocho átomos de silicio (o aluminio) coordinados tetraédricamente y ocho átomos de oxígeno. Estos anillos no siempre son perfectamente simétricos debido a una variedad de causas, incluida la tensión inducida por la unión entre unidades que se necesitan para producir la estructura general o la coordinación de algunos de los átomos de oxígeno de los anillos con cationes dentro de la estructura. Por lo tanto, los poros en muchas zeolitas no son cilíndricos.

Sustitución isomorfa

La sustitución isomorfa de Si en zeolitas puede ser posible para algunos heteroátomos como titanio , [9] zinc [10] y germanio . [11] Los átomos de Al en zeolitas también pueden reemplazarse estructuralmente con boro [12] y galio . [13]

Se conocen el tipo silicoaluminofosfato (tamiz molecular AlPO), [14] en el que Si es isomorfo con Al y P y Al es isomorfo con Si, y el galogermanato [15] y otros.

Ocurrencia natural

Una forma de thomsonita (una de las zeolitas más raras) de la India

Algunas de las zeolitas minerales más comunes son la analcima , la chabasita , la clinoptilolita , la heulandita , la natrolita , la phillipsita y la estilbita . Un ejemplo de la fórmula mineral de una zeolita es: Na2Al2Si3O10·2H2O , la fórmula de la natrolita .

Las zeolitas naturales se forman cuando las rocas volcánicas y las capas de ceniza reaccionan con el agua subterránea alcalina . Las zeolitas también cristalizan en entornos posdeposicionales durante períodos que van desde miles a millones de años en cuencas marinas poco profundas. Las zeolitas naturales rara vez son puras y están contaminadas en diversos grados por otros minerales, metales, cuarzo u otras zeolitas. Por esta razón, las zeolitas naturales están excluidas de muchas aplicaciones comerciales importantes donde la uniformidad y la pureza son esenciales. [ cita requerida ]

Las zeolitas se transforman en otros minerales bajo condiciones de meteorización , alteración hidrotermal o metamórfica . Algunos ejemplos: [16]

Piedras preciosas

Thomsonita pulida

Las tomsonitas , uno de los minerales de zeolita más raros, se han recolectado como piedras preciosas de una serie de flujos de lava a lo largo del lago Superior en Minnesota y, en menor grado, en Michigan . Los nódulos de tomsonita de estas áreas se han erosionado a partir de flujos de lava basáltica y se recolectan en playas y por buceadores en el lago Superior.

Estos nódulos de thomsonita tienen anillos concéntricos en combinaciones de colores: negro, blanco, naranja, rosa, violeta, rojo y muchos tonos de verde. Algunos nódulos tienen inclusiones de cobre y rara vez se los encontrará con "ojos" de cobre . Cuando son pulidos por un lapidario , las thomsonitas a veces muestran un efecto de "ojo de gato" ( chatoyancy ). [17]

Producción

La primera estructura sintética fue descrita por Richard Barrer . [18] Las zeolitas de importancia industrial se producen sintéticamente. Los procedimientos típicos implican el calentamiento de soluciones acuosas de alúmina y sílice con hidróxido de sodio . Los reactivos equivalentes incluyen aluminato de sodio y silicato de sodio . Otras variaciones incluyen el uso de agentes directores de estructura (SDA) como cationes de amonio cuaternario . [19]

Las zeolitas sintéticas presentan algunas ventajas clave sobre sus análogos naturales. Los materiales sintéticos se fabrican en un estado uniforme y puro. También es posible producir estructuras de zeolitas que no aparecen en la naturaleza. La zeolita A es un ejemplo bien conocido. Dado que las principales materias primas utilizadas para fabricar zeolitas son sílice y alúmina, que se encuentran entre los componentes minerales más abundantes en la Tierra, el potencial para suministrar zeolitas es prácticamente ilimitado.

Minería de minerales

Natrolita de Polonia

A partir de 2016 , la producción anual mundial de zeolita natural se aproxima a 3 millones de toneladas . Los principales productores en 2010 incluyeron a China (2 millones de toneladas), Corea del Sur (210.000 t), Japón (150.000 t), Jordania (140.000 t), Turquía (100.000 t), Eslovaquia (85.000 t) y los Estados Unidos (59.000 t). [20] La fácil disponibilidad de roca rica en zeolita a bajo costo y la escasez de minerales y rocas competidoras son probablemente los factores más importantes para su uso a gran escala. Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos , es probable que un porcentaje significativo del material vendido como zeolitas en algunos países sea toba volcánica molida o aserrada que contiene solo una pequeña cantidad de zeolitas. Estos materiales se utilizan para la construcción, por ejemplo, piedra dimensional (como toba volcánica alterada), agregados livianos , cemento puzolánico y acondicionadores de suelo . [21]

