1. Descripción general de la atapulgita
Atapulgita El (Mg₅Si₈O₂₀(OH)₂·4H₂O) es un mineral arcilloso con morfología cristalina de nanobarras. Su longitud es de aproximadamente 0,5-5 μm, su diámetro de aproximadamente 20-70 nm, con canales regulares a escala nanométrica de 0,37 nm × 0,64 nm. Es un mineral arcilloso de silicato de magnesio y aluminio hidratado con una estructura de cadena estratificada. Epic Powder Machinery se especializa en tecnología de pulverización por chorro. El molino de chorro MQW40 de Epic Powder garantiza el procesamiento eficiente de la pulverización de polvo de atapulgita.
La atapulgita posee una gran superficie específica, carga superficial y capacidad de intercambio catiónico. Esto la hace ampliamente utilizada en la preparación de adsorbentes, adhesivos, desecantes, catalizadores, aditivos alimentarios y compuestos funcionales. Desempeña un papel insustituible como material base en campos como la ingeniería química, la catálisis, la protección ambiental y los nuevos materiales. La pulverización de atapulgita es un paso crucial del pretratamiento, cuyo objetivo es aumentar su superficie específica y mejorar su capacidad de adsorción.
Parámetros estructurales básicos, imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM).
Imágenes de microscopio electrónico de transmisión (MET).
2. Propiedades fisicoquímicas y modificación superficial de la atapulgita
2.1 Adsorción
La importante área transversal del canal y la singular estructura cristalina de la atapulgita contribuyen a sus propiedades de adsorción. Sus mecanismos de adsorción incluyen principalmente la adsorción física y química. La adsorción física se produce mediante fuerzas de van der Waals. Mientras que la adsorción química forma enlaces covalentes cuando se rompen los puentes de oxígeno Si-O-Si, lo que permite la unión de moléculas de adsorción. La modificación de la superficie de la atapulgita puede mejorar su capacidad de adsorción.
La atapulgita elimina eficazmente impurezas como metales, azufre y asfalto de los hidrocarburos de petróleo, así como colorantes y componentes nocivos de grasas, aceites minerales y aceites vegetales. También muestra una excelente capacidad de adsorción de metales pesados (p. ej., Cr³⁺, Hg²⁺). Se utiliza ampliamente como desodorante, auxiliar de filtración, purificador y decolorante en la industria de la protección ambiental. El proceso de pulverización de atapulgita generalmente implica trituración y molienda mecánicas para lograr la distribución de tamaño de partícula deseada.
2.2 Catálisis
Como nanomaterial natural con estructura de nanocanales, la atapulgita presenta nanopartículas y una alta relación de aspecto. Proporciona numerosos canales y centros activos de tamaño nanométrico. Por lo tanto, puede funcionar tanto como catalizador como soporte de catalizador.
2.3 Propiedades coloidales y suspensivas
Bajo fuerzas de cizallamiento, la atapulgita puede dispersarse formando una red tridimensional caótica en agua y otros medios. En concentraciones más bajas, los coloides de atapulgita presentan alta viscosidad y mantienen un alto grado de estabilidad de suspensión en soluciones salinas, además de buena resistencia a la sal y a los álcalis, estabilidad térmica y propiedades reológicas. Por lo tanto, se utiliza como lodo de perforación circulante en yacimientos petrolíferos y como aditivo en recubrimientos.
2.4 Otras propiedades
La atapulgita posee una gran superficie específica y cierta capacidad de intercambio iónico, lo que la hace ampliamente utilizada como desecante, absorbente de humedad, adsorbente, soporte de catalizadores y agente antimicrobiano. Gracias a su especial estructura cristalina fibrosa y acicular, es atóxica, inodora, no irritante, químicamente estable, fácil de secar y de baja dureza, lo que la convierte en un excelente relleno para materiales poliméricos. Una pulverización eficaz de la atapulgita puede romper parcialmente sus haces de cristales en forma de varilla, exponiendo así más sitios activos.
2.5 Modificación de la atapulgita
La estructura y las propiedades únicas de la atapulgita ofrecen un valor de aplicación significativo. Sin embargo, su estructura cristalina limita su capacidad de adsorción. Por lo tanto, tras purificarla, es necesario modificar su superficie para aumentar aún más su área superficial específica, su carga superficial y el tamaño del canal, a fin de mejorar sus propiedades de adsorción y soporte.
