INVESTIGACION DESARROLLO SUSTENTABLE SOBRE LAS APLICACIONES DE LA ZEOLITA ignacio calderon malpica

ZEOLITA
Son una familia de minerales, aluminosilicatos hidratados altamente cristalinos,
que al deshidratarse desarrollan, en el cristal ideal, una estructura porosa de
dimensiones moleculares con diámetros de poro mínimos de 3 a 10 ángstrom.
También se dice, que es un mineral aluminosilicato cuya estructura forma
cavidades ocupadas por iones grandes y moléculas de agua con gran libertad de
movimiento que permiten el cambio iónico y la deshidratación reversible.
1. Están compuestas por aluminio, silicio, sodio, hidrógeno, y oxígeno. La
estructura cristalina está basada en las tres direcciones de la red con SiO4 en
forma tetraédrica con sus cuatro oxígenos compartidos con los tetraedros
adyacentes.
Existen varios tipos, nueve principales, y que surgen en las rocas sedimentarias:
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Chabazita
Clinoptilolita
Erionita
Mordenita
Estilbita
Ferrierita
Filipsita
Huelandita
Laumantita
Las propiedades físicas se deben de considerar de dos formas:
(a) Primero una descripción mineralógica desde el punto de vista de sus
propiedades naturales, incluyendo la morfología, hábitos del cristal, gravedad
específica, densidad, color, tamaño del cristal o grano, el grado de cristalización,
resistencia a la corrosión y abrasión.
(b) Segundo desde el punto de vista de su desempeño físico como un producto
para cualquier aplicación específica, tomando en cuenta las características de
brillantes, color, viscosidad de Broockfield, viscosidad de Hércules, área
superficial, tamaño de partícula, dureza, resistencia al desgaste.
Las propiedades físicas proveen aspectos únicos para una variedad amplia de
aplicaciones prácticas.
Según Breck (1974) las caracteriza por las siguientes propiedades:
2.
3.
4.
5.
6.
Alto grado de hidratación.
Baja densidad y un gran volumen de vacíos cuando es deshidratado.
La estabilidad de su estructura cristalina cuando se deshidrata.
Las propiedades de intercambio del catión.
Presenta canales moleculares uniformes clasificados en los cristales
deshidratados.
7. Por su habilidad de absorber gases y vapores.
Por sus propiedades catalíticas todas estas son consideradas como tamices
moleculares, que son materiales que pueden absorber selectivamente moléculas
en base a su tamaño, pero no todos los tamices moleculares son considerados
viseversamente, ya que también el carbón activado, las arcillas activadas, la
alúmina en polvo, y la sílice en gel se consideran como tamices moleculares.
La caracterización de cualquier de estas siempre incluye la descripción básica de
sus características mineralógicas y una evaluación al cambio con el efecto con la
humedad las cuales son consideradas para las aplicaciones comerciales
específicas.
Las aplicaciones naturales hacen uso de uno o más de sus propiedades químicas,
que generalmente incluye el intercambio de iones, adsorción o deshidratación y
rehidratación. Estas propiedades están en función de la estructura del cristal de
cada especie, y su estructura y composición catiónica.
Mumpton describe las siguientes propiedades de la siguiente manera:
Propiedades de adsorción: Son los únicos minerales adsorbentes. los grandes
canales centrales de entrada y las cavidades se llenan de moléculas de agua que
forman las esferas de hidratación alrededor de dos cationes cambiables. Si el
agua es eliminada y las moléculas tienen diámetros seccionales suficientemente
pequeños para que estas pasen a través de los canales de entrada entonces son
fácilmente adsorbidos en los canales deshidratados y cavidades centrales. Las
moléculas demasiado grande no pasan dentro de las cavidades centrales y se
excluyen dando origen a la propiedad de tamiz molecular
.
Propiedad de intercambio de cationes: Por procedimientos clásicos de intercambio
catiónico se puede describir como la sustitución de los iones sodio de las zeolitas
faujasitas por cationes de otros tamaños y otra carga. Esta es una de las
características esenciales de las zeolitas. En efecto, así se consigue modificar
considerablemente las propiedades y ajustar la zeolita a los usos más diversos.
El intercambio catiónico se puede efectuar de varios modos:
1. Intercambio en contacto con una solución salina acuosa (intercambio
hidrotérmico) o con un solvente no acuoso;
2. Intercambio en contacto con una sal fundida. Por ejemplo, una zeolita A,
originalmente con Ca, se pone en contacto con nitratos de litio, potasio o
rubidio fundidos hacia 350ºC;
3. Intercambio en contacto con un compuesto gaseoso. Por ejemplo, una
zeolita faujasita Y, originalmente en su forma Na, se pone en contacto con
HCl anhidro o NH3, hacia 250ºC.
El intercambio de iones en una zeolita depende de:
1.
2.
3.
4.
5.
