Las zeolitas: cómo un mineral puede ser clave para la sostenibilidad y la descarbonización

VALÈNCIA. La vigésima edición de la International Zeolite Conference (IZC2022), celebrada del 3 al 8 de julio en el Palacio de Congresos de València, ha sido un acontecimiento de gran relieve científico, con 600 especialistas de 40 países congregados en torno a los avances en la investigación de materiales porosos como las zeolitas y su aplicación a la industria química, pero con ambiciones que van mucho más allá de este ámbito. En el encuentro, la presentación de varios proyectos que conectan estos materiales con la sostenibilidad ha puesto de manifiesto su potencial para ofrecer soluciones avanzadas en beneficio del medio ambiente, dado el alto impacto que la industria mundial supone en el esfuerzo de hacer más sostenible la actividad humana en el planeta.

La exposición de las principales conclusiones del congreso por parte del investigador castellonense Avelino Corma, cofundador del Instituto de Tecnología Química (ITQ) y presidente del comité organizador, puso sobre la mesa diferentes experiencias de trabajo con estos minerales microporosos de aluminosilicato, destinados desde hace décadas a obtener combustibles más limpios. En este sentido, varios trabajos presentados en la IZC2022 han abundado en el diseño de materiales zeolíticos capaces de adsorber (capturar, retener en su superficie moléculas e iones de otro cuerpo) nada menos que CO₂, acelerando la descarbonización, o para la producción de hidrógeno y la mejora de la biomasa, a través de reacciones en el agua. Otros proyectos expuestos en València se orientan a la reducción de la contaminación y a la producción de combustibles convencionales y alternativos.

Las zeolitas ya fueron claves en el pasado para conjurar los riesgos de los componentes más peligrosos de los escapes de nuestros vehículos a motor. Estos catalizadores, hoy de uso común en ese terreno, son vistos actualmente por la comunidad científica como la punta de un inmenso iceberg con grandes posibilidades de desarrollo. La lucha contra las emisiones de CO₂, la disminución de este gas de efecto invernadero, es solo uno de los capítulos de ese libro, que promete emociones fuertes en forma de importantes avances.  En la misma línea se inscribe, por ejemplo, el rol de las zeolitas en la consecución de procesos químicos más verdes, que permitan optimizar asimismo el gasto de energía.

Varios trabajos tratan el diseño de materiales zeolíticos capaces de adsorber CO₂  , esto es, capturarlo, retenerlo en su superficie

En la IZC2022 han sido presentados otros proyectos de relieve científico, desde los métodos computacionales de Machine Learning (ML) aplicados a la síntesis de zeoliltas hasta el diseño molecular de MOFs (clústeres de moléculas combinadas en los que se produce catálisis selectiva) y su uso para membranas, adsorbentes y catalizadores, entre otros. Es parte del balance de una cita que contó con 7 conferencias plenarias, otras 12 invitadas, 168 comunicaciones orales y 300 comunicaciones.

Organizada por el Grupo Español de Zeolitas de la Sociedad Española de Catálisis, en la IZC2022 ha participado de forma muy activa el ITQ, centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat Politècnica de València (UPV), liderado por Avelino Corma. El encuentro ha reunido a expertos de primera talla internacional con muchas patentes a sus espaldas. Entre ellos, en las conferencias plenarias intervinieron Johannes Lercher, Tatsuya Okubo, Xiaodong Zou o Peter N. R. Vennestrøm. El primero, de la Universidad Técnica de Múnich, es conocido por sus investigaciones sobre aspectos fundamentales de los catalizadores y las reacciones que permiten que la catálisis reduzca la huella de carbono. Por su parte, Okubo, de la Universidad de Tokio (UTokyo), se ha centrado en la ciencia y la ingeniería de los materiales nanoporosos, especialmente en el área de la síntesis y la aplicación de las zeolitas. El grupo de trabajo de Zou en la Universidad de Estocolmo ha desarrollado varios métodos y programas informáticos para determinar con precisión la estructura atómica de cristales desconocidos, además de resolver muchas estructuras complejas, especialmente de materiales porosos como las zeolitas y los marcos metal-orgánicos. Finalmente, Vennestrøm, director de I+D en Umicore, ha centrado siempre su investigación en las zeolitas y la formulación de catalizadores en estrecha colaboración con socios universitarios estratégicos. Gracias a la capacidad de reunir a estos y otros expertos, el congreso puso a Valencia en el foco científico mundial. 

Catalizadores y sorbentes
La próxima cita de la IZC, su vigesimoprimera edición, tendrá lugar en 2025 en China, donde se pondrá el acento sobre los avances que se produzcan en los próximos años, mientras las zeolitas siguen produciéndose industrialmente a gran escala. Porque además de aparecer en la naturaleza, las zeolitas están moviendo el sector secundario. En diciembre de 2018 se identificaban ya 253 estructuras de zeolita únicas, y se conocían más de 40 de origen natural. Las de relevancia industrial se producen sintéticamente y presentan algunas ventajas, además de que las principales materias primas utilizadas para ello son la sílice y la alúmina, que están entre los minerales más abundantes del planeta, haciendo casi ilimitado el potencial de suministro. China, primer productor mundial, produjo 2 millones de toneladas de zeolitas naturales entre 2011 y 2012. 

Las zeolitas se utilizan ampliamente como catalizadores y sorbentes. Su estructura de poros bien definida y su acidez ajustable las hacen muy activas en un amplio abanico de de reacciones. En química, las zeolitas se utilizan para separar moléculas (sólo pueden pasar moléculas de determinados tamaños y formas) y como trampas que permiten analizar moléculas.

Los usos actuales de las zeolitas ya van desde la agricultura y la ganadería a las industrias químicas, pasando por el tratamiento de aguas

Algunos de sus usos específicos actuales se encuentran en el sector primario, desde la agricultura -aumentan la capacidad de retención de agua y nutrientes en la zona de crecimiento o mejoran la permeabilidad del suelo, entre otras ventajas- a la acuicultura -para controlar los niveles de amoniaco en el agua- pasando por la la ganadería -como suplemento alimenticio con mejor aprovechamiento de nutrientes.

En la industria química 'fina', las zeolitas son relevantes en muchos procesos de petroquímica. Utilizadas como tamiz molecular del agua, permiten que salga un líquido más limpio, blando y cristalino. En el tratamiento de aguas, tiene un uso creciente como medio filtrante. Más conocida es su función catalítica en la industria petrolífera, como facilitadoras de reacciones, pero también están presentes en el reprocesamiento de residuos nucleares, en la separación y almacenamiento de gas o con la energía solar, puesto que también se emplean para almacenar termoquímicamente el calor solar cosechado en los colectores solares térmicos, siendo útiles las zeolitas naturales para recoger el calor residual y la energía térmica solar. Asimismo, se ha descubierto que las zeolitas ayudan a la plata a emitir luz de forma natural, lo que puede competir con las luces fluorescentes o los LED. En definitiva, un universo de usos presentes que en sí mismo constituye una promesa de futuros desarrollos.