Métodos de modificación de la atapulgita
| Método de modificación | Principio primario | Dirección de la aplicación |
| Tratamiento térmico | La atapulgita pierde agua adsorbida, zeolítica, cristalina y estructural al calentarse; el área de superficie específica aumenta, el diámetro del nanocanal se expande, mejorando el rendimiento de adsorción. | Materiales de relleno, procesamiento de tratamiento térmico. |
| Modificación ácida | El tratamiento ácido reemplaza los cationes en la estructura; los cationes de la lámina octaédrica se disuelven y son reemplazados por iones de hidrógeno; genera enlaces rotos, aumentando el área superficial específica y la actividad. | Tratamiento de agua, agentes decolorantes |
| Modificación alcalina | El tratamiento alcalino altera la estructura de la fase cristalina, provocando una transformación; los cationes metálicos se corroen, aumentando la carga negativa de la superficie y los sitios activos; los nanocanales se ensanchan y el área superficial específica aumenta. | Tratamiento de agua, adsorción de iones |
| Modificación de la sal | El tratamiento con sal aumenta los cationes intercambiables, altera la carga superficial, aumenta los nanocanales internos y mejora la adsorción. | Tratamiento de agua, adsorción de iones, purificación de suelos. |
| Modificación combinada | Uso combinado de ácido, álcali, sal, etc., para mejorar el rendimiento de adsorción. | Tratamiento de agua, materiales portadores, purificación de suelos. |
| Modificación orgánica | El tratamiento orgánico forma una monocapa orgánica en la superficie, impartiendo características duales orgánicas-inorgánicas, alterando la hidrofilicidad/lipofilicidad y ampliando el rango de aplicación. | Tensioactivos, agentes de acoplamiento |
Actualmente, los principales procesos de modificación incluyen la modificación térmica, la modificación inorgánica (modificación ácida, alcalina, salina) y la modificación orgánica. Entre estas, la modificación ácida es la más común. Muchos investigadores emplean el tratamiento ácido en la atapulgita, mientras que la investigación sobre la modificación salina es relativamente limitada. La modificación salina es más respetuosa con el medio ambiente que la modificación ácida y podría explorarse más en el futuro debido a su baja huella de carbono. La modificación orgánica también presenta claras ventajas sobre los métodos inorgánicos, siendo los surfactantes y los agentes de acoplamiento los más utilizados. La mayoría de los estudios aún se centran en métodos de modificación únicos, que ahora están bastante desarrollados. Por lo tanto, considerar modificaciones combinadas que aprovechen los beneficios de múltiples métodos podría mejorar la eficacia de la modificación. La eficiencia de las modificaciones posteriores, como el tratamiento ácido o térmico, depende en gran medida del grado de pulverización de la atapulgita.
3. Aplicaciones y avances de la investigación sobre la atapulgita
3.1 Portador de fármacos
Debido a su gran superficie específica y a su gran capacidad de adsorción, la atapulgita se utiliza ampliamente como vehículo para pesticidas en polvo de alta concentración. También se utiliza como matriz para gránulos. En particular, para pesticidas líquidos, su transformación en polvos de alta concentración o polvos humectables, utilizando atapulgita como vehículo, permite ajustar la fluidez y la dispersabilidad de la formulación. Sus propiedades reológicas y espesantes la hacen ampliamente utilizada como agente espesante en suspensiones de pesticidas.
Proceso de preparación de un portador de pesticidas de alto rendimiento a partir de atapulgita
Un método de desactivación en dos pasos produce productos arcillosos de alto rendimiento. Tras la modificación inerte, la acidez superficial de la atapulgita aumenta de pKa < 1,8 a pKa > 3,3, con una variación mínima del área superficial específica. La atapulgita modificada puede utilizarse como portador de pesticidas. Las pruebas de estabilidad indican que su rendimiento es comparable al de los portadores de sílice. Mantiene las potentes propiedades de adsorción de la atapulgita, lo que soluciona problemas como su limitado ámbito de aplicación y su corta vida útil.
Además de los pesticidas de liberación lenta, la atapulgita también se utiliza en la producción de medicamentos para consumo humano. Actúa como adsorbente, agente de suspensión y excipiente en diversos fármacos. Existen normas nacionales para la atapulgita y está reconocida como un material farmacéutico seguro.
3.2 Materiales portadores catalíticos
Gracias a su estructura porosa, la atapulgita acelera las velocidades de reacción cuando los reactivos se adsorben en sus canales internos. A medida que los reactivos se difunden fuera de estos canales, la red cristalina de la atapulgita permanece intacta, lo que la convierte en un material ideal para la carga catalítica. Metales, óxidos metálicos y sales metálicas de alto rendimiento catalítico pueden cargarse uniformemente sobre la atapulgita, lo que facilita la exposición completa de los centros activos y la transferencia de sustancias activas, mejorando significativamente la actividad catalítica. Actualmente, la atapulgita se utiliza ampliamente en la fijación catalítica de nitrógeno, la degradación de contaminantes en agua, la eliminación de contaminantes atmosféricos y las reacciones de desprendimiento de oxígeno. En la preparación de materiales compuestos, la pulverización controlada de atapulgita garantiza su dispersión uniforme dentro de la matriz polimérica.