La naturaleza de las especies cationicas, o sea, del catión, de su carga, etc.
La temperatura.
La concentración de las especies catiónicas en solución.
Las especies aniónicas asociadas al catión en solución.
El solvente (la mayor parte de los intercambios se lleva a cabo en solución
acuosa, aunque también algo se hace con solventes orgánicos) y,
6. Las características estructurales de la zeolita en particular.
Deshidratación –Rehidratación Basado en el comportamiento de deshidratación.
Las zeolitas pueden ser clasificadas como:
a) Aquellas que muestran cambios estructurales no mayores durante la
deshidratación y exhiben continua perdida de peso como una función de la
temperatura.
b)Aquellos que sufren mayores cambios estructurales, incluyendo colapsos
(derrumbes) durante la deshidratación, y exhiben discontinuidades en la pérdida
de peso.
Un ejemplo típico del primer tipo son las zeolitas naturales como: la clinoptilolita, la
mordenita, la erionita, la chabazita y zeolitos sintéticos como lo son los zeolitos A y
X los cuales son termalmente estables de 700 a 800ºC la deshidratación zeolitas.
El comportamiento en la deshidratación de las zeolitas en el segundo tipo es
semejante a aquel que exhibe pérdida reversible de agua a bajas temperaturas,
pero un mayor cambio estructural a una elevada temperatura, y los materiales
pierden su carácter zeolitico.
Las especificaciones depende de los usos de los productos de la zeolita y varía
ampliamente debido a la gran gama de productos de zeolita natural y variedad en
el mercado. La sociedad americana para materiales y pruebas (ASTM) ha
establecido métodos, pruebas y especificaciones estándares para la zeolita en los
E.U.
Las especificaciones y pruebas en Europa y en Japón se hacen conjuntamente
por las compañías productoras. Los productores de zeolita dividen de dos
maneras las especificaciones: la venta del mineral en base a especificaciones
negociadas con el comprador, o la venta del mineral en base a una línea de
productos, donde cada producto de zeolita, tienen una designación de nombre o
número con especificaciones físicas y/o químicas. Los productos de la zeolita se
venden usualmente con un nombre comercial en lugar de una variedad de mineral.
Por ejemplo, la clinoptilonita.
Usos:
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La agricultura
La acuacultura
La alimentación de ganado
Como intercambiador iónico
Como catalizador en la industria química
Agricultura: se utiliza como fertilizante; permiten que las plantas crezcan más
rápido, pues les facilita la fotosíntesis y las hace más frondosas.
Acuacultura: se utiliza como un ablandador de aguas, debido a su capacidad de
intercambiar iones, y también se utiliza para hacer engordar más rápido a algunos
peces, aunque el exceso puede ser mortal, por lo cual sólo se puede utilizar como
un suplemento alimenticio.
Alimentación de ganados: en la actualidad se utiliza como suplemento
alimenticio para los ganados, pues los hace aprovechar más la comida.
Actualmente se utiliza como un suplemento alimenticio para las aves, pues
engordan de una 25% a un 29% más con respecto a las que no se les adiciona
esta que es del tipo de la clinoptilolita. La causa de que los animales engorden
más es que hace que los nutrimentos ingeridos queden retenidos por ella: se
quedan un tiempo debido a los poros con los que cuenta. Esto permite que los
animales aprovechen mucho más los alimentos.
Como intercambio iónico: La mayor parte de los intercambios iónicos se lleva a
cabo a través de la solución acuosa, por lo cual se utiliza para ablandar aguas
pesadas residuales.
Como catalizador en la industria química: muy importante para muchos
procesos de la petroquímica.
Debido a sus poros altamente cristalinos, se considera un tamiz molecular, pues
sus cavidades son de dimensiones moleculares, de modo que al pasar las aguas
duras, las moléculas más pequeñas se quedan y las más grandes siguen su
curso, lo cual permite que salga un líquido más limpio, blando y cristalino.
Su estructura cristalina está formada por tetraedros que se reúnen dando lugar a
una red tridimensional, en la que cada oxígeno es compartido por dos átomos de
silicio, formando así parte de los minerales tectosilicatos.
Los depósitos que contienen dos o más zeolitas pueden generar varios productos
o mezclas de los minerales de zeolita presente. Por ejemplo, los productos de
zeolita desde las minas de Itaya en Japón, fuente de clinoptilonita y mordenita,
incluye productos de mordenita, clinoptilonita y una mezcla entre los dos minerales
de mordenita-clinoptilonita dependiendo de la selectividad del minado y del
proceso de beneficio. El minado de zeolitas puede generar bentonita como un
subproducto o coproducto. En la operación de producción de mineral en Oregon,
ambos minerales son minados desde fosos cercanos y procesados en la misma
planta moledora.
