Antecedentes Generales de la Zeolita

Zeolitas


Composición mineralógica de las zeolitas


Composición química de las zeolitas


Estructura cristalógrafica de las zeolitas


Principales propiedades de las rocas zeolíticas


Usos de las zeolitas en la agricultura



Zeolitas



Las zeolitas comprenden un numeroso grupo de hidrosilicatos que presentan una estrecha semejanza en la composición química, en la asociación geológica y el yacimiento. En sentido general el nombre de Zeolita proviene de dos palabras griegas “zein” que significa hervir y “lithos” piedra. Las Zeolitas fueron empleadas en la antigüedad como piedras de construcción. La capacidad de intercambio iónico de las Zeolitas fue investigada por primera vez hace unos 100 años, su capacidad de tamiz molecular para la separación de gases hace 50 años, empleándose las Zeolitas sintéticas a escala industrial hace aproximadamente 40 años.

En América Latina, y concretamente en Cuba, los primeros yacimientos de Zeolita fueron identificados a principios de los años 70, comenzando sus estudios sobre posibles aplicaciones a mediados de esa década, obteniéndose resultados alentadores en aplicaciones agropecuarias y particularmente en alimentación animal.

Las rocas que pertenecen a la familia de las Zeolitas presentan coloración clara, se reconocen con relativa facilidad por ser además muy ligeras, porosas e higroscópicas. Con frecuencia las manifestaciones de rocas zeolíticas presentan estructuras simples en cajas de grandes espesores, donde casi siempre aparecen juntas dos o más Zeolitas en proporciones variables, acompañadas por pequeñas cantidades de montmorillonita, calcita o minerales de sílice entre otras.

Diversos autores plantean que las Zeolitas naturales son una familia de minerales con estructura cristalina tetrahédrica, con poros generalmente llenos de agua, enlazados de tal manera que forman canales, lo que les permite perder y ganar agua reversiblemente e intercambiar los cationes componentes de su estructura, sin alterar esta condición.

Las Zeolitas son minerales del grupo de los aluminosilicatos hidratados, que se presentan preferentemente en las rocas de origen volcánico.



Entre las principales propiedades de los minerales Zeolíticos es importante destacar su baja densidad (muy livianos), su elevada capacidad de intercambio catiónico (potasio por sodio, calcio por magnesio o algunos metales pesados), su elevado poder de absorción-adsorción, y la gran facilidad que presentan los minerales que pertenecen a la familia de las zeolitas para deshidratarse.


Composición mineralógica de las zeolitas



La Zeolita es un mineral compuesto fundamentalmente por Silicio y Aluminio, se presenta preferentemente en las rocas de origen volcánico, en las cuales se agrupan en grandes cantidades que les permite formar yacimientos. Investigaciones han determinado un total aproximado de 40 minerales pertenecientes a la familia de las Zeolitas, siendo los más importantes: Analcima, Chabacita, Clinoptilolita, Erionita, Mordenita, Faujasita, Ferrierita, Heulandita, Gismondita, Natrolita.

Debido al origen volcánico de las Zeolitas, sus yacimientos naturales no son tan abundantes, lo que ha dado lugar a que se hayan diseñado diferentes métodos para su obtención artificial. Las Zeolitas son combinaciones hidratadas, donde el agua se encuentra en ellas unida flojamente, por consecuencia de la estructura, el agua presente en la estructura de las Zeolitas se puede desprender por calor de modo continuo sin que se altere la estructura del mineral. El agua desalojada se puede reincorporar colocada el mineral en atmósfera húmeda, y hasta es posible de substitución en contacto con otras substancias. La mayor parte de las Zeolitas son silicatos aluminicocálcicos o aluminicoalcalinos, semejantes a feldespatos y feldespatoides, de los cuales no pocas veces derivan por meteorización o descomposición hidrotermal. A estos minerales se les denomina “Zeolitas en sentido estricto”.

Las Zeolitas se encuentran insertas en las cavidades de las rocas volcánicas jóvenes y sus tobas, pero no son ajenas a las drusas y hendiduras de las rocas eruptivas antiguas y las pizarras cristalinas. Se ha comprobado además su presencia en los filones minerales, en ciertos yacimientos de magnetita, en las calizas metamórficas de contacto y como formación reciente de algunas termas. Las Zeolitas se consideran también elementos normales constitutivos de las rocas magmáticas, debido a un proceso temprano de segregación. Genéticamente, las Zeolitas casi siempre aparecen originadas en aguas termales, unas veces por cristalización directa de la disolución en las hendiduras y cavidades semejantes, y otras por formación secundaria mediante pseudomórfosis de minerales de la familia de los feldespatos y sus afines.