3.3 Materiales portadores de almacenamiento de energía
La atapulgita en sí no es conductora y no puede utilizarse directamente como material de almacenamiento de energía electroquímica. Sin embargo, las tecnologías existentes, como los métodos de moldeo y difusión por fusión, permiten introducir materiales electroactivos en la atapulgita, lo que permite su aplicación en el campo del almacenamiento de energía electroquímica. Los materiales comerciales para ánodos de baterías de iones de litio se componen principalmente de materiales a base de carbono, que presentan una baja capacidad específica. La atapulgita puede reducirse mediante reacciones de termita de aluminio para producir silicio derivado de la atapulgita (SiATP), que puede sustituir al carbono como material para ánodos en baterías.
3.4 Materiales coloidales
Al dispersarse en agua u otras soluciones de baja concentración, la atapulgita forma cristales individuales en forma de varilla o haces más pequeños, que se entrelazan bajo las fuerzas de van der Waals para crear una estructura reticular, dando como resultado una suspensión de alta viscosidad. Esto demuestra excelentes propiedades coloidales, lo que convierte a la atapulgita en un componente importante en espesadores, lodos de perforación y aplicaciones de recubrimiento.
3.5 Agentes clarificantes de bebidas y aditivos cosméticos
Industria alimentaria: La atapulgita actúa como agente decolorante y clarificante, logrando una decoloración superior a 70% y una clarificación de 90% para aceites comestibles y bebidas.
Industria cosmética: Funciona en productos de protección UV, control de grasa y reparación de la piel.
3.6 Materiales adsorbentes ambientales
Actualmente, elimina activamente metales pesados, colorantes orgánicos, antibióticos y otros contaminantes de las aguas residuales. Estudios exploratorios recientes también han investigado su uso para adsorber o enriquecer materiales radiactivos en la industria nuclear. Gracias a los avances significativos en la investigación sobre modificaciones, los tipos de contaminantes que la atapulgita puede adsorber se encuentran en constante expansión. La pulverización de atapulgita mejora la eficiencia de eliminación de contaminantes al crear poros y canales de difusión más accesibles.
Principales mecanismos de adsorción de contaminantes
| Tipo de contaminante | Iones metálicos | Moléculas de colorante | Iones no metálicos | Iones metálicos radiactivos |
| Principales mecanismos de adsorción | Interacción electrostática, Complejización química, Intercambio catiónico, Precipitación superficial | Adsorción por poros, interacción electrostática, enlace de hidrógeno, formación de complejos químicos | Adsorción por poros, interacción electrostática | Interacción electrostática, complexación química |
3.7 Materiales antimicrobianos
Aunque la atapulgita no posee una alta actividad antibacteriana, su estructura porosa y su actividad superficial permiten la carga de agentes antibacterianos activos para crear materiales compuestos. Por un lado, la atapulgita puede adsorber bacterias físicamente, lo que afecta la permeabilidad de la membrana celular e inhibe el intercambio normal de materiales con el entorno. Por otro lado, los cristales de atapulgita, con forma de varilla, presentan un efecto de punción. Pueden dañar las paredes y membranas celulares bacterianas, inactivándolas.
Construcción de compuestos metálicos antibacterianos: La atapulgita presenta canales nanométricos regulares y grupos funcionales superficiales. Debido al fenómeno de sustitución isomorfa durante su formación, la atapulgita presenta cargas negativas permanentes y forma numerosos defectos o enlaces residuales dentro de su estructura. Esto demuestra una gran capacidad de adsorción para moléculas de pigmentos, iones de metales pesados, colorantes y antibióticos.
La atapulgita que contiene bromuro de dodeciltrimetilamonio extiende la eficacia antibacteriana con baja biotoxicidad.
El fotocatalizador de vanadato de bismuto/atapulgita degrada los antibióticos 1,4 veces más rápido que el vanadato de bismuto puro.
Además de los materiales antibacterianos mencionados, la atapulgita muestra un buen potencial de aplicación en materiales compuestos para andamiajes y materiales para la cicatrización de heridas. Sin embargo, su aplicación en biomedicina aún es relativamente limitada, lo que exige acelerar el desarrollo de productos médicos a base de atapulgita. La gasa hemostática rápida aprovecha la alta capacidad de adsorción de la atapulgita y los sustitutos ortopédicos o dentales que aprovechan sus propiedades antibacterianas y biocompatibilidad. En la industria alimentaria, la pulverización de atapulgita es esencial para lograr el tamaño de partícula fino necesario para una adsorción eficaz de toxinas y una mezcla uniforme.
