1. No category

www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
1
Minerales y sus Aplicaciones
- Presentaciones de un Curso de Mineralogía Aplicada José Fernández Barrenechea
¿Es concebible un mundo sin minerales? – Los minerales y su importancia en la vida cotidiana
No existen formas alternativas de mantener lo que actualmente llamamos civilización sin los minerales.
Pensemos por un instante que sería de nuestra vida cotidiana si eliminásemos los minerales y los
metales que estos contienen: los edificios se vendrían abajo (eliminamos el acero, el cemento), no
podríamos tener acceso a la electricidad (eliminamos los cables de cobre), los coches no se podrían
fabricar (eliminamos el acero, el aluminio, el cobre), las baterías y pilas serían inviables (eliminamos el
plomo, el níquel, el cadmio), los aparatos electrodomésticos no existirían (eliminamos el acero, el
cobre), lo mismo vale para el material científico y médico, y así un largo etc. En este sentido conviene
recordar lo siguiente: que aquello que no se cultiva, proviene de una mina. Saquen ustedes sus propias
conclusiones.
Pensemos además en los usos cotidianos de los llamados minerales industriales. El papel necesita
caolín; para lavar determinados utensilios de cocina, la esponja necesita llevar minerales abrasivos
como el cuarzo; los campos requieren fertilizantes derivados de minerales fosfatados o nitratados; el
cemento requiere calcita para su fabricación; algunas medicinas incorporan minerales; determinados
piensos para animales llevan arcillas; hace falta cuarzo para fabricar vidrio; algunos cosméticos llevan
minerales; y así una larga lista.
Intentaremos en las presentaciones (Temas) que se muestran a continuación, explicar de manera
abreviada algunos de estos usos, sin descuidar los fundamentos teóricos que se encuentran detrás de
éstos. No obstante, estas presentaciones deben ser consideradas básicamente como un guión
expandido y en ningún caso reemplazan la consulta y el estudio de la literatura especializada.
Muchas de las figuras usadas en estas presentaciones están bajadas de la red. Se ha intentado
identificar siempre que ha sido posible la página o la referencia bibliográfica de la que proceden fotos y
figuras. En algunos casos se han incorporado las direcciones http de páginas web que pueden ayudar
a completar información sobre los temas tratados.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
2
Temas

Introducción 3

Muestreo 11

Tratamiento 23

Técnicas de caracterización 37

Minerales utilizados como abrasivos 72

Minerales utilizados en agricultura 95

Minerales utilizados en alimentación 120

Minerales en materiales cerámicos 153

Minerales en la construcción: cementos 180

Minerales en componentes electrónicos y ópticos: el cuarzo 204

Minerales en lodos de sondeo (barros de sondaje) 224

Minerales en el papel 229

Minerales utilizados como pigmentos y extensores 238

Minerales en la industria del vidrio 246

Minerales utilizados como refractarios 263
Para saber más:





