Los catalizadores químicos pueden venir en diferentes formas, tamaños y formas. Se utilizan para reducir el umbral de energía necesario para activar una reacción química, aumentando así la velocidad, a menudo en órdenes de magnitud. Se estima que el 90% de los productos químicos sintetizados industrialmente involucran algún uso de catálisis.
Encontrar los catalizadores más eficientes y específicos es una parte esencial de los procesos químicos, y es ideal tener un catalizador que esté fácilmente disponible y que se pueda ajustar a diferentes reacciones; aquí es donde brilla la familia de materiales de la zeolita.
Las zeolitas son una clase de materiales con composición química y propiedades físico-químicas similares. Por lo general, son una mezcla de sílice, alúmina y moléculas de agua, con iones positivos débilmente unidos que pueden intercambiarse fácilmente por otros. Estos iones positivos, así como la estructura microporosa única de las zeolitas, les permite tener capacidades catalíticas ampliamente aplicables.
Hay más de 250 estructuras de zeolitas conocidas, 40 de las cuales son naturales. Cada estructura única recibe una designación de 3 letras por parte de la Comisión de Estructura de la Asociación Internacional de Zeolitas.
Los cristales forman una estructura reticular repetitiva, que puede identificarse y medirse mediante cristalografía. Las zeolitas cuentan con un área de superficie extensa debido a sus poros y pueden adsorber una amplia variedad de cationes como sodio, calcio, potasio o magnesio. También pueden adsorber cationes de hidrógeno para funcionar como ácidos sólidos.
La primera zeolita se descubrió en el siglo XVIII cuando se descubrió que el mineral estilbita emitía cantidades significativas de vapor cuando se calentaba. Esto llevó a la comprensión de que el agua podría adsorberse en la superficie del material. Estudios posteriores han identificado muchos minerales dentro de la familia de las zeolitas, con muchas configuraciones estructurales y tamaños de poro diferentes.
Las zeolitas son altamente estables, no tóxicas, reutilizables y pueden fabricarse a partir de materiales naturales extremadamente abundantes. Las zeolitas artificiales se pueden sintetizar calentando alúmina y sílice con hidróxido de sodio, y se utilizan productos químicos de plantilla adicionales para guiar la estructura del cristal a medida que se forma.
Los poros de cada tipo de zeolita diferente pueden causar que los enlaces se rompan en lugares específicos y repetibles, maximizando el producto deseado y minimizando cualquier derivado no deseado. Esto es particularmente útil en el reciclaje de desechos plásticos, donde los poros de la zeolita pueden desprender piezas moleculares de tamaño específico del polímero mucho más grande, que luego pueden reutilizarse en nuevos polímeros o materiales completamente nuevos. Un principio similar ha tenido éxito en la transformación del metano, un gas de efecto invernadero, en metanol.
Estos fascinantes materiales también tienen la capacidad de comportarse como tamices moleculares, filtrando mezclas moleculares según los poros dentro de la estructura de la zeolita. Esta exclusión por tamaño permite filtrar y adsorber diferentes moléculas según cuál de las 250 estructuras de zeolita se utilice. Por lo general, se prefieren las zeolitas artificiales para esto, ya que el tamaño y la forma del cristal se pueden manipular y es menos probable que el mineral contenga contaminantes.
A pesar de sus propiedades deseables, algunas zeolitas pueden ser difíciles de trabajar a escala industrial. Para combatir esto, se han ideado materiales compuestos para maximizar los beneficios del material con menos inconvenientes. Científicos suecos han desarrollado un compuesto liviano de zeolita y espuma, que mantiene suficiente área de superficie de zeolita para ser útil en la adsorción selectiva de dióxido de carbono, eliminándolo de la atmósfera. El marco de espuma permite que más gas esté en contacto con el catalizador, a diferencia de los polvos de zeolita convencionales.
Las zeolitas también se han utilizado para ayudar en los esfuerzos de purificación del agua, ya que el cristal puede adsorber e intercambiar iones que se encuentran comúnmente en el agua dura, como el calcio y el magnesio, reemplazándolos con alternativas menos dañinas.
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