Composición química de las zeolitas



La composición química de las rocas Zeolíticas puede variarse por el proceso de Intercambio iónico, (propiedad inherente a las Zeolitas) pero sólo en aquellos cationes intercambiables presentes en la misma como Sodio, Calcio, Magnesio, Potasio y otros. Durante este intercambio iónico las Zeolitas se comportan atendiendo a sus propias leyes para este proceso, la más importante es el orden de selectividad o afinidad por los cationes.

Atendiendo a las características de selectividad que presentan las Zeolitas, a su composición química y mineral, a los tiempos de duración de los procesos de difusión externa e interna de los iones durante el intercambio, así como a la influencia de la temperatura y la concentración iónica de la solución de intercambio, se logran las composiciones deseadas de los iones de las rocas Zeolíticas.



Estructura cristalógrafica de las zeolitas



Las Zeolitas son cristalinas, hidratadas, son alumino-silicatos que consisten en enrejados tridimensionales de tetraedros de Aluminio y Sílice infinitamente extendidos, emplazados por átomos de oxígeno compartidos.

La armazón aluminio-silicato de las Zeolitas es notablemente abierta y contiene canales y huecos interconectados parcialmente ocupados por cationes y moléculas de agua. Los huecos intracristalinos ocupan el 20%-50% del volumen total del cristal de la mayoría de las Zeolitas. Los volúmenes de poros, por ejemplo, de la Chabacita y la Erionita son restringidos al 30%. La mayoría de las otras Zeolitas naturales como la Clinoptilolita, Mordenita y la Ferrierita están cerca del 20%. Los diámetros de las ventanas o poros en el interior de los huecos alcanzan rangos de 3 a 10 Amstrong. Todas las reacciones catalíticas de absorción e intercambio iónico de las Zeolitas están dentro de la estructura cristalina.

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La estructura interna de estas armazones es decididamente hidrofílica y exhibe una fuerte afinidad por las moléculas de agua. La mayoría de las aplicaciones y reacciones de absorción, no obstante, requieren que las Zeolitas sean deshidratadas, ya sea por calentamiento o por evacuación, a un estado libre de agua.

Las estructuras de las Zeolitas contienen varios tipos de unidades estructurales. La más simple es la unidad estructural primaria, un tetraedro de 4 iones de oxígeno rodeando a un ión metálico central, que puede ser de Sílice. Las unidades estructurales primarias son conectadas en tres dimensiones, de tal modo que todos los oxígenos sean compartidos entre dos tetraedros. Las estructuras de las Zeolitas además contienen unidades estructurales secundarias, consistentes en anillos simples y dobles de tetraedros.

A modo de síntesis se puede plantear que todas las estructuras de Zeolitas pueden ser consideradas como la empaquetadura de unidades estructurales primarias o secundarias y poliedros en el espacio.


Principales propiedades de las rocas zeolíticas



Las principales propiedades físico-químicas más importantes de las Zeolitas naturales y en función de sus utilidades agrícolas son:

• Catálisis
• Intercambio Catiónico
• Absorción-adsorción

De estas tres propiedades, la Catálisis resulta la menos conocida en la actividad agrícola, pero no por ello deja de ser importante ya que esta demostrado que las Zeolitas actúan como catalizadores en procesos relacionados con la fisiología de los vegetales.

En relación con la segunda propiedad, las Zeolitas resultan ser verdaderos intercambiadores catiónicos, alcanzando una capacidad de intercambio superior a los 200 meq./100 grs. de zeolita.
Las Zeolitas naturales son rocas con un alto contenido de mineral Zeolítico, pero en la estructura de las mismas aparecen otros minerales como cuarzo, feldespatos, calcita, montmorillonita y otros más que intervienen en sus características y las hacen variar de un yacimiento a otro.

Teóricamente, la capacidad de intercambio de la Clinoptilolita (tipo de zeolita) es de 210 meq/100 grs. de zeolita, la presencia en el material de otro mineral con menor o ninguna capacidad de intercambio catiónico, hacen que la capacidad de intercambio de la roca sea menor al valor señalado.