Chang LLY (2001) Industrial Mineralogy: materials, processes, and uses. Prentice-Hall, New Jersey, 472 pp.
Harbe, P W & Kuzvart M (1997) Industrial Minerals. A Global Geology Londres. International Minerals Information,
462 pp.
Jones MP (1987) Applied Mineralogy. A Quantitative Approach. Graham & Trotman, Londres. 259 pp.
Lefond SJ (1983) Industrial Minerals and Rocks. 5ª Edición Society of Mining Engineers, Nueva York. Vol. I y II,
1446 pp.
Petruk W (2000) Applied Mineralogy In The Mining Industry. Elsevier, Amsterdam, 268 pp.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
3
Mineralogía aplicada
• Imprescindibles para mantener la actual forma de vida
• Relación entre producción y consumo de minerales
Grado de desarrollo de un país
• Sector en continua evolución: nuevas aplicaciones
• Demanda creciente
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
4
Evolución de la producción de algunos
minerales en España
600000
140000
500000
Toneladas
Toneladas
130000
400000
120000
110000
100000
90000
300000
80000
1995 1996
1997 1998
Caolín
1999 2000
Feldespato
1995
1996
1997
Celestina
1998
1999
Fluorita
Fuente: Ministerio de Economía/IGME
2000
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Algunos términos...
- Recurso natural
- Yacimiento mineral
• Mena (mineral de mena) + ganga
• Mineral industrial
5
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
6
Producción minera (Mpta)
500000
400000
300000
200000
100000
0
1994
1995
1996
1997
1998
Productos energéticos
Minerales metálicos
Comparación entre
productos energéticos,
minerales metálicos y
minerales industriales
en España
Rocas y Minerales industriales
Fuente: IGME, MINER
Número de explotaciones
Producción española de minerales metálicos
4000
5000
3000
Fe (kt)
Cu (kt)
4000
2000
Zn (kt)
3000
1000
Pb (kt)
Au (kg)
2000
0
1994
1995
1996
1997
1998
Productos energéticos
Minerales metálicos
Rocas y Minerales industriales
Fuente: IGME
Ag (kt)
1000
Hg (t)
0
Sn (t)
1994
1995
1996
1997
1998
Fuente: Empresas mineras, ITGE, Estadística minera, Mining Journal
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Algunos términos...
- Recurso natural
- Yacimiento mineral
• Mena (mineral de mena) + ganga
• Mineral industrial
- Elemento metalogénico
• Factor de concentración
7
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
8
Factor de concentración
Al
Fe
Cu
Ni
Zn
Mn
Sn
Cr
Pb
Au
Abundancia
media
cortical
(% peso)
Ley mínima
media de
explotación
(% peso)
Factor de
concentración
8
5
0.005
0.007
0.007
0.09
0.0002
0.01
0.001
0.0000004
30
25
0.4
0.5
4
35
0.5
30
4
0.0001
3.75
5
80
71
571
389
2500
3000
4000
250
Datos de Evans (1987)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
9
Clasificación de los elementos
Por su abundancia:
Mayores (>1%), menores (0,1-1%) y trazas (<0,1%)
•
•
•
•
•
Punto de vista económico (metales):
Metales preciosos: Au, Ag, EGP
Metales no ferrosos: Cu, Pb, Zn, Sn y Al
Hierro y ferroaleaciones:
•Fe, Mn, Ni, Cr, Mo, W, V y Co
Metales menores y no-metales relacionados:
Sb, As, Be, Bi, Cd, Mg, Hg, REE, Se, Ta,
Te,Ti, Zr, etc.
Metales fisionables: U, Th.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
10
Paragénesis y asociación mineral
• La variedad de cualquier asociación mineral está
bastante restringida
a) Distribución y abundancia relativa de los
elementos
b) Reacciones en condiciones de equilibrio
• Reflejo de condiciones de formación
• Asociación mineral
Paragénesis mineral
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
11
MUESTREO DE MATERIALES MINERALÓGICOS
• Evaluación de un yacimiento
análisis:
1.- Técnico: cubicar, caracterizar, etc.
2.- Económico: potencial económico.
3.- Socioeconómico: desarrollo de la región.
Análisis técnico
Estudio de muestras representativas
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
12
Información que proporcionan las muestras
• Composición química global.
• Caracterización mineralógica cualitativa.
• Proporción de los distintos minerales.
• Composición química de las especies minerales.
• Distribución de tamaños de las partículas minerales.
• Presencia de elementos no deseados.
• Zonas con fases que pueden actuar como subproductos.
• Tamaño, forma, composición, y textura de las partículas en
muestras poco consolidadas.
• Variaciones de una parte del depósito a otra.
• Variaciones a lo largo del proceso de tratamiento.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Seleccionar
adecuadamente
13
• Método
• Frecuencia
• Cantidad
La precisión de los resultados no puede ser nunca mejor
que la de los procedimientos de muestreo.
Los errores cometidos durante el muestreo no pueden
corregirse con manipulación estadística.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
14
Selección del método de muestreo:
Consideraciones previas
•Tipos de muestreo: Sistemático vs. Aleatorio
• Tipos de depósitos (Carras, 1987)
Tipo A:
geometría sencilla y distribución de calidades simple.
Tipo B:
geometría sencilla y distribución de calidades compleja.
Tipo C:
geometría y distribución de calidades complejas.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Selección del método de muestreo:
•
•
•
•
•
15
¿Cómo hago el
muestreo?
Ranurado contínuo (channel sampling)
Ranurado discontínuo (chip sampling)
Muestreo en masa (bulk sampling)
Catas y trincheras (pitting and trenching)
Muestreo en sondeos (drill sampling)
- Muestras de testigo continuo, en materiales consolidados
- Sondeo de percusión, en materiales poco consolidados
Otros...
• Muestreo a partir de material ya extraído (grab sampling)
• Plantas de tratamiento
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
16
Ranurado contínuo (channel sampling)
Imagen tomada de: http://www.band-ore.com/GQ-Photos.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
17
• Catas y trincheras (pitting and trenching)
Imágenes tomadas de: http://www.state.tn.us/environment/tdg/gray/Scenes.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Muestreo en sondeos (drill sampling)
18
- Muestras de testigo continuo, en materiales consolidados
Sonda
Rocas con buzamiento
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
19
• Plantas de tratamiento
Cinta
transportadora
para sólidos
Flujo principal de
material
Colector que se mueve a
velocidad uniforme a través
del flujo de pulpa
Caída libre de la pulpa
Sistema de muestreo
secundario
Siguiente operación de
tratamiento
Colector de
muestras fijo
(mal colocado)
Partículas
pequeñas y
ligeras
Partículas
grandes y
pesadas
Entrada de
la pulpa
Modificado de M.P. Jones (1987)
Applied Mineralogy: a quantitative approach
Graham & Trotman
Salida de la pulpa
Partículas
pequeñas y
ligeras
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Frecuencia, o densidad de muestreo:
20
¿Cada cuántos
metros?
Coeficiente de variación
(σ/m).100
Fuente: Bustillo y López Jimeno (1996)
Recursos Minerales
Gráficas Arias Montano S.A
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Cantidad de muestra
21
¿Cuánto?
Regularidad del depósito, concentración
peso de la muestra ↓
Tamaño y peso específico del mineral
peso de la muestra ↑
Fuente: Bustillo y López Jimeno (1996)
Recursos Minerales
Gráficas Arias Montano S.A
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
22
Muestreo secundario
• Separador (riffler)
• Formación de conos
Material depositado
sobre el ápice del
cono: segregación de
partículas por tamaños
torta
Cono aplastado
Cuarteo de la “torta”:
Se descartan cuartos opuestos
Modificado de M.P. Jones (1987)
Applied Mineralogy: a quantitative approach
