Las zeolitas son minerales aluminosilicato microporosos que tienen la capacidad de intercambiar iones. Se han identificado más de 200 tipos de zeolitas naturales y sintéticas. Las zeolitas se usan en aplicaciones ambientales como la depuración de agua mediante la remoción de iones de calcio, y la remoción de óxidos de nitrógeno y compuestos orgánicos volátiles de gases de escape industrial.

1. Minerales de aplicación
medioambiental
 Algunos minerales tienen propiedades que permiten
que sean utilizados en el control de procesos
ambientales, para aplicaciones diversas, como pueden
ser la depuración de aguas o la inmovilización de
contaminantes presentes en el suelo. En el presente
tema analizaremos algunas de estas aplicaciones más
importantes.

2. Los aspectos concretos que vamos
a analizar en este ámbito serán los
siguientes
A. - Depuración de agua por intercambio
iónico
B. - Depuración de aguas y suelos
mediante sorción
C. - Depuración de olores

3. Grupo de las zeolitas
 Las Zeolitas o Ceolitas son minerales aluminosilicato
s microporosos que destacan por su capacidad de
hidratarse y deshidratarse reversiblemente. Hasta
octubre 2012 se han identificado 206 tipos de zeolitas
según su estructura, de los cuales más de 40 ocurren
en la naturaleza; los restantes son sintéticos.
La zeolitas naturales ocurren tanto en rocas
sedimentarias, como volcánicas y metamórficas.

4.  Esta frase lo resume todo o casi todo sobre estos
maravillosos materiales englobados genéricamente
bajo el nombre de “zeolitas”, cuyas aplicaciones
industriales y ambientales aún están en fase desarrollo
continuo. Las zeolitas constituyen un grupo de
silicatos con una gran capacidad de intercambio
iónico. Estas poseen una estructura definida por un
armazón principal y “túneles”, que les confiere una
propiedad que denominaremos “porosidad”, y que las
convierte en microtamices muy efectivos.

5.  . El armazón estructural está constituido por
tetraedros de Si-O (SiO44-) y Al-O (AlO45-) que se
unen por los vértices. Dado que el silicio presenta
típicamente valencia 4 (Si4+) y el aluminio valencia 3
(Al3+), las zeolitas se encuentran “descompensadas
eléctricamente” por lo que necesitan incorporar
cationes para mantener la neutralidad (de ahí sus
propiedades de intercambio). Dichos cationes, agua, u
otras moléculas se acomodan en las estructuras tipo
túnel.

7.  La carga negativa en las zeolitas es compensada por
cationes del tipo N+, K+ o NH4+, los que se disponen
en el interior de la estructura. Estos cationes son
móviles y susceptibles de ser intercambiados por otros.
Una reacción típica de intercambio iónico sería la
siguiente:
 Na-zeolita + Ca2+ = Ca-zeolita + 2 Na+
 Las zeolitas ocurren en la naturaleza como minerales,
y pertenecen al grupo de los tectosilicatos. Existen
unas 40 zeolitas naturales y más de 150 sintéticas.
Algunas zeolitas naturales incluyen:

8. Mineral Fórmula
Natrolita Na2(Al2Si3O10)·2H2O
Chabazita (Ca,Na)2 (Al2Si4O12)·6H2O
Analcima Na(AlSi2O6)·H2O
Stilbita Ca(Al2Si7O18)·7H2O
Heulandita Ca(Al2Si7O18)·6H2O
Laumontita Ca(Al2Si4O12)·4H2O
Mesolita Na2Ca2(Al2Si3O10)·3H2O
Thompsonita NaCa2(Al,Si)10O20·6H2O

9.  En la actualidad, la mayor parte de las zeolitas que se
emplean para aplicaciones industriales son sintéticas: se
diseñan “a medida” de un determinado proceso, es decir,
para favorecer la captación de un determinado ión y su
posterior elución en condiciones controladas, y se
sintetiza el compuesto zeolítico en un proceso industrial
de bajo coste económico. Debido a sus propiedades
porosas las zeolitas se emplean en una gran variedad de
usos industriales, y se comercializan en un mercado
mundial de varios millones de toneladas por año.
 El comportamiento de intercambio iónico en las zeolitas
depende de varios factores, que determinan su
selectividad a determinados cationes:

10. Naturaleza de los cationes: tamaño, carga
iónica, forma
Temperatura
Concentración de los cationes en solución
Aniones asociados con los cationes en
solución
Solvente (agua, solventes orgánicos)
Estructura de la zeolita (topología de la red,
densidad de carga de la red)

11.  La capacidad de intercambio iónico de una zeolita está
directamente relacionada con la cantidad de aluminio
presente en su red cristalina y depende directamente de su
composición química: una alta capacidad de intercambio
iónico corresponde a las zeolitas con baja relación
SiO2/Al2O3. La capacidad de intercambio iónico teórica
máxima, número de equivalentes intercambiables por
masa de la celda unitaria, no siempre puede ser alcanzada
debido a la existencia de sitios de intercambio inaccesibles.
 Todo hasta aquí es atribuible tanto a zeolitas sintéticas
como a las naturales. Desde el punto de vista del control
ambiental mediante la eliminación de contaminantes, la
gran mayoría de los autores coinciden en la superioridad
de las zeolitas naturales atendiendo a:

12. 1. bajo costo de extracción y
acondicionamiento para el intercambio,
2. disponibilidad de grandes volúmenes,
3. excelente estabilidad a los procesos
químicos y térmicos que permite su
reactivación y
4. posibilidad de utilización en varios ciclos.

13.  Algunas aplicaciones ambientales de las zeolitas
incluyen la substitución de fosfatos como
ablandadores del agua (captación de Ca2+), la
remoción de óxidos de nitrógeno (NOx), y una
contención en las emisiones de compuestos orgánicos
volátiles (VOCs: volatile organic compounds). Los
óxidos de nitrógeno son un blanco típico de cualquier
política ambiental mínimamente bien concebida. Los
compuestos tipo NOx fomentan la formación de
oxidantes fotoquímicos contaminantes como el ozono
(O3). Los compuestos de óxidos de nitrógeno se
producen por la actividad eléctrica atmosférica (rayos),
acción bacteriana, y por los volcanes. Sin embargo,
estos óxidos también tienen un origen industrial,
principalmente en la combustión de combustibles
fósiles a temperaturas superiores a 1000ºC.

14.  En este sentido las zeolitas pueden jugar un papel muy
importante, ya que mientras los procesos de eliminación
clásicos de los NOx por Reducción Selectiva Catalítica solo
son efectivos a temperaturas de no más de 450º (Pt, V), las
zeolitas pueden llegar hasta los 600ºC, alcanzándose así una
mayor efectividad en el proceso. En cuanto a los VOCs, estos
se encuentran presenten en las gasolinas, solventes
orgánicos, desgrasadores, lacas, etc., y al igual que los NOx
son potenciadores de la formación de oxidantes
fotoquímicos. Un tema aun no resuelto del todo en los coches
es el arranque del motor en frío. Durante los dos primeros
minutos el convertidor catalítico (obligatorio en muchos
países del mundo) no es efectivo, y los VOCs se arrojados a la
atmósfera. En este momento se están investigando zeolitas
que puedan actuar durante ese lapso de tiempo en el
convertidor catalítico del coche: una vez que se alcanzara la
temperatura adecuada, la zeolita liberaría los VOCs, y el
convertidor podría realizar su trabajo de manera adecuada.