Síntesis

Zeolita sintética

Se han descrito más de 200 zeolitas sintéticas. [22] La mayoría de las zeolitas tienen estructuras de aluminosilicato, pero algunas incorporan germanio, hierro, galio, boro, zinc, estaño y titanio. [23] La síntesis de zeolitas implica procesos tipo sol-gel . Las propiedades del producto dependen de la composición de la mezcla de reacción, el pH del sistema, la temperatura de operación , el tiempo de "siembra" previo a la reacción, el tiempo de reacción y las plantillas utilizadas. En el proceso sol-gel, se pueden incorporar fácilmente otros elementos (metales, óxidos metálicos).

Aplicaciones

Las zeolitas se utilizan ampliamente como catalizadores y absorbentes . [24] Su estructura de poros bien definida y su acidez ajustable las hacen muy activas en una gran variedad de reacciones. [2] [25] En química, las zeolitas se utilizan como membranas para separar moléculas (solo pueden pasar moléculas de ciertos tamaños y formas) y como trampas para moléculas para que puedan analizarse.

Se han llevado a cabo investigaciones y desarrollos sobre las numerosas aplicaciones bioquímicas y biomédicas de las zeolitas, en particular las especies naturales heulandita , clinoptilolita y chabasita . [26]

Síntesis orgánica

En química sintética, los catalizadores homogéneos son los preferidos por su disponibilidad, bajo costo y excelente actividad catalítica, ya que todos los sitios catalíticos están fácilmente disponibles. Sin embargo, estos catalizadores homogéneos tienen varias desventajas, como no ser reutilizables, requerir más de una cantidad estequiométrica y dificultad en la separación y recuperación. Algunas otras desventajas en su uso incluyen los peligros potenciales en la manipulación, toxicidad, naturaleza corrosiva y problemas de eliminación debido al efluente ácido. Además de eso, la hidrólisis y purificación del complejo resultante da como resultado subproductos corrosivos. Se están realizando investigaciones sobre catalizadores sólidos heterogéneos alternativos que sean estables, reutilizables y respetuosos con la naturaleza, y que también permitan un mejor procesamiento de los productos de reacción. Entre estos diferentes catalizadores sólidos, se encontró que las zeolitas eran superiores debido a su selectividad de forma, estabilidad térmica y reutilización.

La alquilación y acilación de Friedel-Crafts que utiliza zeolitas como catalizador son comunes en la síntesis orgánica. [2]

Intercambio de iones, purificación y ablandamiento del agua

Las zeolitas se utilizan ampliamente como lechos de intercambio iónico en la purificación de agua doméstica y comercial , el ablandamiento y otras aplicaciones.

La evidencia del sistema de filtración para purificación de agua con zeolita más antiguo conocido se encuentra en los sedimentos no perturbados del embalse Corriental en la ciudad maya de Tikal , en el norte de Guatemala. [27]

Anteriormente, se utilizaban polifosfatos para ablandar el agua dura. Los polifosfatos forman complejos con iones metálicos como Ca2 + y Mg2 + para unirlos de modo que no interfieran en el proceso de limpieza. Sin embargo, cuando esta agua rica en fosfatos se incorpora al agua corriente principal, se produce la eutrofización de los cuerpos de agua y, por lo tanto, el uso de polifosfatos se reemplazó por el uso de una zeolita sintética.

El uso más importante de la zeolita es el mercado mundial de detergentes para ropa. Las zeolitas se utilizan en detergentes para ropa como ablandadores de agua, eliminando los iones Ca 2+ y Mg 2+ que de otro modo se precipitarían de la solución. Los iones son retenidos por las zeolitas, que liberan iones Na + en la solución, lo que permite que el detergente para ropa sea eficaz en áreas con agua dura. [28]

Catálisis

Las zeolitas sintéticas, al igual que otros materiales mesoporosos (p. ej., MCM-41 ), se utilizan ampliamente como catalizadores en la industria petroquímica , como en el craqueo catalítico de fluidos y el hidrocraqueo . Las zeolitas confinan las moléculas en espacios pequeños, lo que provoca cambios en su estructura y reactividad. Las formas ácidas de las zeolitas preparadas son a menudo potentes ácidos sólidos en estado sólido , que facilitan una serie de reacciones catalizadas por ácidos, como la isomerización , la alquilación y el craqueo.