Graham & Trotman
Determinación de errores
• Operativos
• Estadísticos
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
23
Tratamiento de materiales mineralógicos
Concentrado con características específicas
Objetivo
Proporción mineral
Tamaño de partículas
Impurezas
Grado de humedad,...
• Materiales que pueden aprovecharse en su totalidad.
Rocas ornamentales, arenas para construcción, etc.
• Materiales que contienen minerales industriales.
Asbestos, diamante, yeso, etc.
• Materiales que contienen minerales de mena.
Galena, calcopirita, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
24
Esquema de una planta de tratamiento
Matriz C
Minerales A y B en una
matriz de mineral C
Mineral A
Mineral B
Liberación
Minerales A, B y C casi
completamente liberados
Matriz C
Separación
Residuo
C
A
Producto final
Material no liberado
B
¿Extracción?
(menas)
Modificado de M.P. Jones (1987)
Applied Mineralogy: a quantitative approach
Graham & Trotman
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
25
Liberación de partículas
• Arranque
• Machaqueo y molienda:
• Machacadoras de mandíbulas, molinos de barras, de
bolas, etc.
•Clasificación de los sólidos:
• Cribado
• Rejillas (material más grueso)
• Trómeles
• Cribas o tamices
Ley de Stokes
VT = Velocidad terminal
Ds = Densidad de las partículas
Df = Densidad del fluido
g = Aceleración de la gravedad
d = Diámetro de la partícula
η = Viscosidad del fluido
• Clasificación por vía indirecta
VT = (Ds – Df)gd2/18η
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Separación de componentes
• Medios densos
• Métodos hidráulicos
• Métodos basados en propiedades de superficie
• Métodos eléctricos
• Métodos magnéticos
26
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
27
Separación de componentes
Medios densos
Partículas con distintas densidades
Medio con densidad
intermedia
1.- Compuestos orgánicos con halogenuros (bromoformo, etc.)
2.- Soluciones acuosas de sales muy densas (sales de talio, etc.)
3.- Soluciones acuosas de sólidos finos (cuarzo, magnetita, etc.)
Los dos primeros
muy contaminantes
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
28
Separación de componentes
Medios densos
Superficie del líquido
Partículas que flotan (densidad
menor que el líquido)
Partículas en suspensión (densidad
igual que el líquido)
Partículas que se hunden
(densidad mayor que el líquido)
Papel de filtro nº 2:
partículas que flotan
Papel de filtro nº 1: partículas en
suspensión y hundidas
Líquido denso filtrado y listo para
su reutilización
Modificado de M.P. Jones (1987)
Applied Mineralogy: a quantitative approach
Graham & Trotman
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
29
Separación de componentes
Métodos hidráulicos
• Minerales con grandes diferencias
de densidad
Aire
Película de agua
Criterio de concentración:
Base sólida
Flujo de agua Punto de partida
C.c. = (Dh –Df)/(Dl –Df)
Dh = Densidad del mineral más denso
Dl = Densidad del mineral No
másafecta
ligeroel
Partículas
muy grandes
Df = pesadas
Densidad
fluido flujo de agua
Partículas
muydel
finas
Partículas finas pesadas y aplastadas
Partículas gruesas pesadas
sencilla.
Partículas finas ligeras
C.c. > 2,5 separación
C.c. < 1,25 No recomendable.
Partículas finas pesadas
La densidad del fluido no debe superar nunca la del mineral
Partículas ligeras muy pequeñas
menos denso.
en suspensión
Modificado de M.P. Jones (1987)
Applied Mineralogy: a quantitative approach
Graham & Trotman
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
30
Separación de componentes
Métodos hidráulicos (II)
Mesa de sacudidas
Fuente: Bustillo y López Jimeno (1996)
Recursos Minerales
Gráficas Arias Montano S.A.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
31
Separación de componentes
Métodos basados en propiedades de superficie:
Separación por flotación
• Minerales hidrófilos
fuerte afinidad por el agua
• Minerales hidrófobos
repelen el agua (grafito, molibdenita)
• Determinados minerales (sulfuros)
• Factor fundamental
hidrófobos (productos químicos)
Tamaño de partícula (< 0,5 mm)
Sustancias que intervienen en el proceso:
• Colectores: sustancias orgánicas (xantatos, oleatos, etc.)
• Depresores: evitan que una fase responda al colector
Cianuros
deprimen esfalerita
concentrados de Cu
• Activadores: provocan la susceptibilidad de una fase al colector
Esfalerita
sulfatos de Cu
sulfuros de Cu
• Espumantes: aumentan la duración de las burbujas en el agua
Xantatos
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
32
Métodos basados en propiedades de superficie:
Separación por flotación
Fuente: Bustillo y López Jimeno (1996)
Recursos Minerales
Gráficas Arias Montano S.A.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
33
Separación de componentes
Métodos eléctricos
• Sólo para ciertos minerales (óxidos de hierro)
Propiedades de la partícula
Intensidad del campo aplicado
• La fuerza de atracción
Separación electrodinámica: Conductividad de superficie de los minerales
Electrodo
ionizante
Electrodo
Electrodo
estático
No conductores Conductores
Inducción
No conductores Mezcla
Conductores
Bombardeo iónico
Fuente: Bustillo y López Jimeno (1996)
Recursos Minerales
Gráficas Arias Montano S.A.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
34
Separación de componentes
Métodos magnéticos
Separación magnética: susceptibilidades magnéticas de los minerales
(diamagnéticos, paramagnéticos, ferrimagnéticos)
SEPARACIÓN EFICICAZ DEL HIERRO DE UN MATERIAL
NO FERROSO
POLEA MAGNÉTICA
MATERIAL CONTAMINADO
MATERIAL LIMPIO
MATERIAL ATRAPADO
Modificado de: http://www.aamag.com/magpully.htm
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Secado de la pulpa
Espesadores:
Fuente: Bustillo y López Jimeno (1996)
Recursos Minerales
Gráficas Arias Montano S.A.
35
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
36
Secado de la pulpa
Fuente: Bustillo y López Jimeno (1996)
Recursos Minerales
Gráficas Arias Montano S.A.
Filtradores
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Técnicas de caracterización
• Microscopio de luz trasmitida y reflejada
• Difracción de rayos X (DRX)
• Fluorescencia de rayos X (FRX)
• Microscopio electrónico de barrido (SEM)
• Microscopio electrónico de transmisión (TEM)
• Microsonda electrónica (EPMA)
• Otras...
37
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
38
• Difracción de rayos X
Imagen tomada de: http://www.xtal.iqfr.csic.es/Cristalografia/parte_02.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
39
Algunas características de los rayos X...
• Se propagan en línea recta, ionizan gases, impresionan
películas fotográficas, gran poder de penetración.
• Las longitudes de onda de los rayos X son comparables con
las distancias interatómicas en los cristales.
• Los cristales: rejillas naturales de difracción
• Identificación de fases minerales y determinación de su
estructura.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Producción de rayos X
Cátodo (W)
Ánodo (Cu)
(+)
(-)
electrones
Rayos - X
40
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
41
Producción de rayos X
VENTANA DE
BERILIO
FILAMENTO DE
WOLFRAMIO
VIDRIO
ELECTRONES
AGUA
AL TRANSFORMADOR
ÁNODO
RAYOS X
VACÍO
SECCIÓN ESQUEMÁTICA DE UN TUBO DE RAYOS X
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
42
Espectro de emisión de rayos X
Espectro continuo:
• Pérdida de E resultado
de la colisión.
• Depende de la energía
del haz de electrones
que incide.
Intensidad
• A mayor Z del ánodo,
mayor intensidad.
Longitud de onda