Las regulaciones ambientales varían entre los estados y condados y esto puede
ser una fuente de conflicto entre los inspectores del gobierno y los operadores
encargados del minado. Las zeolitas naturales son relativamente inocuas y no
presentan problemas ambientales particulares, con tres excepciones:
1. Varios minerales de zeolita tienen formas fibrosas y pueden comportarse
como materiales de asbesto.
2. Los cristales de silicio fino se generan usualmente en depósitos de zeolita y
los productos finos pueden ser respirados (0.1%).
3. El minado de la zeolita y las plantas procesadoras secas tienden a generar
polvos, ocasionando problemas en la calidad del aire.
El polvo generado en la planta y el minado pueden considerarse como un
contaminante ambiental local. La mayoría de las zeolitas contienen sílice en forma
de sílice amorfa o cristalino. Las plantas procesadoras, pueden por lo tanto
requerir de un sistema eficiente para controlar la contaminación del aire, que van
desde la norma Benhouse en donde se utilizan colectores de polvo a
presipitadores electrolíticos para minimizar la exposición de los trabajadores con
estos polvos en el almacén del mineral o en los molinos y para cumplir con los
requerimientos locales de control de calidad del aire. La mayoría de las zeolitas se
producen usando métodos de procesamientos secos. El procesamiento de las
zeolitas se inclina inevitablemente hacia procesos de lavados con agua y métodos
húmedos de clasificación, requiriendo para esto un estanque de desperdicio o
presa de jales y una manipulación apropìada de la planta.
Los minerales de zeolita son considerados generalmente por ser químicamente
inertes, y la mayoría no son fibrosas. La erionita se establece como un mineral
fibroso, mineral a circular y puede ser marcada como un posible cancenógeno en
base a los estudios médicos, la modestia es también un mineral fibroso pero no es
remarcado como un cancenógeno potencial.
Los minerales de zoelita ocurren en una variedad de mareos geológicos y pueden
formarse de una variedad de material salientes bajo extensos rangos de
condiciones fìsico-quìmicos. Esto ocurre en rocas depositadas en diversos marcos
geológicas y etapas.
Los vidrios volcánicos de composición ácido intermedio son los materiales más
comunes para la formación de minerales de zeolitas. Otra minerales comunes
incluyen las arcillas montmorilloniticos, arcillas cristalinas y materiales amorfos,
finalmente el cuarzo cristalino, feldespato, y materiales precursores de zeolitas.
Casi todos los depósitos minables de zeolitas en el mundo ocurren como
alteraciones vitricas de rocas volcánicas.
La formación partículas de un mineral de zeolita depende de la interpelación de los
factores físicos y químicos. La presión, la temperatura y el tiempo son las tres
consideraciones físicas que fuertemente afectan la lateraciòn zeolitica.
Muchas zeolitas en rocas sedimentareas son formadas por cenizas volcánicas o
otros materiales piroclasticos por reacciones de amorfos con otros originados por
la alteración de feldespatos preexistentes, feldespatoides, silica biogènica, o
minerales de arcilla pobremente cristalizados.
Las zeolitas son rocas sedimentarías son formadas probablemente por medio de
reacciones de disolución – precipitación. Basándose en el marco geológico de las
zeolitas, mineralogía y génesis, las depositas de zeolitas han sido clasificados en
los siguientes tipos:
1) Sistema cerrados.- Depósitos formados por materiales volcánicos en sistemas
hidrológicamente cerrados, sistemas salinos- alcalinos.
2) Sistemas abiertos.- Son depósitos formados en sistemas hidrológicamente
abiertos. Logos de agua dulce.
3) Metamórficos boriales.- Depósitos formados por bajo grado de metamorfismo
burial.
4) Hidrotermales.- Depósitos formados por sistemas hidrotermales o por la
actividad de brotes calientes.
5) Marítimas profundos.- Depósitos formados por un medio marítimo profundo.
6) Zonas erosionadas por la interperie.- Depósitos formados en tierras, más
comúnmente de materiales volcánicos.
Los depósitos de sistemas abiertos y cerrados son de mayor interés comercial.
Las zeolitas ocurren en una variedad de marcas geológicas, en su mayor parte
como alteraciones de minerales autigenicos, bajo temperatura y presión como
minerales en sistemas metamórficos, minerales secundarios en zonas
erosionadas por la intemperie o en venas. Las zeolitas comerciales están
actualmente limitados por marcos autigenicos y finalmente en alteraciones de
rocas sedimentarias cristalinas. Comúnmente son 9 las zeolitas que ocurren en
rocas sedimentarias: La analcima, chabazita, la clinoptilonita, la erionita, la
ferrierita, la huelandita, la laumontita, la modernita, y la filipsita. La analcima y la
clinoptolonita son las más abundantes. Las 9 zeolitas muestran un considerable
rango de contenido de cationes y radio de Si:Al. Excepto por la huelandista y la
laumontita, estos generalmente son alcalinos y más siliciosos que sus
contrapartes en rocas ígneas.
