Zeoliti: struttura, proprietà, usi

Le zeoliti sono dei silico-alluminati idrati di metalli alcalino o alcalino terrosi che hanno al loro interno canali e cavità e hanno campi di applicazione

Nel 1756 il mineralogista svedese Alex F. Cronstedt, noto per aver scoperto il nichel, descrisse le particolari proprietà di un minerale proveniente dalla miniera di rame di Svappavari (Lapponia): se il minerale veniva posto su un letto di borace riscaldato ad alcune centinaia di gradi centigradi, questo sembrava bollire.

Per questa particolare proprietà, non riscontrata in altri minerali allora conosciuti, Cronstedt coniò il termine di zeolite (dal greco zein = bollire e lithos = pietra).

Durante tutto l’Ottocento si succedono ritrovamenti di nuovi minerali classificabili come zeoliti, anche se si deve attendere che si sviluppino tecniche di indagine chimico-fisica più sofisticate come la diffrazione dei raggi X per giungere a una definizione delle loro caratteristiche strutturali.

Struttura

Le zeoliti costituiscono una famiglia di minerali che presentano una struttura cristallina molto aperta, con presenza di cavità il cui volume varia dal 30 al 50% del volume dell’intero cristallo. Le cavità sono collegate da canali comunicanti tra loro e con l’esterno del cristallo, delimitati da aperture di diametro tale da consentire a cationi e molecole di migrare verso l’interno della struttura. Allo stato naturale le cavità e i canali sono occupati da ioni Na⁺, K⁺, Ca²⁺ e molecole di acqua.

Esse hanno la seguente formula minima MeAl_mSi_nO_2(m+n)· z H₂O  dove Me rappresenta un catione metallico con numero di ossidazione m mentre n e z sono numeri, generalmente non interi, variabili nell’ambito delle varie zeoliti. Le strutture zeolitiche sono descrivibili come insiemi di tetraedri che costituiscono le unità primarie al cui centro sono presenti gli atomi di silicio o di alluminio e ai cui vertici sono situati atomi di ossigeno che fanno da ponte tra le diverse unità

Tipiche zeoliti sono:

• analcime Na(AlSi₂O₆)· H₂O che si trova in forma di cristalli che rivestono le cavità presenti nelle rocce magmatiche. Esse sono colorate dal bianco al rosato, al giallo pallido
• cabasite  (Ca, Mg, Na₂, K₂) Al₂Si₄O₁₂·6 H₂O e può presentarsi di vari colori (bianca, arancione, marrone, rosa, verde, giallo) a seconda dei cationi presenti nella struttura cristallina.

Le zeoliti possono scambiare i propri ioni con quelli eventualmente presenti in una soluzione a contatto con esse.

Proprietà

Nell’impiego come scambiatori di ioni, le zeoliti sono state sostituite  da resine cationiche e anioniche prodotte per sintesi, ma è diffuso il loro impiego come adsorbenti selettivi per gas e liquidi.

Le zeoliti possono essere utilizzate come adsorbenti nei processi di separazione di miscele gassose e liquide sulla base del diametro critico dei costituenti: si può procedere ad esempio, alla separazione di idrocarburi saturi lineari da quelli a catena ramificata o ciclici, l’eliminazione di CO₂ e H₂S da gas naturali, la deumidificazione di gas: la loro struttura consente infatti di essere utilizzate in qualità di setacci molecolari ovvero di specie capaci di separare molecole di grandezza diverse.

L’azione delle zeoliti come setacci molecolari si fonda proprio sulle restrizioni geometriche delle aperture dei pori: soltanto le molecole che sono abbastanza piccole per passare attraverso la finestra di entrata delle cavità possono essere adsorbite dalla loro superficie interna.

Usi

Le zeoliti sono anche largamente usate come catalizzatori o materiale di supporto per catalizzatori stante la loro elevata superficie di contatto.

Un impiego importante delle zeoliti in qualità di catalizzatori riguarda alcune reazioni quali

• dealchilazione del toluene a benzene
• idrogenazione dei composti aromatici
• cracking delle frazioni pesanti del petrolio.

I catalizzatori zeolitici possiedono selettività di forma: la struttura ordinata delle cavità indirizza cioè le reazioni in base alla forma e alle dimensioni dei reagenti, con gruppi chimicamente attivi di tipi diversi.

L’elevata capacità di assorbimento delle zeoliti ne consente l’utilizzo per la:

• disidratazione degli ambienti
• deumidificazione di prodotti
• essicazione di merci

Pertanto sono sfruttate in particolare negli imballaggi dei medicinali e per la conservazione di apparecchiature ottiche e fotografiche.

Rivestono inoltre un importante ruolo in ambito zootecnico, agricolo e nella tutela ambientale.

Aggiungendo zeoliti naturali su suoli destinati ad usi agricoli si possono ottenere:

• miglioramenti nella produzione
• minore necessità nell’utilizzo di acqua per l’irrigazione
• minore utilizzo di fertilizzanti sintetici con conseguente contenimento dell’inquinamento delle acque superficiali e di falda.

Le zeoliti sono anche usate:

• nel trattamento di acque naturali ed in particolare per l’abbattimento di ferro e manganese
• nel trattamento refluo delle industrie conciarie
• per la rimozione dell’ammonio.

La cabasite, in particolare, per le sue capacità di adsorbimento, è usata nell’abbattimento del carico organico e azotato in forma disciolta e colloidale presente nelle acque reflue provenienti da insediamenti abitativi.

Recenti ricerche stanno valutando la possibilità di utilizzare zeoliti cabasitiche nel trattamento dei reflui contenenti piombo considerata l’elevata affinità della cabasite nei confronti di questo metallo pesante.

La cabasite manifesta inoltre buona affinità nei confronti di altri metalli pesanti come il nichel e il rame. Inquinanti gassosi quali SO₂ possono essere rimossi selettivamente da miscele gassose.

Benefici

Le zeoliti, tuttavia, sono utili anche all’organismo umano.

Numerosi studi scientifici hanno messo in evidenza aspetti applicativi particolarmente interessanti:

• elevata attività antiossidante derivante dalla neutralizzazione di radicali liberi
• capacità di ridurre gli effetti secondari della chemioterapia e della radioterapia
• elevata capacità di legare metalli pesanti e tossine.

Le zeoliti possono dunque rappresentare una nuova frontiera nella lotta ai radicali liberi presenti in molte patologie.

Tra i vantaggi ricordiamo l’assenza di tossicità e il suo mancato assorbimento nel tratto gastro-intestinale. L’utilizzo delle zeoliti come additivo alimentare, peraltro già approvato in Giappone  già dal 1996, ha mostrato notevoli benefici per la salute. Uno degli esempi di utilizzo delle zeoliti, che dà risultati immediatamente visibili, è quello negli sportivi. In particolare per quelli che fanno un’attività estenuante come la maratona o le gare di ciclismo.

Nel corso di una prova massacrante, infatti, oltre alla produzione di acido lattico che disturba la prestazione, l’organismo produce anche ammoniaca. Essa  è tossica per il cervello ed è responsabile delle crisi di fatica che chi ha provato questo sport ben conosce. Gli utilizzi delle zeoliti non terminano qui. Una nota casa di caldaie ha messo a punto una pompa di calore a gas zeolitica. Numerosi altri studi si stanno compiendo per sfruttare a pieno le caratteristiche della “pietra che bolle”.