El craqueo catalítico utiliza un reactor y un regenerador. La alimentación se inyecta en un catalizador fluidizado caliente donde las moléculas grandes de gasóleo se descomponen en moléculas más pequeñas de gasolina y olefinas . Los productos en fase de vapor se separan del catalizador y se destilan en varios productos. El catalizador se hace circular hasta un regenerador, donde se utiliza el aire para quemar el coque de la superficie del catalizador que se formó como subproducto en el proceso de craqueo. A continuación, el catalizador regenerado caliente se hace circular de nuevo hasta el reactor para completar su ciclo.

Las zeolitas que contienen nanopartículas de cobalto tienen aplicaciones en la industria del reciclaje como catalizador para descomponer el polietileno y el polipropileno , dos plásticos ampliamente utilizados, en propano . [29]

Reprocesamiento de residuos nucleares

Un investigador de los Laboratorios Nacionales Sandia examina frascos de SOMS (tamiz molecular octaédrico Sandia), una zeolita que muestra potencial para la limpieza de desechos radiactivos y metales industriales.

Las zeolitas se han utilizado en métodos avanzados de reprocesamiento nuclear , donde su capacidad microporosa para capturar algunos iones mientras permite que otros pasen libremente permite que muchos productos de fisión se eliminen de manera eficiente de los desechos y queden atrapados de manera permanente. Igualmente importantes son las propiedades minerales de las zeolitas. Su construcción de aluminosilicato es extremadamente duradera y resistente a la radiación, incluso en forma porosa. Además, una vez que se cargan con productos de fisión atrapados, la combinación de zeolita y desechos se puede prensar en caliente en una forma cerámica extremadamente duradera, cerrando los poros y atrapando los desechos en un bloque de piedra sólido. Este es un factor de forma de desechos que reduce en gran medida su peligro, en comparación con los sistemas de reprocesamiento convencionales. Las zeolitas también se utilizan en la gestión de fugas de materiales radiactivos. Por ejemplo, después del desastre nuclear de Fukushima Daiichi , se arrojaron sacos de arena de zeolita al agua de mar cerca de la planta de energía para adsorber el cesio-137 radiactivo que estaba presente en altos niveles. [30]

Separación y almacenamiento de gases

Las zeolitas tienen el potencial de proporcionar una separación precisa y específica de gases, incluida la eliminación de H 2 O, CO 2 y SO 2 de corrientes de gas natural de baja calidad . Otras separaciones incluyen gases nobles , N 2 , O 2 , freón y formaldehído .

Los sistemas de generación de oxígeno a bordo (OBOGS) y los concentradores de oxígeno utilizan zeolitas junto con la adsorción por oscilación de presión para eliminar el nitrógeno del aire comprimido y suministrar oxígeno a las tripulaciones aéreas a grandes altitudes, así como suministros de oxígeno domésticos y portátiles. [31]

Animación de la adsorción por oscilación de presión, (1) y (2) que muestran la adsorción y desorción alternadas.

Los sistemas concentradores de oxígeno a base de zeolita se utilizan ampliamente para producir oxígeno de calidad médica. La zeolita se utiliza como tamiz molecular para crear oxígeno purificado a partir del aire utilizando su capacidad para atrapar impurezas, en un proceso que implica la adsorción de nitrógeno, lo que deja oxígeno altamente purificado y hasta un 5 % de argón.

El grupo alemán Fraunhofer eV anunció que había desarrollado una sustancia zeolítica para su uso en la industria del biogás para el almacenamiento a largo plazo de energía a una densidad cuatro veces mayor que la del agua. [32] [ se necesita una fuente no primaria ] [33] [34] En última instancia, el objetivo es almacenar calor tanto en instalaciones industriales como en pequeñas plantas combinadas de calor y energía como las que se utilizan en edificios residenciales de mayor tamaño.

Las bolsas verdes Debbie Meyer , un producto para el almacenamiento y conservación de productos agrícolas, utilizan una forma de zeolita como ingrediente activo. Las bolsas están revestidas con zeolita para adsorber etileno , lo que tiene como objetivo ralentizar el proceso de maduración y prolongar la vida útil de los productos almacenados en las bolsas.

También se ha añadido clinoptilolita a la comida para pollos: la absorción de agua y amoníaco por la zeolita hizo que los excrementos de las aves fueran más secos y menos olorosos, por lo que eran más fáciles de manipular. [35]

Las zeolitas también se utilizan como tamiz molecular en bombas de vacío de tipo criosorción . [36]

Almacenamiento y uso de energía solar

Las zeolitas se pueden utilizar para almacenar termoquímicamente el calor solar obtenido de colectores solares térmicos, como demostró por primera vez Guerra en 1978 [37], y para refrigeración por adsorción , como demostró por primera vez Tchernev en 1974. [38] En estas aplicaciones, se aprovecha su alto calor de adsorción y su capacidad para hidratarse y deshidratarse manteniendo la estabilidad estructural. Esta propiedad higroscópica , junto con una reacción exotérmica inherente (liberación de energía) al pasar de una forma deshidratada a una forma hidratada, hace que las zeolitas naturales sean útiles para recolectar calor residual y energía térmica solar. [ se necesita una fuente no primaria ]

