O que são zeólitas e por que são tão especiais?

Catalisadores químicos podem vir em diferentes formas, tamanhos e formatos. Eles são usados ​​para diminuir o limite de energia necessário para ativar uma reação química, aumentando assim a taxa - geralmente em ordens de magnitude. Estima-se que 90% dos produtos químicos sintetizados industrialmente envolvam algum uso de catálise.

Encontrar os catalisadores mais eficientes e específicos é uma parte essencial dos processos químicos, e ter um catalisador que esteja prontamente disponível e sintonizável para diferentes reações é o ideal - é aqui que a família de materiais zeólitos brilha.

O que são Zeólitos?

Os zeólitos são uma classe de materiais com composição química e propriedades físico-químicas semelhantes. Eles são geralmente uma mistura de moléculas de sílica, alumina e água, com íons positivos fracamente ligados que podem ser facilmente trocados por outros. Esses íons positivos, bem como a estrutura microporosa exclusiva dos zeólitos, permitem que eles tenham capacidades catalíticas amplamente aplicáveis. 

Existem mais de 250 estruturas zeólitas conhecidas, 40 das quais ocorrem naturalmente. Cada estrutura única recebe uma designação de 3 letras pela Comissão de Estrutura da Associação Internacional de Zeólitas. 

Os cristais formam uma estrutura de treliça repetitiva, que pode ser identificada e medida por meio de cristalografia. Os zeólitos possuem extensa área de superfície devido aos seus poros e podem adsorver uma grande variedade de cátions, como sódio, cálcio, potássio ou magnésio. Eles também podem adsorver cátions de hidrogênio para funcionar como ácidos sólidos. 

O que os torna únicos?

O primeiro zeólito foi descoberto no século 18, quando se descobriu que o mineral estilbita emitia quantidades significativas de vapor quando aquecido. Isso levou ao entendimento de que a água poderia ser adsorvida na superfície do material. Um estudo mais aprofundado identificou muitos minerais dentro da família dos zeólitos, com muitas configurações estruturais e tamanhos de poros diferentes. 

Os zeólitos são altamente estáveis, não tóxicos, reutilizáveis ​​e podem ser produzidos a partir de materiais naturais extremamente abundantes. Os zeólitos artificiais podem ser sintetizados a partir do aquecimento de alumina e sílica com hidróxido de sódio, com produtos químicos padrão adicionais utilizados para orientar a estrutura do cristal à medida que ele se forma.

Os poros de cada tipo diferente de zeólita podem fazer com que as ligações sejam quebradas em locais específicos e repetíveis, maximizando o produto desejado e minimizando quaisquer derivados indesejados. Isso é particularmente útil na reciclagem de resíduos plásticos, onde os poros de zeólita podem separar pedaços moleculares de tamanho específico do polímero muito maior, que pode então ser reaproveitado em novos polímeros ou novos materiais inteiramente. Um princípio semelhante foi bem-sucedido na transformação do metano, um gás de efeito estufa, em metanol.

O que mais os zeólitos podem fazer?

Esses materiais fascinantes também têm a capacidade de se comportar como peneiras moleculares, filtrando misturas moleculares de acordo com os poros dentro da estrutura do zeólito. Esta exclusão de tamanho permite a filtragem e adsorção de diferentes moléculas, dependendo de qual das 250 estruturas de zeólita é utilizada. Os zeólitos artificiais são geralmente preferidos para isso, pois o tamanho e a forma do cristal podem ser manipulados e é menos provável que o mineral contenha contaminantes.

Apesar de suas propriedades desejáveis, alguns zeólitos podem ser difíceis de trabalhar em escala industrial. Para combater isso, os materiais compostos foram concebidos para maximizar os benefícios do material com menos inconvenientes. Cientistas suecos desenvolveram um composto leve de zeólita-espuma, que mantém área de superfície de zeólita suficiente para ser útil na adsorção seletiva de dióxido de carbono, removendo-o da atmosfera. A estrutura de espuma permite que mais gás entre em contato com o catalisador, ao contrário dos pós de zeólita convencionais.

Os zeólitos também têm sido usados ​​para ajudar nos esforços de purificação da água, pois o cristal pode adsorver e trocar íons comumente encontrados em água dura, como cálcio e magnésio, substituindo-os por alternativas menos prejudiciais. 

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Fontes:

• https://www.nature.com/articles/s41563-020-00819-x
• https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/zeolite 
• https://en.wikipedia.org/wiki/Zeolite 
• https://newatlas.com/science/catalyst-methane-methanol-room-temperature/
• https://newatlas.com/materials/catalyst-mixed-plastic-waste-propane-recycle/
• https://newatlas.com/environment/zeolite-foam-carbon-capture/ 
• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11399