Zeolitas

Las zeolitas son los soportes catalíticos más empleados en la actualidad. Debido a su estructura porosa presenta unas buenas propiedades para ser empleadas en intercambio iónico, en catálisis y en adsorción. Principalmente se han estudiado aquellas de naturaleza ácida por su importancia ndustrial, pero las ventajas medioambientales que presentan las zeolitas básicas, como la sustitución de procesos que generan gran cantidad de contaminantes (reacciones de alquilación), hace que su estudio se encuentre en pleno desarrollo. La búsqueda de nuevas aplicaciones constituye uno de los objetivos primordiales en el desarrollo de estos materiales (Marcus, 1999).


Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos de fórmula general:


Mex/n(AlO2)x(SiO2)y·mHxO

donde x, m y n son números enteros correspondientes a la celdilla unidad y Me es un catión metálico de valencia n La estructura tiene una relación de oxígeno a metal de 2, con tetraedros de composición neta [SiO2] y [AlO2] y una carga negativa igual al número de átomos de aluminio en posiciones estructurales. La estructura consiste en una red tridimensional de tetraedros SiO4 y AlO4-, con los átomos de silicio o aluminio en el centro (átomos T), y los oxígenos (O) en los vértices . Estos tetraedros (unidad fundamental) se enlazan por sus átomos de oxígeno originando estructuras poliédricas (poliedros simples) que constituyen las estructuras secundarias. Finalmente, estos poliedros se unen formando las estructuras terciarias más o menos complejas. Las diferentes formas de coordinación de los tetraedros, así como la relación silicio/aluminio originan los distintos tipos de zeolitas. En este proceso, se van formando cavidades o canales de distinto tamaño, donde se alojan cationes y moléculas de agua, y que están conectados entre sí por medio de aberturas o poros de dimensiones constantes. Cada átomo de aluminio que sustituye isomórficamente a uno de silicio proporciona una carga negativa, la cual se neutraliza con las cargas positivas que aportan los cationes.

La síntesis hidrotérmica de zeolitas supone la transformación de una mezcla de compuestos de Si y Al, cationes metálicos, moléculas orgánicas y agua en aluminosilicatos cristalinos. El proceso de conversión del gel amorfo en zeolitas se activa térmicamente y tiene lugar en un intervalo de temperaturas que va desde 60ºC hasta 100ºC, salvo en zeolitas con mayor contenido en silicio en las que se necesitan temperaturas mayores, realizándose las síntesis en autoclaves. En estas síntesis hidrotérmicas, el gel se suele mantener cierto tiempo por debajo de la temperatura de cristalización, en lo que se llama periodo de envejecimiento. Durante esta etapa tiene lugar la disolución o despolimerización de la sílice, la cual se produce por las condiciones alcalinas utilizadas en la síntesis, consiguiéndose un aumento de la concentración de sílice en la disolución. Después de la despolimerización de la sílice, los aniones silicatos que se forman condensan, dando
lugar a especies oligoméricas en disolución. En estas disoluciones alcalinas, los silicatos oligoméricos aniónicos reaccionan con el aluminio, que se encuentra como Al(OH)4 -, produciendo la estructura del aluminosilicato. Barrer (Barrer, 1982) propuso que la condensación y la polimerización de estas unidades oligoméricas son esenciales para la nucleación y crecimiento de las zeolitas. El posterior crecimiento de los cristales tiene lugar a partir de los núcleos formados por unión de los precursores, obteniéndose cristales de mayor tamaño. En la actualidad se considera que el crecimiento de los cristales ocurre generalmente en disolución, más específicamente, por condensación de las especies en disolución en la superficie del cristal.

Las condiciones que han de satisfacerse para la síntesis hidrotérmica de
zeolitas puede resumirse en (Dwyer, 1984):

- Materias primas muy reactivas, en forma de geles o sólidos amorfos.

- Elevados valores de pH, mediante la incorporación de un hidróxido alcalino y/o una base orgánica.

- Bajas temperaturas (T<100ºc)>

Las aplicaciones industriales de las zeolitas son consecuencia de sus propiedades físico-químicas. Muchas de estas propiedades resultan tan ventajosas que han motivado la sustitución de otros productos convencionales por zeolitas en numerosos procesos industriales. De estas propiedades, podemos distinguir como más importantes la adsorción, el intercambio iónico y la actividad catalítica.

a) Adsorción: Es característica común de las zeolitas que al ser calentadas a vacío o en corriente de gas (N2, He, aire) pierdan el agua de hidratación que alojan en sus cavidades, sin que se modifique su estructura. En este estado de deshidratación, y dada la gran superficie interna creada (300-800 m2/g), las zeolitas presentan una gran capacidad para la adsorción selectiva de cualquier molécula que pueda penetrar en sus cavidades.

b) Intercambio iónico: La capacidad de las zeolitas para intercambiar sus cationes hace de estas un medio excelente para estudiar los fenómenos de intercambio iónico, pero su importancia radica en que pueden modificar sus propiedades de adsorción (variando el tamaño de poro o la fuerza de interacción con los adsorbatos) y sus propiedades catalíticas.

c) Actividad catalítica: Las zeolitas son los catalizadores más utilizados a nivel mundial, por esa razón son, probablemente, el grupo de catalizadores heterogéneos que ha sido mejor caracterizado. Han recibido una atención especial debido a sus propiedades (estructura microporosa, composición química muy variada y facilidad de intercambio de los cationes compensadores de carga) lo que hace de ellas un grupo de materiales muy extensamente usados en procesos catalíticos como la conversión de hidrocarburos (alquilación, craqueo, hidrocraqueo, isomerización, hidrodeshidrogenación, reformado selectivo, deshidratación, conversión de metanol a gasolina).

REFERENCIA
UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
FACULTAD DE CC. QUÍMICAS
Departamento de Ingeniería Química