Materiales de construcción

Las zeolitas sintéticas se utilizan como aditivo en el proceso de producción de hormigón asfáltico mezclado en caliente . El desarrollo de esta aplicación comenzó en Alemania en la década de 1990. Ayudan a disminuir el nivel de temperatura durante la fabricación y la colocación del hormigón asfáltico, lo que da como resultado un menor consumo de combustibles fósiles, liberando así menos dióxido de carbono , aerosoles y vapores. El uso de zeolitas sintéticas en asfalto mezclado en caliente conduce a una compactación más fácil y, hasta cierto punto, permite la pavimentación en climas fríos y recorridos más largos.

Cuando se añaden al cemento Portland como puzolana , pueden reducir la permeabilidad al cloruro y mejorar la trabajabilidad. Reducen el peso y ayudan a moderar el contenido de agua al tiempo que permiten un secado más lento, lo que mejora la resistencia a la rotura. [39] Cuando se añaden a morteros de cal y morteros de cal-metacaolín, los gránulos de zeolita sintética pueden actuar simultáneamente como material puzolánico y como depósito de agua. [40] [41]

Arena para gatos

La arena para gatos no aglomerante suele estar hecha de zeolita (o diatomita ), una forma de la cual, inventada en el MIT , puede secuestrar el gas de efecto invernadero metano de la atmósfera. [42]

Agente hemostático

La formulación original del agente hemostático de la marca QuikClot , que se utiliza para detener hemorragias graves, [43] contenía gránulos de zeolita. Al entrar en contacto con la sangre, los gránulos absorberían rápidamente agua del plasma sanguíneo, creando una reacción exotérmica que generaría calor. La absorción de agua también concentraría los factores de coagulación presentes en la sangre, lo que haría que el proceso de formación del coágulo se produjera mucho más rápido que en circunstancias normales, como se ha demostrado in vitro . [44]

La formulación 2022 de QuikClot utiliza un material no tejido impregnado con caolín , un mineral inorgánico que activa el factor XII , acelerando a su vez la coagulación natural. [45] A diferencia de la formulación original de zeolita, el caolín no exhibe propiedades termogénicas.

Tratamiento del suelo

En la agricultura, la clinoptilolita (una zeolita natural) se utiliza como tratamiento del suelo. Proporciona una fuente de potasio de liberación lenta . Si se carga previamente con amonio , la zeolita puede cumplir una función similar en la liberación lenta de nitrógeno .

Las zeolitas también pueden actuar como moderadores del agua, ya que absorben hasta el 55% de su peso en agua y la liberan lentamente según la demanda de la planta. Esta propiedad puede prevenir la pudrición de las raíces y moderar los ciclos de sequía.

Acuarios

Las tiendas de mascotas comercializan zeolitas para su uso como aditivos de filtrado en acuarios , [21] donde se pueden utilizar para adsorber amoníaco y otros compuestos nitrogenados. Debido a la alta afinidad de algunas zeolitas por el calcio, pueden ser menos efectivas en aguas duras y pueden agotar el calcio. La filtración con zeolitas también se utiliza en algunos acuarios marinos para mantener bajas las concentraciones de nutrientes en beneficio de los corales adaptados a aguas con escasez de nutrientes.

El lugar y la forma en que se formó la zeolita es un factor importante a considerar para las aplicaciones en acuarios. La mayoría de las zeolitas naturales del hemisferio norte se formaron cuando la lava fundida entró en contacto con el agua de mar, "cargando" así la zeolita con iones de sacrificio de Na (sodio). El mecanismo es bien conocido por los químicos como intercambio iónico . Estos iones de sodio pueden ser reemplazados por otros iones en solución, de ahí la absorción de nitrógeno en amoníaco, con la liberación del sodio. Un depósito cerca de Bear River en el sur de Idaho es una variedad de agua dulce (Na < 0,05%). [46] Las zeolitas del hemisferio sur se forman típicamente en agua dulce y tienen un alto contenido de calcio. [47]

Especies minerales

Una muestra combinada de cuatro especies de zeolita. Los cristales radiantes de natrolita están protegidos en una cavidad con estilbita asociada. La matriz alrededor y por encima de la cavidad está revestida con pequeños cristales de laumontita de color rosa. La heulandita también está presente como un grupo de cristales en la parte posterior.