Modificado de: http://www.gly.uga.edu/schroeder/geol6550/CM03.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
43
Espectro de emisión de rayos X
• Espectro característico
Electrón incidente
Intensidad
Electrón desplazado de la capa K
Núcleo
Capa K
Capa L
Capa M
Transiciones electrónicas
Longitud de onda Å
L
→
K
radiación Kα
M
→
K
radiación Kβ
Modificado de: http://www.gly.uga.edu/schroeder/geol6550/CM03.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
44
Espectro de absorción de rayos X
La disminución de intensidad de los rayos X al atravesar una sustancia:
µ: coeficiente de absorción lineal
t: espesor del cuerpo atravesado
Absorción relativa
Intensidad de absorción relativa
I = Ioe-µt
I: intensidad final
Io: intensidad del rayo incidente
µ es proporcional a la densidad ( ρ), luego la relación µ/ρ (µ*)
Salto de
Radiación de
es una constante para cada conjunto
de
elementos,
absorción
Mo no
filtrada
independientemente de
su estado
e(-µ/ρ) ρt
I = Io
Curva de
absorción
I = Ioe-(µ* ) ρt
Curva de radiación
de Mo filtrada
µ* = Coeficiente de absorción másico
Modificado de: http://www.gly.uga.edu/schroeder/geol6550/CM03.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
45
Difracción de rayos X por una fila reticular...
Figura de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
46
Difracción de rayos X por una fila reticular...
Ecuación de Laue:
c (cos ν-cos φ) = nλ
c = distancia interatómica
ν= ángulo de incidencia
φ = ángulo del haz difractado
n = número entero (orden de la difracción)
λ = longitud de onda del haz de rayos X
Figuras de Klein y Hurlbut (2002) Manual de Mineralogía, John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
47
Difracción de rayos X por una red tridimensional...
Ecuaciones de Laue:
a (cos α’-cos α) = hλ
b (cos β’-cos β) = kλ
c (cos γ’-cos γ) = lλ
Figura de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
48
Ley de Bragg
nλ=2d senθ
n es el “orden”
en fase
en fase
Y
x
θ
θ
θ
d
A
C
B
Modificada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Método de Laue
• Clase de radiación: policromática
• Características de la muestra: monocristal estacionario
• La ecuación de Bragg se cumple simultáneamente para
varias direcciones
• Bueno para simetría. Pobre para análisis (distorsión).
Película
fotográfica
Cristal
Haz de
Rayos X
Modificado de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
49
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Método de precesión
(Weissemberg, Buerguer,...)
• Clase de radiación: monocromática
• Características de la muestra: monocristal giratorio
• Movimiento de cristal y película para satisfacer la
ecuación de Bragg para distintos planos.
Figura de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
50
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Método de polvo policristalino
51
(Debye-Scherrer)
• Clase de radiación: monocromática
• Características de la muestra: polvo policristalino
• Están presentes todas las orientaciones posibles de
los cristales, luego sólo es preciso variar θ.
• Es el más sencillo, y el más utilizado para identificar
minerales (mezclas complejas, etc.)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
52
FLUORESCENCIA DE RAYOS X
• Fuente de energía: Rayos X (radiación policromática)
• Rayos X secundarios.
Fotoelectrón
Rayos X
o
Radiación
procedente
del tubo de
rayos X
Rayos X
Modificado de http://www.amptek.com/pdf/xrf.pdf
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Ley de Bragg:
• Cristal difractor
→
53
nλ=2d senθ
espaciado y orientación conocidas
• Composición química global, no mineralógica
Detector de rayos X
Tubo de rayos X
Lectura electrónica
y sistema de
control del
ordenador
Colimador
Rayos X de
excitación
(primarios)
Trayectoria de
los rayos X
Ángulo 2θ
Muestra de
análisis
Rayos X característicos,
de fluorescencia
(secundarios)
Colimador
Cristal difractor
Modificado de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
54
Composición química global:
• Técnica macroanalítica
• Espectro característica de cada elemento presente
• Cuantificación
→
empleo de patrones
• Preparación de las muestras. Precauciones
• Limitaciones: elementos con Z > 5 (efectos de absorción y
dificultad para encontrar cristales con grandes espaciados)
Im/Ip = K (Cm/Cp)
Im = Intensidad de una línea característica (λ) de la
muestra problema
Ip = Intensidad de la misma línea característica (λ)
en el patrón
Cm = Concentración del elemento específico en la
muestra problema
Cp = Concentración del mismo elemento en el patrón.
K = Factor de corrección que tiene en cuenta los
efectos matriciales, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Cuentas por segundo
Espectro de fluorescencia de rayos X
Energía (KeV)
55
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
56
MICROSONDA ELECTRÓNICA (EPMA)
• Fuente de energía → haz de electrones de alta
energía enfocado en un área de 1-2 µm2.
• Microanálisis de un volumen de material muy
reducido → composición química, no mineralógica.
• Espectros de emisión → identificar los elementos
presentes.
• Intensidades relativas de las líneas espectrales →
proporción de cada elemento.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
57
Columna del dispositivo electrónico-óptico
Cañón de electrones (filamento de W)
Apertura inicial
Primera lente condensadora
Apertura final
Segunda lente condensadora
Lente final
Muestra
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
58
Haz de electrones estacionario...
Haz de electrones
de enfoque fino
Rayos X que se
analizan mediante
un espectrómetro
Superficie pulida
de la muestra a
analizar
1 µm
Volumen analizado
(10 a 20 µm3)
Modificado de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
59
MICROSONDA ELECTRÓNICA (EPMA)
Cuentas por segundo
• Fuente de energía → haz de electrones de alta
energía enfocado en un área de 1-2 µm2.
• Microanálisis de un volumen de material muy
reducido → composición química, no mineralógica.
Energía (KeV)
Im = Intensidad de una línea característica (λ) de la
→ identificar los elementos
• Espectros de emisión
muestra problema
Ip = Intensidad de la misma línea característica (λ)
presentes.
en el patrón
Im/Ip = K (Cm/Cp) Cm = Concentración del elemento específico en la
muestra problema
• Intensidades relativas
de las líneas espectrales →
Cp = Concentración del mismo elemento en el patrón.
proporción de cada
K = elemento.
Factor de corrección que tiene en cuenta los
efectos matriciales, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
60
Haz de electrones en movimiento...
Haz de electrones
Electrones retrodispersados
(Back-scattered electron, BSE)
Electrones
secundarios
Electrones “Auger”
Electrones
retrodispersados
Rayos X
característicos
• Área: 4 µm2 a 3 mm2
• Información sobre:
1) la topografía de la superficie de
la muestra;
2) el número atómico medio (Z) del
material irradiado.
Generación
primaria de Rayos
X característicos
• Señal → modular el brillo de un
osciloscopio → imagen.
Generación
secundaria de
Rayos X
característicos
• Limitaciones → distintos minerales
pueden presentar el mismo Z medio.
Resolución espacial
de Rayos X
primarios
Modificado de M.P. Jones (1987)
Applied Mineralogy: a quantitative approach
Graham & Trotman
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
61
Mica
Cor
Chl
Chl
Imagen de electrones retrodispersados (BSE) en una muestra arcillosa en materiales del Cretácico
inferior de la Cuenca de Cameros (NE España)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Mapas de rayos X