El potencial comercial de minerales de zeolitas esta limitado por 5 de estas
presentes: La chabazita, la clinoptilolita, la erionita, la mordenita y la filipsita. Estas
son unas de las más comunes de las más abundantes en la naturaleza y tienen
una favorable capacidad de intercambio de ion absorbancia y tamizado molecular.
La ferrierita y la faujasita son también potenciales económicas pero estas son
poco comunes y son conocidos en muy pocos sitios en el mundo.
La tabla 1 muestra una lista de algunos especies de zeolitas su composición
química, y propiedades selectivas que son comercialmente significantes. Así fue
adoptado por Mumpton (1977) y basados en la clasificación de Breck.
Breck (1974) originalmente enlistó 34 especies de minerales naturales de zeolitas.
Casi 100 zeolitas han sido sintetizadas. Las zeolitas son aluminosilicatos
cristalinos hidratados de álcali y tienen una infinidad de cationes alcalino-terreo y
poseen una estructura tridimensional. Las zeolitas son caracterizadas por su
habilidad para perder y ganar agua reversiblemente y por intercambiar
constituyentes que presentan mejores cambios de estructura.
La aplicación potencial comercial de ambos sistemas de zeolitas naturales y
sintéticos se fundamenta en las propiedades físicos y químicos, cuando están
directamente relacionados con su composición química y estructura cristalina.
Método de minado.
A causa de su bajo costo de proceso, las zeolitas sedimentarias son minadas por
métodos a cielo abierto. La excavación se lleva a cabo por equipo convencional
para remover la tierra. Este minado minimiza costos, como lo es el uso de
explosivos, el equipo para la remoción de la tierra y el cargado directo a los
camiones de carga para que el mineral minado sea transportado a una planta de
procesamiento. Las variaciones en la calidad de la mena pueden ser manejado
por un minado selectivo.
El control de calidad es determinado por muestreos por medio de brocas, tomando
muestras periódicas, evaluando visualmente el material en el mismo sitio, y
sacando muestras sistemáticas de los camiones de carga.
Las zeolitas para usos especiales son de valor alto las cuales son recuperadas por
un minado abierto selectivo. Las minas de chabazita-erionita en bruto tienen un
lecho con partículas de 15 cm en Bowie, Az, que son utilizados por corporaciones
que trabajan con carburos para hacer cedazos moleculares y productos catalíticos
de alto valor.
Procesamiento.
Las zeolitas naturales son vendidas como productos triturados y cribados,
finalmente como pulverizados o micronizados a productos ultrafinos. El producto
triturado y cribado de estos materiales es de bajo costo y es usado en aplicaciones
simples como son: acondicionamiento de suelos o como vivienda de animales
domésticos, que toleran un equitativo y amplio rango de tamaño de partícula.
Muchas zeolitas son trituradas, pulverizadas y clasificadas en un rango de tamaño
de –60 a +325 mallas. Micronizando productos tan finos de 5 a 10
especiales (papel filtro).
El desempeño de las zeolitas naturales puede incrementarse lavándose con ácido
y solución de NaCl para subir los contenidos de iones de H + y Na+
respectivamente. Los productos de clonoptilolita son particularmente
incrementados en la capacidad de intercambio ionico por lavado para reemplazar
los iones de K+ por iones de Na+. En Bowi, Az, los productos de chabazita son
usualmente aglomerados y ligeramente calcinados para reducir su friabilidad total.
Materiales alternos.
Cuando la zeolita natural entra al mercado como un producto nuevo, tienen que
competir con productos de minerales que estaban bien establecidos. La entrada al
mercado de la zeolita natural requiere de una demostración de equivalencia o
superioridad técnica o alguna ventaja en el costo de cada aplicación. Las zeolitas
sintéticas (cedazos moleculares) son los mayores materiales alternos a las
zeolitas naturales. Las zeolitas sintéticas pueden adaptarse en sus características
químicas y físicas para poder utilizarse en muchas aplicaciones y son más
estables que sus equivalentes naturales. La zeolita natural tiene ventaja sobre la
zeolita sintética en algunas aplicaciones y son capases de trabajar en niveles
inferiores de pH, también tienen un costo menor en relación con la zeolita
sintética. El gel de sílice, el carbón activado y algunos materiales similares son
más efectivos que la zeolita para muchas aplicaciones de intercambio iónico y no
son desproporcionadamente más caros. La bentonita, la atapulgita y otros
minerales muestran alta selectividad en la adsorbencia y están disponibles en una
gran gama de precios competitivos.
TAMICES MOLECULARES.
La primera aplicación de las zeolitas salta a los ojos. Es obvio que si un gas o un
liquido están compuesto por dos tipos de moléculas, unas más grandes que las
otras, y si disponemos de una zeolita cuyos poros o ventanas tengan un tamaño
intermedio entre las moléculas pequeñas y las grandes, sólo las primeras entrarán
en la zeolita, mientras que las segundas seguirán su camino. Así se habrán
separado un componente de otro: la zeolita actúa como un tamiz de moléculas.
