I catalizzatori chimici possono presentarsi in tutte le diverse forme, dimensioni e forme. Sono usati per abbassare la soglia di energia richiesta per attivare una reazione chimica, aumentando così la velocità, spesso di ordini di grandezza. Si stima che il 90% delle sostanze chimiche sintetizzate industrialmente implichi un certo uso della catalisi.
Trovare i catalizzatori più efficienti e specifici è una parte essenziale dei processi chimici e l'ideale è avere un catalizzatore che sia prontamente disponibile e sintonizzabile su diverse reazioni: è qui che brilla la famiglia di materiali zeolitici.
Le zeoliti sono una classe di materiali con composizione chimica e proprietà fisico-chimiche simili. Di solito sono una miscela di molecole di silice, allumina e acqua, con ioni positivi debolmente legati che possono essere facilmente scambiati con altri. Questi ioni positivi, così come l'esclusiva struttura microporosa delle zeoliti, consentono loro di avere capacità catalitiche ampiamente applicabili.
Esistono oltre 250 strutture di zeolite conosciute, 40 delle quali sono presenti in natura. Ogni struttura unica riceve una designazione di 3 lettere dalla International Zeolite Association Structure Commission.
I cristalli formano una struttura reticolare ripetuta, che può essere identificata e misurata attraverso la cristallografia. Le zeoliti vantano un'ampia superficie grazie ai loro pori e possono adsorbire un'ampia varietà di cationi come sodio, calcio, potassio o magnesio. Possono anche adsorbire cationi idrogeno per funzionare come acidi solidi.
La prima zeolite fu scoperta nel XVIII secolo quando si scoprì che il minerale stilbite emanava quantità significative di vapore quando riscaldato. Ciò ha portato alla comprensione che l'acqua potrebbe essere assorbita dalla superficie del materiale. Ulteriori studi hanno identificato molti minerali all'interno della famiglia delle zeoliti, con molte diverse configurazioni strutturali e dimensioni dei pori.
Le zeoliti sono altamente stabili, non tossiche, riutilizzabili e possono essere realizzate con materiali naturali estremamente abbondanti. Le zeoliti artificiali possono essere sintetizzate dal riscaldamento di allumina e silice con idrossido di sodio, con sostanze chimiche modello aggiuntive utilizzate per guidare la struttura del cristallo mentre si forma.
I pori di ogni diverso tipo di zeolite possono causare la rottura dei legami in posizioni specifiche e ripetibili, massimizzando il prodotto desiderato e minimizzando eventuali derivati indesiderati. Ciò è particolarmente utile nel riciclaggio dei rifiuti di plastica, dove i pori di zeolite possono staccare pezzi molecolari di dimensioni specifiche dal polimero molto più grande, che possono quindi essere riutilizzati completamente in nuovi polimeri o nuovi materiali. Un principio simile ha avuto successo nella trasformazione del metano, un gas serra, in metanolo.
Questi affascinanti materiali hanno anche la capacità di comportarsi come setacci molecolari, filtrando le miscele molecolari in base ai pori all'interno della struttura della zeolite. Questa esclusione dimensionale consente il filtraggio e l'adsorbimento di diverse molecole a seconda di quale delle 250 strutture di zeolite viene utilizzata. Le zeoliti artificiali sono generalmente preferite per questo, poiché le dimensioni e la forma del cristallo possono essere manipolate ed è meno probabile che il minerale contenga contaminanti.
Nonostante le loro proprietà desiderabili, alcune zeoliti possono essere difficili da lavorare su scala industriale. Per combattere questo, i materiali compositi sono stati ideati per massimizzare i vantaggi del materiale con meno inconvenienti. Scienziati svedesi hanno sviluppato un composito leggero di schiuma di zeolite, che mantiene una superficie di zeolite sufficiente per essere utile nell'adsorbimento selettivo dell'anidride carbonica, rimuovendola dall'atmosfera. La struttura in schiuma consente a più gas di entrare in contatto con il catalizzatore, rispetto alle tradizionali polveri di zeolite.
Le zeoliti sono state utilizzate anche per aiutare gli sforzi di purificazione dell'acqua, poiché il cristallo può adsorbire e scambiare ioni comunemente presenti nell'acqua dura come calcio e magnesio, sostituendoli con alternative meno dannose.
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