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Miércoles, 06 de Septiembre de 2006 12:00

Que son las zeolitas y los zeotipos y sus aplicaciones

G.C. - C.M.
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El t�rmino "zeolita" fue, inicialmente, utilizado para designar a una familia de minerales naturales que presenta, como caracter�sticas particulares, el intercambio de cationes y la desorci�n reversible de agua. Esta �ltima propiedad da origen al nombre gen�rico de zeolita, el cual se deriva de dos palabras griegas: "zeo", hierve, y "lithos", piedra.

En la actualidad, el t�rmino incluye un gran n�mero de minerales naturales y sint�ticos, con caracter�sticas estructurales comunes. Las zeolitas naturales se forman en una gran variedad de sitios y precursores geol�gicos, tales como cenizas volc�nicas, arcillas, s�lices biog�nicas y diferentes formas de cuarzo. Entre las m�s de 40 zeolitas naturales y 200 de s�ntesis, las m�s comunes son la mordenita, clinoptilolita, chabazita, erionita y filipsita.

Hoy, la mayor�a de las zeolitas utilizadas, son dise�adas y sintetizadas en los laboratorios de investigaci�n, que han llegado a sintetizarlas casi a la medidas de las necesidades ("taylored catalysts", catalizadores estilo sastre).

Las zeolitas son silicatos de aluminio hidratados, pertenecientes a la familia de los tectosilicatos, en los que los tetrahedros de SiO4 forman supercajas tridimensionales. En su estructura, algunos �tomos de Si son sustituidos por �tomos de Al, dando lugar a una estructura cargada negativamente, como consecuencia de la diferencia entre la carga de los tetrahedros (AlO4)5- y (SiO4)4-. Estos centros con carga negativa son compensados por contraiones, generalmente, cationes alcalinos y alcalinot�rreos, los cuales pueden ser sustituidos por otros cationes, confiriendo as� a las zeolitas sus propiedades de intercambio i�nico.

El esqueleto cristalino puede estar formado por una combinaci�n tridimensional de tetrahedros TO4 (T=Si, Al, B, Ga, Ge, Fe, P y Co) unidos por �tomos de ox�geno. Las uniones T-O-Si originan una gran variedad de anillos, que son los responsables de las cajas y estructura de canales de las zeolitas y tambi�n de su capacidad discriminadora molecular, tanto en tama�o como en forma de las mol�culas.

A lo largo de los �ltimos a�os, se ha desarrollado una teor�a completa acerca de las propiedades de intercambio i�nico de las zeolitas. Debido a su red r�gida tridimensional, presentan estas propiedades intercambiadoras sin cambios significativos estructurales mostrando un comportamiento carente de contracciones y expansiones ("shrink-swell behavior"). Sin embargo, el proceso de intercambio i�nico depende tanto de las caracter�sticas de la zeolita, como de las disoluciones y de los iones presentes, lo que hace que el comportamiento de las zeolitas no siga, exactamente, las reglas normales del intercambio i�nico.

La utilizaci�n de las zeolitas, en la actualidad, abarca una gran variedad de campos, entre los que cabe destacar como el m�s importante, sin duda alguna, sus aplicaciones como catalizadores y soportes en el campo de la Cat�lisis Heterog�nea. As�, es de rese�ar sus aplicaciones en el campo de la Cat�lisis Heterog�nea �cido-B�sica, debido a su naturaleza fuertemente �cida que, por otra parte, permite su modulaci�n tanto en lo que se refiere a n�mero de centros como a su fortaleza y distribuci�n.

Los grupos hidroxilo terminales en la red de Si-OH---T son considerados como centros �cidos de Br�nsted, produci�ndose por interacci�n entre el ox�geno hidrox�lico y los �tomos tetrah�dricos, T, centros �cidos de Lewis. Su importancia como catalizadores en la Petroleoqu�mica y Qu�mica del Gas Natural resulta incuestionable, en la actualidad, hasta el punto de resultar imprescindibles en procesos como el craqueo catal�tico fluido (FCC), hidrocraqueo, alquilaci�n alif�tica, isomerizaci�n, oligomerizaci�n, transformaci�n de arom�ticos, transalquilaci�n, desencerado, hidrodesciclaci�n o qu�mica del C1 (por ej. en la conversi�n de metanol en hidrocarburos).