Fue J. McBain quien informó esta propiedad y acuño de paso el término tamiz (o
malla) molecular, pero fue R.M. Barrer quien en los años 40, en Inglaterra,
demostró por primera vez que las zeolitas se comportaban como mallas
moleculares. Con la síntesis de zeolitas en los 50, las separaciones previamente
demostradas en el laboratorio Unión Carbide lanzó al mercado, a principios del 54,
adsorbentes basándose en zeolitas y, la División Linde, implantó su uso industrial
para obtener argón de alta pureza. En efecto, la molécula de argón es ligeramente
mayor que el oxígeno y no consigue entrar en la zeolita tipo 4 A a baja
temperatura. Otra de las primeras separaciones a nivel industrial fue la utilización
de zeolita 4 A para separar trazas de agua en la sustancia congelante de los
refrigeradores caseros, aplicación que aún se mantiene.
Hoy se insiste con razón en que los términos zeolita y tamiz molecular no son
realmente sinónimos. En realidad para ser tamiz molecular no es necesario que el
material sea un aluminosilicato cristalino con una red abierta que permita el
intercambio de iones y una deshidratación reversible, como es el caso de la
zeolita.
En la figura 19 se dan los diámetros cinéticos en angstroms de algunas moléculas
y el tamaño de las ventanas de algunas zeolitas. Estos valores no deben tomarse
al pie de la letra, ya que el "tamaño" de las moléculas varía dependiendo del
método usando para calcularlo. En la figura 19 mencionada, la zeolita A en su
forma sódica lleva el símbolo Na-A, si se intercambian los sólidos por potasio, el
símbolo se transforma en K-A, Etc. En la figura 20 se ilustra la forma de algunas
moléculas sencillas y el diámetro cinético correspondiente.
La temperatura debe tomarse en cuenta. En la figura 19 se comprueba que el
tamaño del poro aumenta notablemente entre 77 y 420ºK (indicando por la línea
punteada). A temperatura normal, las pequeñas moléculas polares como las del
amoniaco (NH3) no entran en las cavidades sodalitas (o
Sin embargo, el agua ocupa esos huecos a temperatura ambiente. Se ha
comprobado que a elevarse la temperatura, el NH3 se difunde muy lentamente en
las cavidades de las zeolitas X y Y. Una observación adicional de la figura 20 es la
variación del tamaño de poro dependiendo de los cationes presentes en la zeolita.
Así, una zeolita en la que los sodios son intercambiados por potasios disminuye su
ventana a un valor de 3 Aº: en efecto, el ion K es mayor que el ion Na y por lo
tanto estorba la entrada del poro. Análogamente es posible sustituir los sodios por
calcios. El radio ionico del Ca++ y del Na+ es aproximadamente el mismo, pero
como sólo se necesita un Ca por cada dos Na para balancear las cargas de la
estructura zeolítica, entonces la abertura del poro está más libre y aumenta de 4.2
Aº para la forma Na-A, A 5 Aº para la forma Ca-A. Así puede uno calibrar mediante
un intercambio controlado el tamaño de la ventana del poro de las zeolitas.
SECADO DE GASES
Lo primero que se necesita es información sobre el diámetro cinético del agua y el
etileno: 2.65 Aº y 3.9 Aº, respectivamente. Por lo tanto, la zeolita que sacará del
apuro a nuestro operador debe tener una abertura de poro alrededor de 2.65 Aº.
Del análisis de la figura 19 vemos que la zeolita A intercambiada con K cumple
con este requisito pues permite la entrada del agua pero no acepta el etileno por
tener un tamaño mucho mayor. El problema ha sido resuelto pero nos ha quedado
la duda de por qué la mayoría de los gases industriales se deshidratan y cómo se
regeneran las zeolitas llenas de agua en sus cavidades.
La respuesta es simple: el agua a baja temperatura forma hidratos que ocasionan
taponamientos en las tuberías, es corrosiva y en procesos petroquímicos
catalíticos suele ser veneno para los mismos o promueve reacciones laterales
indeseables. Por otra parte, in método usual de regeneración * consiste en
calentar directamente el reactor* que contiene la zeolita impregnada de agua,
entre 200 y 300ºC.
Una de las propiedades más importantes de las zeolitas, que las hace de uso
obligado en muchos procesos de deshidratación, es su gran estabilidad térmica y
el aumento de su capacidad de adsorción * con la temperatura, como se muestra
en la figura 21, para el caso de la zeolita A. Se observa que su capacidad de
adsorción * de agua aumenta sustancialmente al calentarse a 300ºC, permanece
casi constante hasta los 600ºC y decae bruscamente a temperatura más elevada.
