Las zeolitas fueron descritas por primera vez en 1756 por Freiherr Axel Frederick Cronstedt, un mineralogista sueco que denominó al mineral a partir de las palabras griegas zeo (hervir) y lithos (piedra), una alusión a su peculiar característica de burbujear cuando se la sumerge en agua.
Este exclusivo mineral natural tiene una estructura cristalina tridimensional infinita, que forma cavidades internas que son ocupadas por iones y moléculas de agua con gran libertad de movimiento. Esta característica permite el intercambio catiónico y la deshidratación reversible de la red, debido a que el agua no afecta la estabilidad estructural y puede ser eliminada, ya que la zeolita opera como un tamiz molecular.
Figura 2 – Estructura de la zeolita natural
Fuente: Martins Neto y Di Serio (2015)
Dependiendo del origen de la zeolita, su composición química puede variar. En la tabla 1 se muestran los principales tipos de zeolita, con énfasis en las zeolitas del tipo clinoptilolita, que son las más utilizadas para el tratamiento de agua.
Aunque la zeolita tenga la capacidad de intercambio catiónico, existe un orden de selección entre los metales en función del radio atómico y peso molecular; en general, la capacidad de intercambio total es de hasta 1,57 mEq.g-1. El orden de selectividad de la zeolita natural del tipo clinoptilolita para los principales metales, según Martins Neto y Di Serio (2015), es el siguiente: Cs > Rb > K > NH4+ > Ba > Sr > Na > Fe > Al > Mg > Li.
Aunque el nitrógeno amoniacal es una molécula, tiene carga catiónica y diámetro compatible con los metales, por lo que la zeolita también es capaz de capturarlo.
Debido a su estructura tridimensional, la zeolita clinoptilolita tiene algunas propiedades físicas interesantes, como dureza media de 4 a 5 mohs, superficie de 40 a 60 m².g-1 y densidad aparente de 0,90 a 0,98 kg.L-1. La combinación de alta dureza, gran área superficial y baja densidad aparente, hace que la zeolita clinoptilolita sea un excelente medio filtrante granular, capaz de retener partículas de hasta 5.0 µm de diámetro medio, lo que garantiza una alta eficiencia en la remoción de sólidos en suspensión que favorecen la turbidez y el color en aguas naturales. A modo de comparación, materiales como arena y carbón antracita capturan partículas con un diámetro medio de hasta 40 y 20 µm, respectivamente. (Martins Neto y Di Serio, 2015).
Además de estas propiedades naturales, se puede realizar un procedimiento para aumentar las capacidades específicas de la zeolita, como cubrir la estructura de la zeolita natural con óxido metálico, con el fin de remover hierro, manganeso e incluso arsénico, como describen Mohammed Al-Anbera y Zaid A. Al-Anberb (2008), Silvio R. Taffarel y Jorge Rubio (2010) y Lucy M. Camachoa et. al. (2011).
La captura de sólidos dentro del filtro ocurre, principalmente, por el mecanismo de retención mecánica de sólidos debido a la superposición de capas granulares que proporcionan poros de captura a lo largo del lecho, considerando que la filtración tiene una dirección vertical descendente sobre una presión mínima de 0.5 MCA y 1.0 kgf.cm-² para filtros de tipo abierto y cerrado, respectivamente. Además del efecto mecánico de retención de los sólidos, también existe un pequeño efecto electrostático entre los sólidos en suspensión y el lecho de zeolita, que también contribuye al proceso de filtración.
En comparación con otros medios filtrantes convencionales, como arena y cuarzo, la zeolita natural clinoptilolita tiene mayor capacidad para retener sólidos utilizando aproximadamente un 30% y un 50% menos de material en el filtro, respectivamente, debido a la menor densidad aparente. Dada la mayor porosidad y área superficial, la pérdida de carga en el filtro también es menor, por lo que la carrera de filtración también es mayor, como lo demuestra el estudio comparativo de Gobbi (2010), presentado brevemente en las figuras 5 y 6.
En el estudio realizado por Gobbi (2010) también se evaluó el volumen de agua necesario para el retrolavado de los lechos de zeolita y arena. La investigación concluyó que se
necesitaban alrededor de 1545 L de agua para el filtro de arena y solo 390 L para el filtro de zeolita.
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