62
Distribución de elementos
Imagen tomada de http://www.brookes.ac.uk/geology/sem/sem1.html
Mapa de rayos X de una arenisca, con la distribución de C, Si y Ca
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
63
Imagen tomada de http://www.brookes.ac.uk/geology/sem/sem1.html
Mapa de rayos X de un granate zonado del Complejo de Lizard, Cornwall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Preparación de la muestra para microsonda
• Láminas delgadas muy bien pulidas.
• Es preciso “metalizar” en vacío → conducir electrones a tierra
• Película de carbono de 100-150 Å de espesor → aumenta la
conductividad y reduce calentamiento.
Si deseas completar tu información sobre estas técnicas puedes visitar, entre otras, las páginas:
http://epmalab.uoregon.edu/epmatext.htm#technique
http://jan.ucc.nau.edu/~wittke/Microprobe/Course%20Overview.html
http://www.geology.wisc.edu/~johnf/660.html
64
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
65
Microscopio electrónico de barrido (SEM)
•
BSE
→ Interesa destacar la topografía frente a composición.
Resolución del orden de 100 Å
•
Electrones secundarios (SE):
Liberados por la muestra al incidir el haz de electrones.
Energía mucho más baja que los BSE.
Resolución similar al diámetro del haz
Cuanto menor es el ángulo entre la superficie y el haz, mayor es
la señal de los SE
Las muestras se metalizan con una película de Au.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
66
Microscopio electrónico de barrido (SEM)
Haz de
electrones
Detector
Instensidad
Electrones
secundarios
Muestra
Electrones
secundarios
Electrones
retrodispersados
E (eV)
Modificado de M.P. Jones (1987)
Applied Mineralogy: a quantitative approach
Graham & Trotman
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
67
Cristal de cloritoide en una matriz illítica visto al microscopio electrónico de barrido. Pizarras de bajo grado
metamórfico de la Cuenca de Cameros (NE España)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
68
Microscopio electrónico de Transmisión (TEM)
• Sistema de iluminación → haz de electrones enfocados
• Sistema de ampliación de la imagen transmitida
• Sistema de transformación en una pantalla
fluorescente o en una película fotográfica
• Suele llevar asociado un dispositivo de microanálisis
• Permite realizar difracción de electrones
• Muestras: Suspensiones finas, o bien adelgazador
iónico
Microscopio electrónico de Transmisión (HRTEM)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
69
88º
a = 18,2 Å
b = 8,8 Å
Imagen HRTEM de una sección a-b de enstatita. Las zonas en blanco corresponden a los huecos M2 en la
estructura. (Buseck y Lijima, 1974).
Tomado de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
70
123º
a = 9,8 Å
b = 18,0 Å
Imagen HRTEM de una sección a-b de hornblenda. Las zonas en blanco corresponden a los huecos A en la
estructura. (Buseck y Lijima, 1974).
Tomado de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
71
Microscopio electrónico de Transmisión (HRTEM)
Imagen al microscopio electrónico de transmisión de cloritas (CH), moscovitas (MS) e interestratificados mica/clorita (ML) en
metaclastitas de muy bajo grado del Complejo Maláguide de las Cordilleras Béticas (Ruiz Cruz, 2001)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Abrasivos
72
•Valor abrasivo
- Dureza:
Escala de Mohs → poco precisa
Método de Knoop → mide las indentaciones producidas con un
diamante en el material.
- Tenacidad: materiales duros pueden ser muy frágiles
- Forma de los granos: Determina la densidad global del abrasivo.
Granos equidimensionales → strong-shaped
Granos aplastados o irregulares → weak-shaped.
- Tamaño de los granos:
Factor esencial en abrasivos para pulimento, etc.
Velocidad de enfriamiento en sustancias artificiales.
Dureza absoluta
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Di
73
te
n
a
m
a
C
dó
n
i
or
n
p
To
io
c
a
zo
r
a
Cu
O
os
t
r
a
Escala de Mohs
a
t
ito
i
t
r
ita so
a
o
c
l
u
a
Ap
Fl
C
Ye
co
l
Ta
Metales
Carburo
cementado
Ingeniería
cerámica
Nitruro de boro cúbico
Carburo de boro
Carburo de silicio
Alúmina
Acero
Hierro de fundición
Diamante
Dureza de Knoop
74
Diamante cementado
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Materiales
superduros
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Por el modo en que son utilizados...
75
• Abrasivos no aglutinados: arenas silíceas, corindón, granate,
alúmina fundida y carburo de silicio (dureza > 7).
• Abrasivos aglutinados: dimensiones muy controladas.
• Ruedas de material vitrificado → vitrocerámica fabricada con
arcilla y feldespato.
• Silicatos → reducir el calor producido por la fricción → muelas
para afilar cuchillos, etc.
• Gomas → borradores de lápiz o tinta.
• Resinas endurecidas → para pulir metales de fundición.
• Abrasivos revestidos: Tres elementos: el grano abrasivo, la base
(papel o tejido), y el ligante (resinas sintéticas).
Imprescindible clasificar el material.
• Granos y polvos para jabones, limpiadores y pulimento.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
76
Granos
minerales
Huecos
que actúan
entre
como
minerales
dientes de
que
Revestimiento
sierra
conforman
el filo
Base
Ligante o
aglutinante
Imagen tomada de http://www.taunton.com/finewoodworking/ media/w00006_08.jpg
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
77
Enlace covalente en el diamante
Orbitales híbridos
Carbono: ↑↓ | ↑↓ | ↑
1s
2s
↑
2p
Modificada de F.D. Bloss
Crystallography and crystal chemistry
Mineralogical Society of America
Fig 8-8 of Bloss, Crystallography and
Crystal Chemistry. © MSA
o 28’
C-C-C angle
Angulo
C-C-C==109
109º28’
→ ↑↓ | ↑ ↑ ↑ ↑
1s
2(sp3)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
78
Exfoliación preferente según (111) en el diamante
(1
11
(1
11
)
)
Modificada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Metaestabilidad del diamante...
Diamante
Grafito
79
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
80
Tipos de transformaciones polimórficas…
Reconstructivas:
•
•
•
•
Fases con gran diferencia de energía libre
Precisan rotura de enlaces ⇒ mucha E
Son irreversibles
Metaestabilidad
Desplazativas:
• Fases con pequeña diferencia de energía libre
• Precisan cambio en ángulo de enlace ⇒ poca E
• Son reversibles
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
81
Transformaciones polimórficas reconstructivas…
Tomada de: http://www.whitman.edu/geology/winter/
Tomada de: http://www.electronics-cooling.com/html/2001_august_techbrief.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Transformaciones polimórficas desplazativas…
http://www.geo.arizona.edu/xtal/movies/crystal_movies.html
82
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
83
KIMBERLITAS: CARACTERÍSTICAS
- Emplazamiento en cratones.
- Xenolitos de eclogitas y peridotitas granatíferas.
- Profundidad de formación: 200 km (manto).
- Alto contenido en CO2 bajo presión → violenta desgasificación
→ emplazamiento explosivo y muy rápido.
- Diamantes: se forman a unos 1200ºC y 3.5 GPa.
- Kimberlitas → transportan diamantes hasta zonas más
superficiales. Los diamantes no se forman en el magma.
- Leyes muy bajas (a veces < 1 quilate/ton).
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
84
EVOLUCIÓN DE UNA PIPA DE
KIMBERLITAS
Cratón estable Fracturación Intrusión
explosiva
Final
idealizado
Modificado de: http://www.mountainprovince.com/1.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
85
Imagen tomada de http://web.uct.ac.za/depts/geolsci/dlr/hon98ft.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