Costos.
Los costos de los productos de la zeolita dependen en su mayor parte del tipo y
grado de procesamiento que deben de hacerse para satisfacer las
especificaciones del mercado.
Los costos del minado son equivalentemente bajos, generalmente de 3 a $6/ton, a
menos que el minado sea muy selectivo.
Muchas zeolitas son vendidas a bajo valor industrial o al mercado de la agricultura,
comúnmente se vende de 30 a $70/ton de producto granular bajo 40 mallas, y de
50 a $120/ton de material molido en un rango de a –40 a –325 mallas.
Para productos animales domésticos, para estanques de peces como un medio
desodorante, comúnmente se venden al por menor aproximadamente de 0.5 a
$4.50/kg.
Localización.
La zeolita natural en México ocurre en alteraciones ternarias de rocas volcánicas a
lo largo de México, notablemente en Agua Prieta, El Cajón, Tetuachi, Arizpe y San
Pedro (depósito de clinoptilolita-heulandita a 15 km al NE de Ures), todos en el
estado de Sonora. También se pueden encontrar en Oaxaca, San Luis Potosí,
Puebla y Guanajuato.
Las zeolitas se encuentran en el rancho el Cajón. Son tobas zeolitizadas, en un
paquete de al menos 20 m de espesor aproximadamente, limitado hacia la base
de un conglomerado y aflora con una longitud de 1 km y probablemente continúa
por casi 4 km hacia el NW. Se tomó una muestra de toba zeolitizada, se analizó
por difracción de rayo X resultando ser abundante en heulandita, chabasita y
clinoptilolita, los tres minerales pertenecen al grupo de las zeolitas.
En tetuachi en el municipio de Arizpe, en donde afloran riolitas, tobas lícitas,
ignimbrinas, andesitas, conglomerados, basaltos, del jurásico, Cretácico y
Terciario. Se realizaron estudios con análisis por difracción de rayos X
detectándose las especies clinoptilolita, mordenita, heulandita, principalmente.
J. Leonel Servin R.
jlservin[arroba]rtn.uson.mx
Dadas las características fisicas y quimicas de las Zeolitas sus usos y aplicaciones son muy
variados, algunos de los estudios realizados en el Rancho Chinobampo abarcan las
siguientestes
ramas:
Siguiendo con el principio de innovación tecnológica que rige al Rancho
Chinobampo, las líneas de investigación seguiran creciendo para poder aportar al
campo mexicano todas las bondades de la zeolita a través de sus Sustratos
Zeopónicos Chinobampo.
Cultivos Zeoponicos
Qué
son
los
cultivos
zeopónicos
Son los cultivos de plantas sin suelos en sustratos compuestos fundamentalmente
de zeolitas. Los sustratos zeopónicos se formulan incorporándole a la zeolita los
nutrientes necesarios para que las plantas crezcan y se desarrollen, tomando en
cuenta las características de las plantas y el tipo de agua con la cual se regarán.
El resultado de estos estudios nos da un tipo de Sustrato Zeopónico que es
especialmente diseñado para brindar los mejores rendimientos posibles.
Diferencias
entre
la
Zeoponia
y
la
Hidroponia
A continuación se presenta un comparativo de las caracterñisticas principales de
los cultivos de jitomate utilizando las tecnologías Zeoponica e hidropónica.
Caracteristias generales de los cultivos
Característica
Zeoponia Hidroponia
Uso de materiales sintéticos
No
Si
Reciclaje de insumos
100%
30%
Personal especializado para operación No
Si
Manejo de materiales contaminantes
Si
No
Debido a que el sistema Zeopónico no utiliza materiales sintéticos durante el
desarrollo de los productos, es mucho más alcanzable una certificación como
producto orgánico que con el uso de la hidroponía. Lo anterior puede proporcionar
una ventaja en cuanto al precio de venta de los productos elaborados con el uso
de
la
zeoponia
contra
la
hidroponía.
Características
de
operación
Los datos de operación presentados están basados en un invernadero de 750 m2.
Lo anterior con el fin de mantener una base de comparación idéntica para ambas
tecnologías.
Concepto
Zeoponia Hidroponia
Análisis de calidad de agua en estudios/ciclo 1
6
Toneladas por ciclo
260
200
Uso de materiales sintéticos
No
Si
Ciclos por año
2
2
Vida útil del sustrato en años
3
1
Reutilización del sustrato
100%
0%
Mantenimiento de los sustratos
Agua
Agua + Químicos
% de perdida de producto activo
0%
30%
Números de riegos por día
2
9-10
Consumo de agua en L/día/m2
4-5
10-11
Vida útil de los contenedores en años
8
1
Personal especializado para operación
No
Si
Entre los puntos más importantes de la comparación de ambas tecnologías esta la
perdida de producto activo que presenta la hidroponía, además del alto consumo
de agua que requiere esta tecnología al compararla con la zeoponia.
