Tamices de zeolita

¡Hola a todos! Antes que todo permítanme presentarme, mi nombre es Alejandro Sánchez y voy en 5° semestre de Ingeniería Química Metalúrgica en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Colima. Actualmente presto mi servicio social en los laboratorios de mi facultad con el Dr. Jorge González González como mi asesor y me gustaría hablarles un poco sobre lo que he estado haciendo, ¡por cierto! Fui invitado por HThalion.

Estos últimos meses he estado trabajando en la síntesis de unos materiales llamados

zeolitas. Antes de comenzar de lleno quisiera dejar claro que mi objetivo es hablarles sobre el proceso de síntesis de estas en el laboratorio sin entrar mucho en detalles sobre su estructura o sus aplicaciones. Bueno sin muchos rodeos me permito comenzar.

 Las zeolitas son aluminosilicatos hidratados de estructura cristalina, son un tipo de material microporoso y tienen un aspecto de polvo fino blanquecino. Pero si pudiésemos  mirar más de cerca probablemente veríamos algo como esto:

 

Sus poros son tan pequeños que a este tipo de materiales también se le conoce como “tamices moleculares” ya que el tamaño de sus cavidades oscila entre 3 y 10 amstrongs.

¿Cómo es posible sintetizar materiales con cavidades tan pequeñas? Bueno realmente el principio del método es bastante simple, usamos moldes. Esto se puede explicar un poco mejor si vemos un ejemplo a una escala un poco mayor:

 Imaginemos que tenemos cientos de pequeñas canicas de parafina y las colocamos en un recipiente, después añadimos cemento fresco procurando cubrir todos los espacios entre dichas canicas, esperamos a que este seque, lo sacamos del recipiente y finalmente lo metemos a un horno hasta deshacernos de la parafina. Obtendríamos un bloque de cemento lleno de poros, con un aspecto similar a un panal de abejas. En este ejemplo utilizamos canicas de parafina como los moldes para crear los poros, pero ¿qué podemos utilizar entonces para las zeolitas cuyos poros son de tamaño molecular?

 En lugar de cemento se utiliza sílice (SiO2), óxido de aluminio (Al2O3) y agua, y dependiendo del tipo de zeolita que queramos sintetizar es el tipo de molécula o átomo que utilizaremos como molde, el camino más sencillo es usar metales alcalinos como el sodio o el potasio ya que basta con agregar silicatos o aluminatos de estas sales al proceso pero también podemos utilizar moléculas orgánicas con centros cargados positivamente. Su usamos metales alcalinos obtendremos zeolitas con iones dentro de las cavidades, si utilizamos una molécula orgánica los poros de la zeolita estarán huecos. En el laboratorio yo utilizo moléculas orgánicas.

Aquí es donde nos topamos con la parte más difícil del proceso de síntesis de zeolitas: sintetizar y aislar la molécula que usaremos como molde.

En la imagen le presento la molécula que utilicé. Tampoco quiero entrar en detalles sobre el proceso de síntesis de dicha molécula, pero esta fue la parte más tardada del proceso. La molécula orgánica puede tener uno o más centros cargados y dependiendo del tipo de estructura de esta obtendremos variaciones en la estructura de la zeolita. Aquí podemos jugar con un sinfín de estructuras diferentes.

La fórmula propuesta de una zeolita es Mx/nAlxSiyO2(x+y)•wH2O. M es nuestro molde, un catión de valencia n, “x” es el número de átomos de aluminio, “y” es el número de átomos de silicio y w el número de moléculas de agua el cual puede variar.

El proceso de formación es relativamente simple, basándonos en el tipo de molécula que utilicemos y en la proporción de Al/Si que deseemos hacemos los cálculos necesarios para saber cuánto aluminio, silicio y agua necesitaremos. Colocamos todo en un recipiente y lo mezclamos hasta formar un gel, debido a su polaridad las moléculas de agua rodean a los centros cargados del catión formando esferas con carga positiva y los átomos de oxigeno del SiO2 y del Al2O3. Después colocamos nuestro gel dentro de un pequeño autoclave cerrado herméticamente y lo colocamos en el horno para que cristalice la zeolita a temperaturas que pueden ir desde 50 a 250°C durante un tiempo que puede variar desde unas cuantas horas hasta varias semanas, estas variaciones nos producirán diferentes estructuras. Ahora solo hay que sacarla del autoclave y lavarla con un disolvente orgánico para deshacernos de los “moldes” ¡y listo! Tenemos una zeolita. Finalmente para poder analizar su estructura hay que someter nuestra zeolita a un análisis de difracción de rayos X.

Las zeolitas tienen un enorme campo de aplicación, uno de los usos más frecuentes es en la industria petroquímica para la separación de hidrocarburos, por ejemplo si tenemos una mezcla de butano (a) e isobutano (b) podemos separarlos con una zeolita con un tamaño de poro adecuado, usándola como filtro para dicha mezcla gaseosa. El butano pasará libremente a través de los poros, como una oruga recorriendo un túnel, mientras que el isobutano no podrá hacerlo debido a la ramificación.

 Si estas contienen iones en sus cavidades pueden usarse para realizar intercambio iónico o como catalizadores con selectividad de forma. Esto es bastante útil en la industria farmacéutica para sintetizar moléculas con orientaciones muy específicas.

 Bueno, espero que les haya interesado este tema, no me queda más que despedirme y agradecerles esta oportunidad. También un saludo y agradecimiento a mi asesor el Dr. Jorge Gonzales y a mi compañero Mauro Velazco con quien he estado trabajando en este proyecto.

¡Saludos!

Bibliografía:

1. Diseño de catalizadores sólidos por bio-inspiración. Discurso leído en el acto de su recepción como académico de número por el Dr. Avelino Corma Canós. Madrid, España, 26 de enero de 2011.

2. La zeolita una piedra que hierve, Isaac Schifter y Pedro Bosch, consultado el 15 de septiembre de 2012.

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/55/htm/zeolita.htm

Imágenes:

1.- Estructura resuelta de una zeolita tipo beta. Imagen donada por el Dr. Jorge Gonzales Gonzalez de la Universidad de Colima.

2.- Estructura dibujada por Alejandro Sánchez.

3.- Síntesis de una zeolita; mecanismo de cristalización. Obtenida de

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/55/htm/sec_4.html

4.- Isómeros del butano. Obtenida de

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/55/htm/sec_5.html

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