86
Imágenes tomadas de http://web.uct.ac.za/depts/geolsci/dlr/hon98ft.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Flujo de agua
87
Flujo de agua
Placer
Placer
YACIMIENTOS
TIPO PLACER
Tras las rocas estratificadas
En cavidades de la roca
Minerales densos,
duros, y resistentes
Placer
a la alteración
Placer
química y física
Bajo cataratas
En los meandros
Nivel del mar
Corriente
predominante
Placer
Placer
Donde confluye un afluente
Tras ondulaciones en fondos oceánicos
Modificada de: http://www.usd.edu/esci/figures/bluePlanet.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
88
Mineralogía de las bauxitas
• Principal mena de aluminio (90% de la producción), y fuente
de Al2O3 (10%) → cerámica, refractarios, abrasivos, etc.
Gibbsita
γ Al(OH)3
Enlace entre capas por puente de H
Boehmita γ (AlOOH)
Oxígeno en empaquetado cúbico
Diásporo α (AlOOH)
Oxígeno en empaquetado hexagonal
Se diferencian habitualmente mediante difracción de rayos X
• Minerales asociados
Óxidos y sulfuros de Fe, cuarzo,
caolinita, halloysita, TiO2
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Propiedades de los hidróxidos de aluminio
89
(Hose, 1963)
Mineral
Gibbsita
Boehmita
Diásporo
Fórmula química
Al2O3 %
H 2O %
Al2O3.3H2O
65,4
34,6
Al2O3.H2O
85,0
15,0
Al2O3.3H2O
85,0
15,0
Cristalografía
Monoclínico
Rómbico
Rómbico
Índice de refracción
1,56-1,58
1,64-1,65
1,68-1,71
Blanco, gris
Blanco
Perfecta (001)
Perfecta (010)
Incoloro,
amarillo, pardo
Perfecta (010)
Dureza (Mohs)
2½-3½
3¼-4
6½-7
Peso específico
2,4
3,1
3,3-3,5
Color
Exfoliación
Modificado de L.L.Y. Chang (2001)
Industrial Mineralogy
Prentice-Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
90
Boehmita
Gibbsita
Diásporo
Tomada de http://www.gly.uga.edu/schroeder/geol6550/CM06.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
91
Bauxitas
• Presentes en todos los continentes, salvo en la Antártida.
• Depósitos residuales, resultado de intensa meteorización de
rocas ricas en Al2O3, mediante solución y eliminación del resto
de elementos (K2O, Na2O, CaO, MgO, SiO2).
• Alta permeabilidad
• Clima tropical (estación húmeda y seca)
• Topografía moderada
• Baja tasa de erosión
Bauxitas lateríticas
Dos tipos
Bauxitas en karst
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
92
Bauxitas en karst
granulometría
Bauxitas primarias
(lateritas)
Bauxitas secundarias
(pisolíticas)
http://cache.accessarkansas.org/agc/bauxite.jpg
Textura
pisolítica
Macizo
Central
francés
Imagen tomada de: http://christian.nicollet.free.fr/page/MontagneNoire/MontagneNoire.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
93
Extracción y procesado:
• La mayoría de los depósitos tienen una concentración aceptable.
• Tratamiento sencillo para eliminar impurezas (machaqueo y lavado).
Para eliminar Fe2O3 se emplean líquidos densos, o separación magnética.
Tipos de alúmina abrasiva
• Alúmina fundida parda: 94 a 96% Al2O3
Bauxita (82% Al2O3, 8% SiO2, 8% Fe2O3, 4% TiO2) calcinada junto con
carbón (coke) y varillas de hierro.
Impurezas de Fe y Si reducidas y aglutinadas con las varillas de hierro
Pasta de ferrosilicio que va al fondo del horno
Separación magnética
• Alúmina fundida blanca: >99.5% Al2O3
Fusión directa de alúmina producida en el proceso Bayer
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Proceso Bayer
94
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
95
Minerales utilizados en agricultura
Nutrientes esenciales
- Primarios: N, P, K
- Secundarios: Ca, Mg, S
- Micronutrientes: B, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo, Cl
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
96
Minerales utilizados en agricultura
Imágenes tomadas de: http://www.mii.org/commonminerals.html#pot
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
97
Nutrientes primarios en fertilizantes
Fosfatos (P)
• El fósforo es esencial para
desarrollo de los seres vivos.
el
Aumento de la población mundial
Mayor producción de alimentos
Fertilizantes artificiales
(fosfatos, potasas, nitratos, azufre)
• Rocas ígneas (0.4% P2O5)
• Rocas sedimentarias (0.04% P2O5).
Imagen tomada de: http://www.mii.org/commonminerals.html#pot
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
98
Ciclo geoquímico del fósforo
P2O5
Sienitas nefelínicas,
carbonatitas, rocas
ultramáficas.
Oxidación + acción bacteriana
Circulación lenta de las aguas
en fondos oceánicos
Incorporación del P en
los sedimentos
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
99
Tipos más frecuentes en la naturaleza
• Hidroxifluorapatito Ca5(PO4)3(F,OH) en depósitos ígneos.
• Francolita, Ca5(PO4, CO3, OH)3(F,OH) en sedimentos marinos.
Figura de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
Figura de W.D. Nesse (2002)
Introduction to Mineralogy
Oxford University Press
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
100
Francolita, Ca5(PO4, CO3, OH)3(F,OH)
Composición y propiedades no bien conocidas por:
- Cristales submicroscópicos de composición poco homogénea.
- Su estructura, muy abierta, admite gran cantidad de sustituciones.
Ión constituyente
Iones substituyentes
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
101
Tipos de depósitos de rocas fosfatadas
Depósitos ígneos
- 20 % de la producción mundial.
- Rocas plutónicas alcalinas (sienitas nefelínicas, carbonatitas, complejos
ultrabásicos alcalinos).
- Venas y cuerpos mineralizados de magnetita.
- El apatito se concentra por decantación dentro de la cámara magmática.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
102
Tipos de depósitos de rocas fosfatadas
Depósitos ígneos
Macizo de Khibiny (Península de Kola, Rusia),
Tomado de: http://www.unites.uqam.ca/~sct/gitologie/mjg3.htm
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
103
Tipos de depósitos de rocas fosfatadas
Depósitos sedimentarios
Depósitos sedimentarios marinos:
- Más del 80 % de la producción mundial (francolita).
- Pellets de tamaño variable (0,25 a 0,35 mm), formados
originalmente por aragonito.
- Contienen cuarzo, arcilla, kerógeno, y pirita framboidal.
- Espesor: pocos centímetros a decenas de metros
- Pueden extenderse varios km lateralmente.
- El contenido en P2O5: hasta 35 %
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
104
Formación de fosforitas
Hipótesis genética (Cooke, 1976)
“Blooms”
orgánicos
Fondos
anóxicos
Aguas intersticiales ricas en P:
• Fosforización
• Precipitación directa
Fosfatización
Corrientes
Reelaboración
Concentración
Nivel del mar
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Fosforitas de Fontanarejos (Cáceres, España)
105
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Aspectos de detalle de fosforitas de Fontanarejos (Cáceres, España)
106
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
107
Criterios de prospección de fosforitas
• Búsqueda de áreas de sedimentación marina.
• Buscar niveles de chert, y "black shales".
• Buscar lechos de fosforita o suelos residuales
fosfáticos, asociados con niveles de calizas o dolomías.
• Determinar el espesor, grado, y el nivel de alteración.
• Entre 0,001 % y 0,02 % de U3O8
• Sondeos en áreas favorables.
• Localización de capas guía.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Depósitos sedimentarios
Guano
• En cuevas:
Calizas y dolomías, y un clima
húmedo y cálido. Excrementos
de murciélagos.
• Guano insular:
2 % de la producción mundial.
Fosfatización secundaria del
lecho rocoso
Isla de Pascua (Chile), más de
200 Mt de reservas.
108