Otro factor importante es que la tecnología hidropónica requiere de la sustitución
total tanto de sus sustratos como de los contenedores cada año. Todo lo contrario
de la zeoponia que tiene una duración de 3 años y la posibilidad de reutilizar tanto
los
sustratos
como
los
contenedores.
Por último el hecho de que la operación de la tecnología zeopónica utiliza
únicamente agua permite que los operarios sean personas sin ningún tipo de
capacitación técnica, reduciendo los costos de operación. Todo lo contrario que
pasa con la hidroponía ya que para reducir los costos de los materiales utilizados
se requiere del apoyo de personal capacitado.
Sustratos Zeopónicos
Rancho Chinobampo ofrece a sus clientes una amplia variedad de Sustratos
Zeopónicos desarrollados para cada tipo de cultivo, suelo y agua que requiera el
cliente. Debido a que los sustratos son diseñados con un concepto de venta Make
to order, los tiempos de entrega pueden variar dependiendo de la complejidad del
pedido
y
del
volumen
del
mismo.
Dentro de los servicios ofrecidos por el Rancho Chinobampo se encuentran los de
asesoría pre y post venta para poder hacer las recomendaciones que aseguren el
mejor
aprovechamiento
de
los
sistemas
que
ofrecemos.
Tecnología Zeopónica
El Rancho Chinobampo ha desarrollado su propia tecnología Zepónica la cual
incluye:
Estos sistemas se hacen a la medida de las necesidades del cliente y del área en
el cual se planea desarrollar el cultivo. Para asegurar que el sistema brinde los
máximos beneficios al cliente, un grupo de expertos del Rancho Chinobampo
desarrollará un proyecto específico para cada cliente. Con esto podemos
garantizar el mejor funcionamiento de los sistemas que ofrecemos.
Consultorías
El Rancho Chinobampo cuenta con un equipo de especialistas en diversos temas
relacionados con el uso de Sustratos Zeopónicos en diversas ramas. Dichos
expertos pueden brindar una consultoría especializada a quien lo requiera en las
siguientes áreas:
ballos deportivos.
Con el objetivo de evaluar la habilidad de remoción de metales pesados de aguas
de desecho, por medio de una zeolita natural (erionita) se determinaron isotermas
de intercambio iónico de cromo hasta el punto de equilibrio. Se utilizaron erionita
natural (EN) y erionita natural intercambiada con sodio (ENS) provenientes de
yacimientos de Sonora.
La investigación se llevó a cabo en columnas empacadas con zeolita. Las
isotermas de intercambio mostraron una buena afinidad de la erionita por el
cromo, acentuándose de manera moderada en el caso de la forma sódica.
Los ensayos dinámicos mostraron claramente la posibilidad de remoción del
cromo a concentraciones de 100 mg/l de las soluciones preparadas con
concentraciones similares a las de aguas de desecho.
El contenido de metales pesados en aguas residuales industriales se está
convirtiendo en un serio problema debido a sus efectos tóxicos sobre la mayor
parte de los organismos vivos. Las agencias de protección ambiental han fijado
sus concentraciones máximas en rangos que van de miligramos por litro a
microgramos por litro, dependiendo de la toxicidad individual del cation.
En particular, la presencia de cromo tiene efectos tóxicos importantes sobre los
seres vivos, es bioacumulable y afecta las funciones biológicas, en particular el
crecimiento. Las principales fuentes de contaminación por cromo son la industria
de la tenería, los talleres de cromado y la industria de pinturas anticorrosivas.
Cromo en el medio ambiente
El giro de la galvanoplastia es muy amplio ya que abarca todo tipo de
recubrimientos electrolíticos: anodizado, cadminizado, zincado, estañado, dorado,
cromado, etcétera. Un estudio previo seleccionó los procesos de cromado y
niquelado (los cuales pueden incluir o no el proceso de cobrizado) por ser éstos de
los procesos más contaminantes y comerciales.
En relación con la cantidad de plantas de cromado, una encuesta elaborada por el
Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) indica que en
1988 había en el Distrito Federal y zona conurbada 386 establecimientos
relacionados con la galvanoplastia en general; por otra parte, en la Cámara
Nacional de la Industria de la Transformación (Canacintra, sección 72) se
encuentran registradas 110 empresas vinculadas con este giro (en su gran
mayoría, empresas familiares o de tipo casero).
La industria del cromado inició su auge en la década de 1950, desde entonces y
hasta los años setenta, el manejo de desechos se enfocó a la remoción de sales
solubles en el efluente y lodos formados principalmente de compuestos metálicos
y aguas duras.