3.8 Materiales de relleno de atapulgita
La singular morfología fibrosa de la atapulgita no solo le confiere las propiedades especiales de los nanomateriales, sino también una excelente capacidad de relleno. Esto la hace aplicable en el refuerzo de polímeros y la fabricación de papel. A diferencia de los rellenos tradicionales como el carbonato de calcio, el caolín y el talco, ampliamente utilizados en la fabricación de papel, la atapulgita fibrosa presenta una mejor compatibilidad con las fibras vegetales. En el procesamiento de plásticos, su rendimiento de relleno es significativamente superior al de otros rellenos inorgánicos. Mejora las propiedades mecánicas, térmicas y de cristalización de los plásticos. Optimizar los parámetros de pulverización de la atapulgita, incluyendo el tiempo y el consumo de energía, es clave para equilibrar los costes de producción y mejorar el rendimiento.
3.9 Materiales de fricción
La resina fenólica (PF), como resina termoestable típica, se utiliza ampliamente en materiales de fricción debido a su alta resistencia térmica, excelentes propiedades mecánicas y buen rendimiento de procesamiento. Sin embargo, la baja tenacidad y el alto coeficiente de fricción de la PF pura limitan sus aplicaciones en la lubricación de sólidos. La modificación de la estructura molecular, el dopaje de partículas de caucho y el refuerzo de fibras pueden optimizar las propiedades tribológicas de los compuestos de PF. Las investigaciones indican que las nanofibras unidimensionales de atapulgita (AT) exhiben un significativo efecto de mejora sinérgica cuando se utilizan en combinación con microfibras de alto módulo (CF, GF) en compuestos de PF. Cuando la atapulgita constituye 20% de la fracción másica, la resistencia a la compresión de los materiales compuestos multinano GF/AT/PF y CF/AT/PF supera los 400 MPa. Esto demuestra una capacidad de carga extremadamente alta.
3.10 Materiales de producción animal y aditivos alimentarios
En la producción animal, la atapulgita puede actuar como adsorbente para capturar metales pesados, micotoxinas, bacterias y toxinas bacterianas, manteniendo así la integridad de la barrera mucosa intestinal. Además, los tratamientos de modificación, tanto inorgánicos como orgánicos, pueden potenciar su actividad biológica, presentando la atapulgita modificada buenas propiedades antibacterianas. Estudios han demostrado que añadir atapulgita al alimento puede mejorar la inmunidad de la mucosa intestinal y las funciones antioxidantes. También puede regular el equilibrio microbiano intestinal, mejorar la morfología de la mucosa intestinal, promover el crecimiento y desarrollo animal y mejorar el rendimiento productivo. La atapulgita también puede mitigar eficazmente el daño inducido por patógenos a la barrera intestinal animal.
Dados sus numerosos beneficios, la atapulgita puede servir como aglutinante de pellets, portador de oligoelementos y adsorbente de metales pesados en los alimentos.
Rendimiento funcional de la atapulgita en piensos
3.11 Aditivos para materiales de baterías de litio
En los últimos años, los investigadores han explorado ampliamente los minerales arcillosos representados por la atapulgita en el sector de las baterías, descubriendo que la atapulgita inhibe el crecimiento de las dendritas de litio, lo que proporciona un nuevo enfoque para la protección de los ánodos de las baterías de metal litio.
Las investigaciones han demostrado que la carga de atapulgita en membranas de fibra puede ser eficaz para la protección del ánodo de baterías de litio metálico. Se ensamblaron baterías simétricas y baterías completas de fosfato de hierro y litio para realizar pruebas electroquímicas. Las investigaciones indican que las membranas de fibra que contienen atapulgita inhiben eficazmente el crecimiento de las dendritas de litio. El voltaje de polarización fue de tan solo 83,2 mV tras 500 horas de ciclos, con una capacidad de deposición de 1 mA·h/cm² y una densidad de corriente de 2 mA/cm². La batería completa con membranas de fibra de atapulgita añadidas mantuvo una capacidad de descarga de 84,92 mA·h/g tras 1000 ciclos a una velocidad de 1 C.
Conclusión
En los últimos años, la singular estructura de varillas y la arquitectura de canales de la atapulgita han atraído la atención para la construcción precisa y específica de nuevos materiales nanofuncionales. Se espera que estos productos satisfagan las demandas de aplicaciones en adsorción, catálisis y materiales compuestos. A medida que se profundiza la investigación fundamental y aplicada, el proceso de aplicación de la atapulgita en aplicaciones nanofuncionales avanzará. Esto promueve el desarrollo de alta gama de materiales funcionales minerales y la mejora continua del valor añadido del producto. Este progreso impulsará la modernización de la cadena industrial de la atapulgita y contribuirá al desarrollo industrial sostenible.
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