El grupo estructural de zeolitas ( clasificación Nickel-Strunz ) incluye: [4] [16] [48] [49] [50]

Estudio computacional

Los cálculos informáticos han predicho que son posibles millones de estructuras hipotéticas de zeolita. Sin embargo, hasta ahora solo se han descubierto y sintetizado 232 de estas estructuras, por lo que muchos científicos especializados en zeolitas se preguntan por qué solo se observa esta pequeña fracción de posibilidades. Este problema se conoce a menudo como "el problema del cuello de botella". [ cita requerida ] Actualmente, varias teorías intentan explicar el razonamiento detrás de esta pregunta.

  1. La investigación sobre la síntesis de zeolitas se ha centrado principalmente en métodos hidrotermales; sin embargo, se pueden sintetizar nuevas zeolitas utilizando métodos alternativos. Los métodos de síntesis que han comenzado a ganar popularidad incluyen la modificación post-sintética asistida por microondas y el vapor.
  2. Las simulaciones geométricas por ordenador han demostrado que las estructuras de zeolita descubiertas poseen un comportamiento conocido como "ventana de flexibilidad". Esto demuestra que existe un intervalo en el que la estructura de la zeolita es "flexible" y se puede comprimir, pero conserva la estructura de la estructura. Se sugiere que si una estructura no posee esta propiedad, no se puede sintetizar de forma viable.
  3. Como las zeolitas son metaestables, ciertas estructuras pueden ser inaccesibles ya que no se puede producir nucleación porque se formarán zeolitas más estables y energéticamente favorables. Se ha utilizado la modificación postsintética para combatir este problema con el método ADOR [51] , mediante el cual las estructuras se pueden cortar en capas y volver a unir eliminando los enlaces de sílice o incluyéndolos.
  4. Basándose en sistemas de modelos de cristales densos, se desarrolló la teoría de la cristalización a través de cúmulos de prenucleación de soluto. [52] La investigación de la cristalización de zeolitas en líquidos iónicos de silicato hidratado (HSIL) ha demostrado que las zeolitas pueden nuclearse a través de la condensación de cúmulos de prenucleación con pares de iones. [53] Esta línea de investigación identificó varias conexiones entre la química líquida del medio de síntesis y propiedades importantes de los cristales de zeolita, como el papel de los agentes inorgánicos directores de estructura en la selección del marco de la zeolita, [54] el papel del apareamiento de iones en la composición molecular y topología de la zeolita, [55] y el papel de la movilidad de cationes líquidos en el tamaño y la morfología del cristal de zeolita. [56] En consecuencia, existen relaciones complejas entre las propiedades de los medios de síntesis de zeolita y la zeolita en cristalización, lo que potencialmente explica por qué solo se puede sintetizar una pequeña fracción de los marcos de zeolita hipotéticos. Si bien estas relaciones aún no se comprenden por completo, la síntesis de zeolita HSIL es un sistema modelo excepcional para la ciencia de la zeolita, que brinda oportunidades para avanzar en la comprensión actual del enigma de la zeolita.