Las carad de forma ("shape selectivity"), que modula a reaccionantes, productos e intermedios de reacci�n dentro de sus poros y canales. Asimismo, se puede "jugar" con el efecto solvatante de sus paredes, hidrofilia e hidrofobia, etc., lo que hace que las zeolitas (y materiales semejantes, zeotipos) sean unos materiales sin par, en la actualidad y, sin duda, para el futuro.

Por otra parte existen los denominados zeotipos o materiales semejantes a las zeolitas, tales como AlPOs (fosfatos de aluminio), SAPOs (silicoaluminofosfatos de aluminio), etc. As�, en los AlPO4 (AlPOs) microporosos la estructura de su red consiste en una secuencia estrictamente alternante Al-O-P (Al3+ y P5+ unidos por 4 �tomos de O, con cargas 2- pertenecientes a dos tetrahedros), dando lugar a una red totalmente neutra, como en el caso de las zeolitas.

Dependiendo de la combinaci�n de cationes met�licos en la red, son, en principio, posibles estructuras con cargas positivas o negativas. Por otra parte, sobre las redes de los materiales zeol�ticos se pueden depositar metales o complejos met�licos, dando lugar a catalizadores heterog�neos utilizables en procesos de hidrogenaci�n, incluidas las hidrogenaciones quirales, de tan enorme importancia en la Industria Farmac�utica.

La aparici�n del concepto de Qu�mica Verde, debido a Anastas y Warner potencia, extraordinariamente, el papel de los materiales zeol�ticos en el campo de la Qu�mica. Hemos de recordar, al respecto, que el 9� Principio (de los 12 que aparecen en la Qu�mica Verde) afirma que los reactivos y procesos catalizados son preferibles a los estequiom�tricos (no catalizados).

Las zeolitas y zeotipos, al carecer de toxicidad, aparte de su utilizaci�n como adsorbentes, catalizadores y soportes en el campo de la S�ntesis Qu�mica, desempe�an, actualmente, un papel clave en la Qu�mica del Medio Ambiente contribuyendo a la Qu�mica Sostenible (Qu�mica Verde), tanto en la Qu�mica a Gran Escala, como en la "Qu�mica Dom�stica".

As�, pueden ser utilizados en la "remediaci�n" o descontaminaci�n ambiental, para la eliminaci�n, por ej., de compuestos org�nicos t�xicos o iones met�licos pesados. De esta forma, los materiales zeol�ticos se est� utilizando para eliminar los males olores (debidos, por ej, al amon�aco o al sulfuro de hidr�geno o los mercaptanos) de tuber�as, cocinas, animales dom�sticos, zoos, etc. Su elevada �rea superficial, alta capacidad de adsorci�n y propiedades de intercambio i�nico, los hace especialmente �tiles para estos menesteres.

Por otra parte, cuando los materiales zeol�ticos son portadores de un material fotoactivo, se convierten en fotocatalizadores heterog�neos utilizables en la destrucci�n de contaminantes org�nicos existentes en la atm�sfera, agua y suelos.

Por otra parte, las propiedades que presentan las zeolitas y zeotipos los hace utilizables en el campo de la Medicina. A t�tulo de ejemplo, y sin entrar en detalle, diremos que se est�n empleando en terapia antic�ncer, tratamiento de diarreas, etc.

Finalmente, hemos de mencionar su utilizaci�n en el campo de la Qu�mica Anal�tica, en la construcci�n de sensores y detectores, m�todos de separaci�n y preconcentraci�n, etc.

En Espa�a existen excelentes Grupos de Investigaci�n, pertenecientes a Centros P�blicos (Universidad, C.S.I.C.) y a la Industria, que trabajan sobre materiales zeol�ticos, que gozan de un merecido prestigio Internacional, de ah� la importancia de la 1� Reuni�n Bienal del Grupo Espa�ol de Zeolitas (encuadrado en la Sociedad Espa�ola de Cat�lisis, "SECAT"), que se celebra en C�rdoba y que va a poner de manifiesto las principales investigaciones que, sobre zeolitas y materiales relacionados, se est�n desarrollando en nuestro pa�s.