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
109
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
110
Consideraciones económicas
Las rocas fosfatadas tienen precios reducidos
• Explotaciones a cielo abierto.
• Operar con grandes volúmenes de roca.
• Grandes cantidades de agua a bajo precio para
el proceso de beneficiado.
• Transporte barato a los mercados.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
111
Términos comerciales
Phosphate rock (Roca fosfatada): Roca con P2O5 > 20 %.
Fosforita: Depósito de origen sedimentario, y que tiene interés
económico.
Grado de roca fosfatada: el contenido en fosfato cálcico se expresa,
según los distintos países, por alguna de las siguientes relaciones:
Bone Phosphate of Lime (BPL): Herencia histórica.
% TPL (Trifosfato de lima)
% P2O5 (Pentóxido de fósforo)
% P (Poco empleado habitualmente)
La relación entre estos parámetros puede expresarse como:
80 % BPL = 80 % TPL = 36,66 % P2O5 = 16 % P
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
112
Procesado de rocas fosfatadas
Tratamiento por acidificación:
- Ácido sulfúrico: superfosfato normal, concentrado, y ácido fosfórico
- Ácido nítrico: fertilizantes de fosfato nítrico.
- Ácido clorhídrico (poco empleado).
Factores: facilidad para ser tamizado, reactividad en ácido, impurezas:
- Fluorapatito: más denso, y menos reactivo que la francolita.
- Impurezas: CaO (aumenta la cantidad de SO4H2 precisa), cloruros
(corrosión de los equipos), MgO (aumenta el índice de viscosidad del ácido
superfosfórico), hidrocarburos, óxidos de Fe y Al, etc.
Tratamiento en horno eléctrico: Produce P elemental.
- Atmósfera reductora
Tratamiento físico sencillo:
P (vapor)
rociado con vapor de agua
- Tamizado fino para fertilizante por aplicación directa a suelos ácidos.
- Eliminación de impurezas mediante calentamiento.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
113
Algunos datos sobre producción...
- La cantidad de fosfatos producidos al año (150 Mt) es similar a la
de sal, y casi tres veces la de sulfuros.
- Países productores: China, EEUU, Rusia, y Marruecos
- Especificación de grado del fertilizante: (N,P,K)
Subproductos
Yeso: 1,5 t de yeso por tonelada de roca tratada. No tiene
mercado definido.
Uranio: Cerca del 10 % de la producción de uranio deriva de
plantas de tratamiento de fosfatos.
Fluoruros: Los depósitos de fosfato son las mayores fuentes
conocidas de fluor, que se recupera en el proceso de tratamiento.
Otros: Vanadio, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Nutrientes primarios en fertilizantes
114
Nitratos (N)
• Nitratina (NaNO3) → nitrato de Chile:
isoestructural con la calcita (CaCO3).
Elevada solubilidad → regiones áridas y
desérticas
• Nitro (KNO3) → isoestructural con el
aragonito (CaCO3).
Relación con descomposición de materia
orgánica
• La mayoría del N de fertilizantes →
fijación de N atmosférico.
Imagen tomada de: http://www.mii.org/commonminerals.html#pot
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
115
Nutrientes primarios en fertilizantes
Potasio (K)
• Silvita (KCl) → isoestructural con la
halita (NaCl).
• Silvinita → intercrecimiento de halita y
silvita.
http://www.gly.uga.edu/schroeder/geol3010/sylvite.gif
• Carnalita (KCl.MgCl2.6H2O) → rómbica
• Sulfatos potásicos (Kainita, langbeinita)
Imagen tomada de: http://www.mii.org/commonminerals.html#pot
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
116
Yacimientos de sedimentación química: evaporitas
Etapas:
1) Euxínica. Circulación restringida
(lagunas saladas, cuencas marinas
confinadas, etc.). Ambiente reductor:
condiciones anaerobias.
2) Evaporítica.
Intensa evaporación → precipitación.
Saturación en compuestos por orden
creciente de solubilidad: carbonato cálcico,
sulfato cálcico, cloruro sódico, sales
potásicas y magnésicas. Potencia limitada:
1,5% de la columna de agua.
Grandes yacimientos: aportes repetidos de
aguas marinas.
3) Colmatación de la cuenca. Cambios
post-deposicionales. Disolución,
deformación: brechificación y
diapirismo.
http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/YM8.html#T08EMar
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Procesado de sales potásicas
Separación de halita y silvita:
• Por flotación:
Espumante → aceite de pino
Colector → amina
• Por disolución:
KCl más soluble que NaCl si la T>66ºC
117
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
118
Nutrientes secundarios en fertilizantes:
Calcio:
Elevar el pH de los suelos → añadiendo caliza.
Aumenta la disponibilidad nutrientes como el P.
Se reduce la de micronutrientes como B, Mn, Fe, Cu,...
Alto
Disponibilidad
Disponibilidad de P
para las plantas
Alto
Medio
Rango
óptimo
de pH
Disponibilidad de
micronutrientes
para las plantas
Medio
Bajo
Bajo
5.0
6.0
7.0
Nivel de pH
8.0
5.0
Modificado de S.J. Lefond (1983)
Industrial Minerals and rocks
Society of Mining Engineers
6.0
7.0
Nivel de pH
8.0
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
119
Micronutrientes en fertilizantes
• Boro: a partir del bórax (Na2B4O7.10H2O), y la
colemanita (Ca2B6O11.5H2O).
• Hierro
y
Manganeso:
Se
incorporan
en
los
fertilizantes fosfatados en cantidades suficientes.
Se extraen de óxidos e hidróxidos.
• Cobre,
Zinc,
y
Molibdeno:
se
añaden
como
sulfatos, óxidos, o molibdatos (sódico). Se extraen a
partir
de
sulfuros
como
esfalerita, molibdenita, etc.
calcopirita,
calcosina,
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Minerales en la industria de la alimentación
120
Minerales nutricionales
• Las calizas (y conchas de ostras trituradas) → Ca a
las aves → endurece la cáscara de los huevos, refuerza
los huesos, etc.
• Los fosfatos → eliminar F, As → “food-grade”
• Magnesitas, sulfuros (de Cu o Zn) → óxidos o
sulfatos para la dieta de ganado porcino, o de
explotaciones avícolas.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
121
Minerales nutricionales
Halita
• Fuente de sodio, preservación de alimentos, aportar sabor, etc.
• Rocas evaporíticas → minas subterráneas → fluidos acuosos a
alta temperatura, y extracción por bombeo de la salmuera.
• Salinas.
• Principal problema → presencia de impurezas → 1 ppm de As y
<4 ppm de Pb, <0.010% de Fe y I, y <2% de Ca y Mg (sulfato
cálcico y magnésico) → productos químicos.
• Consumo humano: cristalización en vacío: >99,95% de pureza.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
122
Minerales no nutricionales
Esmectitas, sepiolita/palygorskita, zeolitas
- Minerales que no aportan nutrientes, pero que
gracias a sus propiedades físico-químicas mejoran la
asimilación, presentación, manejo, etc. del alimento.
Deben ser inertes, no tóxicos, y presentar una serie
de propiedades como capacidad de absorción de
agua, de intercambio iónico, propiedades
coloidales,...
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
123
Filosilicatos
• Tetraedros SiO4 polimerizados en láminas bidimensionales [Si2O5]
• Oxígenos apicales compartidos con capas octaédricas.
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
124
Filosilicatos
• Capas tetraédricas enlazadas a capas octaédricas.
• Grupos (OH) en el centro de los anillos de tetraedros.
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
125
Filosilicatos
Capas octaédricas: analogía con los hidróxidos:
• Brucita: Mg (OH)2
c
• Capas trioctaédricas con
Mg2+ en coordinación con (OH)
• Enlace entre capas por
fuerzas de Van der Waals.
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
126
Filosilicatos
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