Véase también

Referencias

  1. ^ "Estructura de la zeolita". GRACE.com . WR Grace & Co. 2006. Archivado desde el original el 15 de febrero de 2009. Consultado el 8 de febrero de 2019 .
  2. ^ abc Nayak, Yogeesha N.; Nayak, Swarnagowri; Nadaf, YF; Shetty, Nitinkumar S.; Gaonkar, Santosh L. (2020). "Reacciones de Friedel-Crafts catalizadas por zeolita: una revisión". Cartas en química orgánica . 17 (7): 491–506. doi :10.2174/1570178616666190807101012. S2CID  201222323.
  3. ^ CronstedtAF (1756). "Zeolita natural y minerales". Svenska Vetenskaps Akademiens Handlingar Estocolmo . 17 : 120.
  4. ^ abcde «Base de datos de estructuras de zeolitas». iza-structure.org . Asociación Internacional de Zeolitas. 2017 . Consultado el 24 de mayo de 2021 .
  5. ^ "Minerales ordenados según la nueva clasificación de Dana". webmineral.com . Consultado el 8 de febrero de 2019 .
  6. ^ "Noticias de la Comisión de Estructura". Comisión de Estructura de la IZA . 2018. Consultado el 8 de febrero de 2018 .
  7. ^ Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
  8. ^ "Una descripción general de la tecnología de modelado de zeolitas y soluciones para superar las limitaciones de difusión". Catalysts (8): 163. 2018.
  9. ^ Patente estadounidense 4410501A, "Preparación de material sintético cristalino poroso compuesto de óxidos de silicio y titanio", expedida el 21 de diciembre de 1979 
  10. ^ Patente estadounidense 2016243531A1, "Procesos para preparar zincoaluminosilicatos con topologías aei, cha y gme y composiciones derivadas de las mismas", expedida el 24 de febrero de 2015 
  11. ^ Shamzhy, Mariya V.; Eliašová, Pavla; Vitvarová, Dana; Opanasenko, Maksym V.; Firth, Daniel S.; Morris, Russell E. (2016). "Estabilización posterior a la síntesis de zeolitas de germanosilicato ITH, IWW y UTL mediante la sustitución de Ge por Al". Química: una revista europea . 22 (48): 17377–17386. doi :10.1002/chem.201603434. hdl : 10023/11880 . PMID  27754569.
  12. ^ Patente estadounidense 5187132A, "Preparación de zeolitas de borosilicato", expedida el 16 de febrero de 1993 
  13. ^ "Incorporación de galio en zeolitas: síntesis, propiedades y aplicación catalítica". Chem. Rev. (100): 2303–2405. 2000.
  14. ^ "Estructura cristalina del hidróxido de tetrapropilamonio-fosfato de aluminio número 5". ACS Sym. Ser. (218): 109–118. 1983.
  15. ^ "Síntesis hidrotermal y caracterización estructural de estructuras similares a zeolitas basadas en germanatos de galio y aluminio". J. Am. Chem. Soc. (120): 13389–13397. 1998.
  16. ^ ab Tschernich RW (1992). Zeolitas del Mundo . Prensa de geociencias. ISBN 9780945005070.
  17. ^ Dietrich RV (2005). "Thomsonite". GemRocks . Consultado el 2 de octubre de 2013 .
  18. ^ Barrer, RM (1 de enero de 1948). "33. Síntesis de un mineral zeolítico con propiedades de sorción similares a las de la chabazita". Journal of the Chemical Society (Resumen) (0): 127–132. doi :10.1039/JR9480000127. ISSN  0368-1769.
  19. ^ Rollmann LD, Valyocsik EW, Shannon RD (1995). "Zeolite Molecular Sieves". En Murphy DW, Interrante LV (eds.). Inorganic Syntheses: Nonmolecular Solids . Vol. 30. Nueva York: Wiley & Sons. págs. 227–234. doi :10.1002/9780470132616.ch43. ISBN 9780470132616.
  20. ^ "Zeolitas (naturales)" (PDF) . Resúmenes de productos minerales del USGS . 2011. Archivado (PDF) desde el original el 8 de junio de 2011 . Consultado el 8 de febrero de 2019 .
  21. ^ ab Virta RL (2011). "2009 Minerals Yearbook - Zeolites" (PDF) . USGS . Archivado (PDF) desde el original el 8 de junio de 2011 . Consultado el 8 de febrero de 2019 .
  22. ^ Earl DJ, Deem MW (2006). "Hacia una base de datos de estructuras hipotéticas de zeolitas". Ind. Eng. Chem. Res. 45 (16): 5449–5454. doi :10.1021/ie0510728. ISSN  0888-5885.
  23. ^ Szostak R (1998). Tamices moleculares: principios de síntesis e identificación. Serie de ingeniería y ciencias eléctricas e informáticas de Van Nostrand Reinhold. Springer. ISBN 9780751404807.
  24. ^ P. Chatterjee; Y. Han; T. Kobayashi; K. Verma; M. Mais; R. Behera; T. Johnson; T. Prozorov; J. Evans; II Slowing; W. Huang (2023). "Captura de elementos de tierras raras mediante aluminosilicato sintético MCM-22: comprensión mecanicista de la captura de Yb(III)". ACS Appl. Mater. Interfaces . 15 (46): 54192–54201. doi :10.1021/acsami.3c14560. PMID  37934618. S2CID  265050410.
