Por Yaneth Stephanie Durán Avendaño/ CIENCIA AMATEUR
La Tierra está compuesta de distintos tipos de rocas y minerales. Uno, en particular, llamado “zeolita” del cual se conocen más de cien tipos diferentes de estructuras que también puede generarse de manera sintética.
En condiciones naturales, las zeolitas se formaron como resultado de la reacción de la ceniza volcánica con las aguas de los lagos básicos. Este proceso duró varios miles de años.
Para la reacción de síntesis se requieren equipos adecuados, sustratos limpios y energía. Como resultado, el precio del producto puede ser mucho más alto que el precio de la zeolita natural, ya que es un mineral que se extrae a través de métodos de minería a cielo abierto o subterránea, dependiendo de la ubicación y profundidad del depósito.
En la agricultura, las zeolitas se pueden utilizar como portadores de compuestos agroquímicos, en el tratamiento del suelo, en estanques de peces y como aditivo alimentario.
Actualmente, también se intenta modificar su estructura para darles propiedades catalíticas o antibacterianas. Después de todo, también se utilizan ampliamente en muchos hogares como arena para mascotas.
Zeolitas y sus propiedades
Los sedimentos del fondo del océano son relativamente grandes y ricos en zeolitas, pero hasta ahora estos depósitos son inaccesibles para los humanos.
Las zeolitas son minerales con la capacidad de hidratarse y deshidratarse de manera reversible. Estructuralmente, son aluminosilicatos cristalinos hidratados que poseen destacadas propiedades físicas y químicas.
Estas propiedades incluyen la capacidad de intercambiar agua de forma inversa, adsorber moléculas y funcionar como tamices moleculares, así como reemplazar sus cationes —iones con carga positiva— sin alterar su estructura.
Como minerales naturales son sedimentos de origen principalmente volcánico. Pueden presentarse tanto en formas cristalizadas que se encuentran en rocas ígneas y metamórficas, como en granos de menor diámetro acumulados en rocas sedimentarias.
La Asociación Mineralógica Internacional reconoce más de 100 tipos de zeolitas naturales en yacimientos de todo el mundo.
Las zeolitas naturales tienen una alta selectividad por remover los iones de metales pesados y los iones de amonio desde soluciones acuosas. Así, se han encontrado en las zeolitas usos importantes para la protección del medio ambiente y la agricultura.
El tratamiento de aguas residuales a partir de iones de metales pesados o isótopos radiactivos puede realizarse en columnas de sorción llenas de zeolita. Los iones de amonio contenidos en los residuos municipales, industriales y agrícolas también se pueden eliminar de forma similar.
Purificación del agua
Las zeolitas son altamente eficaces para la eliminación de contaminantes del agua debido a su estructura porosa y su capacidad de intercambio iónico.
Pueden capturar y retener metales pesados como el plomo y el mercurio, así como amonio y otros cationes nocivos, mediante un proceso en el cual estos iones contaminantes son absorbidos y reemplazados por iones de sodio o potasio presentes en la zeolita.
Además, se utilizan para filtrar sedimentos y partículas en suspensión, clarificar el agua y reducir la turbidez.
Su aplicación se extiende a tratamientos de aguas residuales industriales y urbanas, donde contribuyen significativamente a mejorar la calidad del agua antes de su liberación al medio ambiente o su reutilización.
Zeolitas sintéticas
Los estudios científicos confirman los beneficios de las zeolitas sintéticas frente a las naturales. Se encontró que la eficiencia de las zeolitas naturales en la eliminación de desechos radiactivos del medio ambiente (radionucleidos de Cs y Sr) es menor que la de las zeolitas sintéticas.
Las zeolitas sintéticas también muestran una capacidad de adsorción mucho mayor para iones de metales pesados (por ejemplo, Cd2+, Pb2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Cr3+) que las zeolitas naturales. Otra ventaja es el tamaño de poro, significativamente mayor.
Esto permite la sorción de moléculas más grandes, lo que amplía la gama de aplicaciones potenciales.
Por ejemplo, se descubrió que las zeolitas sintéticas tienen capacidades de sorción de petróleo dos veces mayores que la clinoptilolita natural, por lo que las zeolitas sintéticas son una alternativa prometedora en comparación a los sorbentes minerales naturales para la limpieza de derrames de petróleo en tierra.
Soluciones a la contaminación
Es de suma importancia que las industrias disminuyan sus niveles de contaminación a los ambientes acuáticos, reduciendo la concentración de sus metales pesados para no generar niveles altos de toxicidad.
Las zeolitas naturales, modificadas y sintéticas son materiales prometedores para eliminar metales pesados de diferentes fuentes que contaminan el agua.
Es importante conocer la estructura química y el desempeño de la remoción de metales pesados o contaminantes del agua, con el fin de diseñar un proceso de tratamiento de agua.
La eficiencia de eliminación de las zeolitas depende del tipo de contaminante, por ejemplo, tienen una eficiencia de hasta 96% para metales pesados, 90% para compuestos fosfóricos, 96% para colorantes, 80% para compuestos nitrogenados y 89% para compuestos orgánicos.
Nota: Este artículo se deriva de la tesis de maestría de la autora. El potencial de las zeolitas sigue siendo probado, y aún no tiene aplicación directa en la industria o en algún proyecto específico fuera de la academia.
Referencias
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Autora invitada
Yaneth Stephanie Durán Avendaño. Alumna de programa de posgrado del Doctorado en Ingeniería en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Carmen. Realizó una estancia académica en el departamento de Física Aplicada Ia en la Universidad de Sevilla, España. Tiene maestría en Ingeniería de Materiales y Energía por la Faculta de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Carmen. Es graduada de la Facultad de Ciencias Químicas y Petroleras de la Universidad Autónoma del Carmen con el título de Ingeniero Petrolero. Tiene ocho años de experiencia en la industria química y petrolera.
Revisores
Este artículo fue supervisado por Rasikh Tariq, profesor investigador en el grupo de investigación de Tecnología Educativa del Institute for the Future of Education del Tecnológico de Monterrey, así como por Mohamed Abatal, investigador en la Universidad Autónoma del Carmen y miembro del Sistema Nacional de Investigadores Nivel II.