La propiedad de Intercambio catiónico de las Zeolitas se debe a su estructura cristalina muy característica. La Zeolita es un mineral de Silicio (silicato) donde existe un arreglo de los átomos de silicio, oxígeno y aluminio tal, que forman una estructura cristalina tridimensional rígida que deja pequeñas cavidades interconectadas llamadas microporos que son los que constituyen los canales. Es en estos canales donde ocurren las reacciones físico-químicas de las Zeolitas, entre ellas el intercambio catiónico.

En las Zeolitas naturales aparecen iones de Calcio, Sodio, Potasio, Magnesio, Fierro, entre varios otros, los que se presentan coordinados en la estructura cristalina y pueden ser reemplazados por otros iones, sin alterar en lo absoluto la composición de sílice-aluminio de la estructura cristalina, esta es la esencia del intercambio catiónico.

Considerando que las Zeolitas son capaces de intercambiar los iones que presenta en sus canales por otros, es que utilizando soluciones con una adecuada concentración obtenemos zeolitas con una composición iónica específica y en correspondencia con nuestras necesidades.

En los espacios libres de los canales de las zeolitas se incorporan moléculas de agua o gases, los cuales pueden ser desplazados por otras moléculas, confirmando de esta manera la absorción de agua y gases.

Por último, habría que señalar la gran estabilidad que presentan las Zeolitas, y en particular las naturales Clinoptilolita y Mordenita, las que ponen de manifiesto su estabilidad a temperaturas de hasta 500ºC. , siendo resistentes además al ataque de ácidos, lo que garantiza que durante la ocurrencia de estos fenómenos de temperatura y presencia de ácidos, no se destruya la parte zeolítica de la roca.



Usos de las zeolitas en la agricultura



Numerosas formulaciones teóricas, y aplicaciones prácticas, concluyen que las principales aplicaciones de las Zeolitas en el ámbito agrícola son:

1. La aplicación de zeolita en mezcla con fertilizantes, pesticidas y otros productos aplicados al suelo, hace más eficiente el uso de los mismos, ya que los incorpora a su masa porosa y los va liberando lentamente. Este uso es muy importante ya que posibilita disminuir las dosis de aplicación de todos los productos químicos u orgánicos, esto ocurre ya que las pérdidas por escurrimiento o lixiviación son prácticamente nulas.

2. Retiene el agua aplicada al suelo. Esto es muy importante sobretodo en zonas donde el agua es escasa. El agua retenida es liberada lentamente, según disminuye la humedad circundante, lo que contribuye al ahorro de agua y energía.

3. Sustrato para cultivos hidropónicos o de invernadero, ya que la combinación de los dos usos anteriores permite su utilización en este tipo de cultivos, con ventajas comparativas superiores a otros sustratos.

4. Absorbe gases de desecho. Esta particularidad permite emplear a las Zeolitas como purificadores de aire en aquellas explotaciones agropecuarias donde prevalecen los malos olores.

5. Absorbe iones de metales pesados. Esta propiedad junto con la anterior, convierte a las Zeolitas en un agente purificador de las aguas, ya que las puede liberar de deshechos de gases o iones metálicos.

6. El uso de Zeolitas permite una mejor conversión de biomasa en biogas. Esto se deriva de las tres propiedades anteriores.

7. Mejora las características de los fertilizantes sólidos. Su resistencia a la pulverización, baja capacidad erosiva y resistencia al aterronamiento, así como su capacidad de absorber líquidos, hace que las Zeolitas sean apropiadas para utilizarse como material de relleno de fertilizantes y también de pesticidas sólidos.

8. Mejora las características de otros fertilizantes. Cuando se emplean Mordenita y Clinoptilolita como aglutinantes de fertilizantes mezclados, controlan la liberación de amonio y otros cationes de los mismos.

9. El uso de Zeolitas mejora la nitrificación en los suelos. Al suministrar una superficie ideal para la adherencia de las bacterias nitrificantes, ayuda a una mayor nitrificación. Por el mismo motivo, aumenta la población de bacterias micolíticas del suelo provocando la lisis de hongos patógenos.

10. Controla acidez del suelo. Esto se produce por la capacidad alcanizadora de las Zeolitas.