En este ámbito ha habido un cambio fundamental, iniciado por la aparición de
normas ambientales en Estados Unidos, entre las que destacan la Ley de
Recuperación y Conservación de los Recursos (1976), la Ley de Prevención
contra la Contaminación (1990) y la Ley de Enmiendas y Reautorización del
Superfondo, las cuales han sensibilizado al público con relación a los compuestos
tóxicos, entre los que se encuentran los cianuros y cinco metales pesados
(cadmio, cromo plomo, mercurio y níquel), así como la reducción de los mismos.
A principios de la década de 1980 se presentó una contracción del mercado
debido a la aparición de facias o defensas de plástico en los autos (artículo muy
importante para esta industria), y para los noventa hubo una nueva disminución
del mercado por la liberación de importaciones de artículos cromados de dudosa
calidad, pero bajo precio, lo que provocó el cierre de 15 por ciento de industrias
por lo que siguen funcionando poco más de 90 empresas en el Distrito Federal y la
zona conurbada.
Esta problemática ha motivado la búsqueda de procedimientos adecuados para la
reducción del contenido de cromo en los efluentes industriales, tradicionalmente
se han utilizado métodos químicos y electroquímicos para precipitar el cromo, sin
embargo, el intercambio iónico (adsorción) se ha convertido en una opción viable
por los beneficios económicos que representa la recuperación del metal y la
inmediata utilización del agua tratada. Existe una gran cantidad de materiales
adsorbentes, entre los que se encuentran: resinas catiónicas, sílica, alúmina,
piedra volcánica, ceniza, tierras de diatomeas, arena, y zeolitas naturales.
Zeolitas naturales
En este trabajo se presentan los resultados de la aplicación de una erionita (ZNM)
de Sonora, México, como intercambiador iónico para la eliminación de cromo en
solución a altas y bajas concentraciones. Un estudio previo de la aplicación de
esta zeolita para tratamiento de efluentes de una industria de galvanoplastia, en el
que se utilizaron licores originales, permitió fijar las concentraciones de las
soluciones sintéticas.
El término zeolita fue utilizado inicialmente para designar a una familia de
minerales naturales que presentaban como propiedades particulares el
intercambio de iones y la desorción reversible de agua, el cual deriva de dos
palabras griegas, zeo: que ebulle, y lithos: piedra. Hoy en día, dicho término
engloba a un gran número de minerales naturales y sintéticos que presentan
características estructurales comunes, un esqueleto cristalino formado por la
combinación tridimensional de tetraedros de silicio y aluminio unidos entre sí
mediante átomos de oxígeno comunes.
La estructura presenta canales y cavidades de dimensiones moleculares en los
cuales se encuentran los eventuales cationes de compensación, moléculas de
agua u otros adsorbatos y sales. Este tipo de estructura microporosa hace que las
zeolitas presenten una superficie interna extremadamente grande con relación a
su superficie externa. La microporosidad de estos sólidos es abierta y la estructura
permite la transferencia de materia entre el espacio cristalino y el medio que lo
rodea.
La presente investigación contribuye a la posible utilización de la erionita, una
zeolita de origen natural que se encuentra en extensos yacimientos a cielo abierto
ubicados al norte de Sonora (Agua Prieta), para la remoción de cromo de las
aguas industriales de desecho. Dicha zeolita fue caracterizada previo a su
utilización, presenta una superficie de 456 m2/g y posee un diámetro de poro de
3.4 x 4.5 A° y una capacidad de intercambio iónico de 1.7 meq/g; el tamaño de
partícula de la zeolita se fijó en 0.505mm (malla -30, +40).
Parte experimental
Se llevó a cabo un estudio dinámico de intercambio iónico con soluciones de
cromo preparadas en el laboratorio a partir de CrCl3.6H2O, las concentraciones
de las mismas fueron semejantes a la de licores reales obtenidos de la industria
de la galvanoplastia después de una precipitación previa del cromo. Las
concentraciones se fijaron en 100 ppm y 2000 ppm, respectivamente.
Se pesaron 13g de erionita previamente lavada con agua destilada y secada, la
zeolita se dividió en dos porciones, la primera (EN), se utilizó sin otro tratamiento y
a la segunda (ENS) se le hizo un intercambio iónico con NaCl 2N para obtenerla
en forma homoiónica. Se realizaron las pruebas con ambas zeolitas haciendo
pasar las soluciones de cromo preparadas para el caso. El intercambio de las
soluciones de cromo se realizó por triplicado.
El sistema de intercambio iónico se operó por gravedad en columnas conteniendo
la erionita, las soluciones se hicieron fluir hacia las columnas de intercambio. Las
muestras recolectadas fueron analizadas para determinar la concentración de
cromo, por Espectroscopia de Emisión de Plasma de Inducción Acoplada de
Argón (ICAPES), la capacidad de intercambio catiónico (CIC) se determinó
previamente para la erionita por Espectrometría de Absorción Atómica (EAA). Se
obtuvieron isotermas de intercambio iónico a 25°C para diferentes
concentraciones de Cr+3