Uso de materiales naturales y residuos para elaborar zeolitas

El desarrollo de la ciencia y tecnología en México debe estar enfocado al beneficio de la sociedad y al incremento de la economía, en sintonía con la conservación del medio ambiente. En el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (Cideteq), ubicado en el estado de Querétaro, se llevan a cabo diversos proyectos con el compromiso único de generar conocimiento y tecnologías limpias para el bienestar social. Una de estas iniciativas son los procesos para la elaboración de zeolitas utilizando residuos y materiales naturales.

Las zeolitas son materiales porosos útiles en diversas áreas como el tratamiento de aguas residuales, la separación y adsorción de gases, y catálisis, entre otras aplicaciones. El proceso realizado en el Cideteq se basa en la utilización de residuos y materiales naturales que, aunado con las propiedades de las zeolitas para mitigar problemas de contaminación de agua y aire, resulta doblemente amigable con el medio ambiente.

Químicamente, las zeolitas son óxidos de silicio y aluminio que conforman una red tridimensional que contiene poros y cavidades de dimensiones nanométricas. Un nanómetro es una novena parte del metro, es decir, una mil millonésima fracción de esta unidad de longitud. En esa red tridimensional, las zeolitas contienen átomos denominados alcalinos, como el sodio y el magnesio; la función de estos átomos es estabilizar las cargas eléctricas dentro de las zeolitas, además de proveer a las mismas propiedades de intercambio iónico.

Lo anterior significa que las zeolitas pueden utilizarse para remover metales contaminantes en agua mediante el siguiente mecanismo: un átomo de plomo presente en agua se intercambia por uno de sodio presente en la zeolita. Entre más átomos de sodio existan en la zeolita, mayor será su capacidad para remover partículas de plomo del agua.

Debido a que las zeolitas contienen poros y cavidades, su área superficial es muy grande, de entre 100 y 1,000 m2/g. Es decir, si se extendiera el área de un gramo de zeolita, se lograría cubrir una cancha de futbol rápido de 18 metros de ancho por 35 metros de largo. Esta área superficial es muy importante para desarrollar procesos de adsorción de gases contaminantes, por ejemplo, dióxido de carbono.

Doctor Federico Espejel Ayala / Foto: Cortesía Cideteq

Cabe señalar que en México existen yacimientos de zeolita natural, en entidades como Puebla, Oaxaca, San Luis Potosí y Sonora, por mencionar algunas. Asimismo, se elaboran zeolitas sintéticas, pero no en México: son importadas de Estados Unidos y China, principalmente. Entre las zeolitas naturales y las sintéticas, la principal diferencia es que en el caso de las primeras su pureza es menor respecto a las segundas.

Entre otros usos de las zeolitas, se encuentra la industria agropecuaria donde las zeolitas son excelentes mejoradores de suelos, además de ser muy útiles en la formulación de fertilizantes. Por otro lado, en ganadería las zeolitas se utilizan para atrapar gases o sustancias tóxicas presentes en el sistema digestivo de los animales.

Si bien existen las zeolitas naturales, las sintéticas tienen un papel muy importante en la industria del tratamiento de aguas, la separación de gases y catálisis, principalmente. Una diferencia en el caso de las zeolitas sintéticas es la relativa facilidad para sintetizarlas y modificarlas de tal manera que se puede tener una zeolita a la medida, dependiendo de la aplicación o uso en específico.

Por ejemplo, uno de los desarrollos creados en el Cideteq es un método para sintetizar una zeolita conocida como SAPO-34. Su nombre hace referencia a que en la estructura de la zeolita existen átomos de silicio, aluminio y de fósforo, además de oxígeno. La estructura de esta zeolita es tal que permite el paso de moléculas de dióxido de carbono pero otras, como las de metano, no pasan a través de los poros. Esta propiedad hace que la SAPO-34 se utilice para purificar biogás, el cual es una mezcla de metano y dióxido de carbono, principalmente. Con esto se pretende crear membranas y diseñar un dispositivo que permita purificar el biogás generado en los sistemas biológicos de tratamiento de aguas o de lodos. Así, las zeolitas también se utilizan en la generación de energía limpia y renovable.

Cabe señalar que los métodos de síntesis creados en el Cideteq tienen la particularidad de utilizar materiales naturales y residuos como fuentes de silicio y aluminio. Con esto, no solo se busca lograr el proceso de síntesis, sino que también se tiene contemplado que estos métodos tengan los menores impactos al medio ambiente. En este sentido, se promueve la valorización de residuos que generan impactos negativos y, su uso en la síntesis de zeolitas, mitiga esos impactos.

Por otro lado, los procesos de síntesis se han optimizado de tal manera que el agua utilizada es mínima. Lo anterior se ha logrado con métodos de recirculación de los efluentes del proceso. Con esta optimización también se ha buscado que el costo del proceso sea el menor mediante el uso de los residuos que, en principio, son más económicos que las sustancias químicas industriales empleadas de manera convencional. Y una parte importante es la disminución de los costos asociados a la producción de zeolitas.

Aún falta mucho camino por recorrer para lograr métodos de síntesis de otras zeolitas de uso en la industria. Sin duda, el reto es grande pero la ciencia y la tecnología en México y, en específico la desarrollada en el Cideteq, sirve de ejemplo de que en México se puede crear conocimiento y tecnología que genere beneficios tecnológicos, al medio ambiente y al sector social.

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