  25. ^ Bhatia S (1989). Catalizadores de zeolita: principios y aplicaciones. Boca Raton: CRC Press. ISBN 9780849356285.
  26. ^ Auerbach SM, Carrado KA, Dutta PK, eds. (2003). Manual de ciencia y tecnología de la zeolita . Boca Raton: CRC Press. pág. 16. ISBN 9780824740207.
  27. ^ Tankersley, KB, Dunning, NP, Carr, C. et al. Purificación de agua con zeolita en Tikal, una antigua ciudad maya en Guatemala. Sci Rep 10, 18021 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-75023-7
  28. ^ Andrew Burrows; John Holman; Andrew Parsons; Gwen Pilling; Gareth Price (2009). Química 3: Introducción a la química inorgánica, orgánica y física. Oxford: Oxford University Press. pág. 253. ISBN 978-0-19-927789-6.OCLC 251213960  .
  29. ^ "Un nuevo proceso podría permitir un reciclaje de plásticos más eficiente". Noticias del MIT | Instituto Tecnológico de Massachusetts . 6 de octubre de 2022 . Consultado el 22 de abril de 2023 .
  30. ^ The Associated Press (16 de abril de 2011). «El nivel de materiales radiactivos aumenta cerca de una planta de Japón». NYTimes . ISSN  0362-4331.
  31. ^ "Sistema generador de oxígeno a bordo (OBOGS)". Honeywell.com . Honeywell International Inc. Archivado desde el original el 10 de septiembre de 2011 . Consultado el 9 de febrero de 2019 .
  32. ^ "Almacenamiento térmico compacto y flexible". Fraunhofer Research News . Fraunhofer-Gesellschaft. 1 de junio de 2012.
  33. ^ Pirsaheb, Meghdad; Hossaini, Hiwa; Amini, Jila (2021). "Parámetros operativos influenciados en la producción de biogás en un reactor deflector anaeróbico/zeolítico para el tratamiento de lixiviados de compost". Revista de Ciencias e Ingeniería de la Salud Ambiental . 19 (2): 1743–1751. Bibcode :2021JEHSE..19.1743P. doi :10.1007/s40201-021-00729-3. PMC 8617091 . PMID  34900303. 
  34. ^ Druzyanova, Varvara; Petrova, Sofya; Khiterkheeva, Nadezhda; Bardamova, Irina; Gergenova, Tatyana (2020). Rudoy, ​​D.; Ignateva, S. (eds.). "El uso de zeolitas para la purificación de biogás en la producción agrícola". E3S Web of Conferences . 175 : 12012. Bibcode :2020E3SWC.17512012D. doi : 10.1051/e3sconf/202017512012 .
  35. ^ Mumpton FA (1985). "Cap. VIII. Uso de zeolitas en la agricultura" (PDF) . En Elfring C (ed.). Tecnologías biológicas innovadoras para países menos desarrollados . Washington, DC: Congreso de los Estados Unidos, Oficina de Evaluación de Tecnología. LCCN  85600550. Archivado (PDF) desde el original el 10 de octubre de 2022.
  36. ^ Ventura G, Risegari L (2007). El arte de la criogenia: técnicas experimentales a baja temperatura. Elsevier. p. 17. ISBN 9780080444796.
  37. ^ Patente de EE. UU. N.º 4.269.170, "Sistema de almacenamiento y calentamiento solar por adsorción", presentada el 27 de abril de 1978, Inventor: John M. Guerra
  38. ^ Patente de EE. UU. N.º 4.034.569, presentada el 4 de noviembre de 1974, inventor: Dimiter I. Tchernev
  39. ^ Dypayan J (2007). "Clinoptilolita: una puzolana prometedora para el hormigón" (PDF) . Una nueva mirada a una puzolana antigua . 29.ª Conferencia de la ICMA. Ciudad de Quebec, Canadá: Construction Materials Consultants, Inc., págs. 168-206. Archivado (PDF) desde el original el 10 de octubre de 2022. Consultado el 7 de octubre de 2013 .
  40. ^ Andrejkovičová S, Ferraz E, Velosa AL, et al. (2012). "Morteros de cal aérea con incorporación de pellets de sepiolita y zeolita sintética" (PDF) . Acta Geodynamica et Geomaterialia . 9 (1): 79–91. Archivado (PDF) desde el original el 10 de octubre de 2022.
  41. ^ Ferraza E, Andrejkovičová S, Velosa AL, et al. (2014). "Pellets de zeolita sintética incorporados a morteros de cal aérea-metacaolín: propiedades mecánicas". Construcción y materiales de construcción . 69 : 243–252. doi :10.1016/j.conbuildmat.2014.07.030.
  42. ^ Dezember, Ryan (14 de mayo de 2022). "La arena para gatos podría ser un antídoto contra el cambio climático, dicen los investigadores". WSJ – vía www.wsj.com.
  43. ^ Rhee P, Brown C, Martin M, et al. (2008). "Uso de QuikClot en traumatismos para el control de hemorragias: serie de casos de 103 usos documentados". The Journal of Trauma and Acute Care Surgery . 64 (4): 1093–9. doi :10.1097/TA.0b013e31812f6dbc. PMID  18404080. S2CID  24827908.
  44. ^ Li, Jing; Cao, Wei; Lv, Xiao-xing; et al. (1 de marzo de 2013). "El hemostático a base de zeolita QuikClot libera calcio en la sangre y promueve la coagulación sanguínea in vitro". Acta Pharmacologica Sinica . 34 (3): 367–372. doi :10.1038/aps.2012.159. ISSN  1671-4083. PMC 4002488 . PMID  23334236. 
  45. ^ "QuikClot para militares | El apósito hemostático de elección del Departamento de Defensa de EE. UU." Teleflex Inc. 2022 . Consultado el 1 de octubre de 2023 .
  46. ^ Hongting Z, Vance GF, Ganjegunte GK, et al. (2008). "Uso de zeolitas para el tratamiento de aguas coproducidas con gas natural en Wyoming, EE. UU." Desalación . 228 (1–3): 263–276. doi :10.1016/j.desal.2007.08.014.
  47. ^ Wang, Shaobin; Peng, Yuelian (9 de octubre de 2009). "Zeolitas naturales como adsorbentes eficaces en el tratamiento de agua y aguas residuales" (PDF) . Revista de ingeniería química . 156 (1): 11–24. doi :10.1016/j.cej.2009.10.029. Archivado (PDF) desde el original el 10 de octubre de 2022 . Consultado el 13 de julio de 2019 .
  48. ^ "Base de datos de propiedades minerales". IMA . Consultado el 9 de febrero de 2019 .
  49. ^ "Clasificación de níquel-Strunz - Grupos primarios 10.ª ed." mindat.org . Consultado el 10 de febrero de 2019 .
  50. ^ First EL, Gounaris CE, Wei J, et al. (2011). "Caracterización computacional de redes porosas de zeolita: un enfoque automatizado". Phys. Chem. Chem. Phys. 13 (38): 17339–17358. Bibcode :2011PCCP...1317339F. doi :10.1039/C1CP21731C. PMID  21881655.
  51. ^ Roth WJ, Nachtigall P, Morris RE, et al. (2013). "Una familia de zeolitas con tamaño de poro controlado preparadas utilizando un método de arriba hacia abajo". Nat. Chem. 5 (7): 628–633. Bibcode :2013NatCh...5..628R. doi :10.1038/nchem.1662. hdl : 10023/4529 . ISSN  1755-4330. PMID  23787755.
  52. ^ Gebauer, Denis; Kellermeier, Matthias; Gale, Julian D.; Bergström, Lennart; Cölfen, Helmut (23 de enero de 2014). "Cúmulos de prenucleación como precursores de solutos en la cristalización". Chemical Society Reviews . 43 (7): 2348–2371. doi : 10.1039/C3CS60451A . hdl : 20.500.11937/6133 . PMID  24457316.
  53. ^ Pellens, Nick; Doppelhammer, Nikolaus; Radhakrishnan, Sambhu; Asselman, Karel; Chandran, C. Vinod; Vandenabeele, Dries; Jakoby, Bernhard; Martens, Johan A.; Taulelle, Francis; Reichel, Erwin K.; Breynaert, Eric; Kirschhock, Christine EA (2022). "Nucleación de cristales porosos a partir de cúmulos de prenucleación emparejados por iones". Química de materiales . 34 (16): 7139–7149. doi :10.1021/acs.chemmater.2c00418. PMC 9404542 . PMID  36032557. 
  54. ^ Asselman, Karel; Pellens, Nick; Radhakrishnan, Sambhu; Chandran, C. Vinod; Martens, Johan A.; Taulelle, Francis; Verstraelen, Toon; Hellström, Matti; Breynaert, Eric; Kirschhock, Christine EA (4 de agosto de 2021). "Superiones de cationes de sodio con aniones de hidróxido hidratados: agentes directores de estructura inorgánicos en la síntesis de zeolitas". Materials Horizons . 8 (9): 2576–2583. doi :10.1039/D1MH00733E. hdl : 1854/LU-8740859 . PMID  34870303. S2CID  238722345.
  55. ^ Asselman, Karel; Pellens, Nick; Thijs, Barbara; Doppelhammer, Nikolaus; Haouas, Mohamed; Taulelle, Francis; Martens, Johan A.; Breynaert, Eric; Kirschhock, Christine EA (2022). "Los pares de iones en líquidos de síntesis de aluminosilicato-álcali determinan el contenido de aluminio y la topología de las zeolitas cristalizantes". Química de materiales . 34 (16): 7150–7158. doi :10.1021/acs.chemmater.2c00773. PMC 9404546 . PMID  36032556. 
  56. ^ Pellens, Nick; Doppelhammer, Nikolaus; Thijs, Bárbara; Jakoby, Bernhard; Reichel, Erwin K.; Taulelle, Francisco; Martens, Johan A.; Breynaert, Eric; Kirschhock, Christine EA (2022). "Un modelo de cristalización de zeolita confirmado por observación in situ". Discusiones de Faraday . 235 : 162–182. Código Bib : 2022FaDi..235..162P. doi :10.1039/D1FD00093D. PMID  35660805. S2CID  245465624.

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  1. ^ Breck DW (1973). Tamices moleculares de zeolita: estructura, química y uso. Wiley. ISBN 9780471099857.