• Gibbsita: Al (OH)3
• Capas dioctaédricas con Al3+ en coordinación con (OH)
• Sólo se ocupan 2/3 de los huecos octaédricos.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
127
Filosilicatos 1:1 (T-O)
= (OH)
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
Serpentina: Mg3 [Si2O5] (OH)4
Capas trioctaédricas (Mg2+)
Enlace débil entre láminas T-O (van der Waals)
T
O
- vdw
T
O
- vdw
T
O
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
128
Filosilicatos 1:1 (T-O)
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
= (OH)
Caolinita: Al2 [Si2O5] (OH)4
Capas dioctaédricas (Al3+)
Enlace débil entre láminas T-O (van der Waals)
T
O
- vdw
T
O
- vdw
T
O
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
129
Filosilicatos 2:1
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
= (OH)
Pirofilita: Al2 [Si4O10] (OH)2
Capa dioctaédrica (Al3+) entre dos tetraédricas
Enlace débil (van der Waals) entre láminas T-O-T
T
O
T
- vdw
T
O
T
- vdw
T
O
T
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
130
Filosilicatos 2:1
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
= (OH)
Talco: Mg3 [Si4O10] (OH)2
Capa trioctaédrica (Mg2+) entre dos tetraédricas
Enlace débil (van der Waals) entre láminas T-O-T
T
O
T
- vdw
T
O
T
- vdw
T
O
T
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Filosilicatos 2:1 (TOT) con cationes interlaminares
131
Moscovita: K Al2[Si3AlO10](OH)2
(sustitución acoplada K-AlIV)
Capa dioctaédrica (Al3+) entre
tetraédricas + cationes
interlaminares
Enlace entre láminas T-O-T
Modificado de Grim (1962)
http://pubs.usgs.gov/of/of01-041/htmldocs/clay.htm
T
O
T
K
T
O
T
K
T
O
T
más fuerte que vdw
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Filosilicatos 2:1 (TOT) con cationes interlaminares
132
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
T
O
T
K
T
O
T
K
T
O
T
Flogopita: K Mg3 [Si3AlO10] (OH)2 (sustitución acoplada K-AlIV)
Capa trioctaédrica (Mg2+) entre tetraédricas + cationes interlaminares
Enlace entre láminas T-O-T más fuerte que vdw
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
133
Filosilicatos 2:1:1
Clorita
(Mg, Fe)3[(Si, Al)4O10](OH)2(Mg, Fe)3(OH)6
T
O
T
Brucita
T
O
T
Brucita
T
O
T
Modificado de Grim (1962)
http://pubs.usgs.gov/of/of01-041/htmldocs/clay.htm
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
134
Filosilicatos 2:1 con cationes interlaminares y H2O
Esmectita (montmorillonita)
T
O
T
C.I. + H2O
cationes interlaminares
+ H2O
Modificado de Grim (1962)
http://pubs.usgs.gov/of/of01-041/htmldocs/clay.htm
T
O
T
C.I. + H2O
T
O
T
Vermiculitas?
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
135
Esmectitas: composición y clasificación
Dioctaédricas
T
Pirofilita
Montmorillonita
Beidellita
Nontronita
O
Cationes
interlaminares
Si8
Al4
-
Si8
Al3.3 Mg0.7
(1/2Ca,Na)0.7
Si7.3 Al0.7
Al4
(1/2Ca,Na)0.7
Si7.3 Al0.7
Fe3+4
(1/2Ca,Na)0.7
Trioctaédricas
Talco
Saponita
Hectorita
Stevensita
Si8
Mg6
-
Si7.2 Al0.8
Mg6
(1/2Ca,Na)0.8
Si8
Mg5.3 Li0.7
(1/2Ca,Na)0.7
Si8
Mg5.8□0.2
Na0.4
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE LOS
MINERALES DE LA ARCILLA
136
• Tamaño de partícula (< 2 µm).
• Morfología laminar (filosilicatos).
• Sustituciones isomórficas → carga laminar.
• Cationes débilmente ligados en el espacio interlaminar.
► Área superficial o superficie específica
► Capacidad de intercambio catiónico (CEC)
► Capacidad de adsorción
► Capacidad de absorción: hinchamiento
► Plasticidad
► Tixotropía
► Baja densidad,inertes (no tóxicos).
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
137
ÁREA SUPERFICIAL (SUPERFICIE ESPECÍFICA)
Área de la superficie externa + superficie interna / unidad de masa.
Interacción sólido-fluido
Área superficial (m2/g)
Mineral de la arcilla
Interna
Externa
Total
Esmectita
750
50
800
Vermiculita
750
<1
750
Clorita
0
15
15
Caolinita
0
15
15
Illita
5
25
30
Sepiolita
-
-
100-240
Palygorskita
-
-
100-200
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
138
ÁREA SUPERFICIAL (SUPERFICIE ESPECÍFICA)
SUPERFICIE/VOLUMEN
ÁREA SUPERFICIAL PARA DIFERENTES
MORFOLOGÍAS DE LAS PARTÍCULAS
30
25
20
LÁMINA
15
CUBO
10
ESFERA
5
0
1
2
3
4
DIÁMETRO DE LA PARTÍCULA
5
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
139
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO (CEC)
1. Adsorción
arcilla
Superficies cargadas negativamente:
1. Reactividad de la superficie
La carga depende del pH
(si es ácido → carga positiva).
2. Intercambio catiónico
Espacio
interlaminar
Cationes +
moléculas de agua
2. Sustituciones en la estructura.
Caolinita
3-15 meq/100 g
Clorita
10-40 meq/100 g
Illita
10-40 meq/100 g
Esmectita
80-150 meq/100 g
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
140
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO (CEC)
Coloide:
partículas ultrafinas (<1 µm) de una fase dispersa
en otra (arcilla en agua, por ejemplo). El área
superficial determina sus propiedades químicas.
Cargas en superficie → suspensión vs. floculación.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
HIDRATACIÓN E HINCHAMIENTO
141
• Hidratación-deshidratación
• Grado de hidratación → naturaleza del catión interlaminar y de
la carga de la lámina.
• Agua interlaminar → separación de las láminas → hinchamiento.
• Hidratación = proceso reversible → f(PH2O) y T
PROPIEDAD MÁS CARACTERÍSTICA DE LAS ESMECTITAS
Espacio
interlaminar
Cationes +
moléculas de agua
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Mejoras en la calidad de los alimentos: bentonitas
142
- Absorción de agua
Aumenta su viscosidad → se ralentiza la digestión
Reduce la humedad de los excrementos → menos riesgo de epidemias.
- Adsorción de toxinas
Las partículas de mineral no son absorbidas por las paredes intestinales.
- Efecto aglutinante
• Pienso para animales (pellets)
→ evita pérdidas de alimento,
producto más ligero.
• Película de talco: evita que los
pellets se peguen y minimiza la
pérdida de agua.
Imagen tomada de: http://www.bhbentonite.com/uses.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Otras aplicaciones de las bentonitas...
Lodos de sondeo
Moldes de
fundición
143
Pelletización de taconita (mena de Fe)
“Camas”
para gatos
Imágenes tomadas de: http://www.bhbentonite.com/uses.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
144
PALYGORSKITA
Fibrosos de la
arcilla
Proyección
(001)
MgAl3Si8O20(OH)3[(OH)2]4.
x [R2+(H2O)8]
Capa di-trioctaédrica
(Mg, Al)
Modificado de
Bailey (1980)
SEPIOLITA
Proyección
(100)
Mg8Si12O30 [(OH)2]4. x
[R2+(H2O)8]
Capa octaédrica
fundamentalmente
trioctaédrica (Mg)
Modificado de
Bailey (1980)
http://pubs.usgs.gov/of/of01-041/htmldocs/clay.htm
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
PALYGORSKITA
Modelo de Bradley
Capa tetraédrica
SEPIOLITA
Modificado de
Singer (1975)
145
Modelo de Gard-Follet
Capa octaédrica
Modificado de
Martin et al. (1971)
Fibrosos de la
arcilla
Capa tetraédrica
Capa octaédrica
http://pubs.usgs.gov/of/of01-041/htmldocs/clay.htm
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
146
Fibrosos de la arcilla
Propiedades
• Hábito fibroso (pese a ser filosilicatos)
• Gran capacidad de absorción
• Inerte
• Densidad muy baja
• Propiedades tixotrópicas
• Propiedades coloidales
gel
suspensiones estables de alta viscosidad
Piensos en suspensión para ganado porcino
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Palygorskita
147
Zeolitas
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
148
• Armazón tridimensional de tetraedros (Si,Al)O4, con anillos de 3, 4, 5, ó 6 miembros.
• Grandes huecos ocupados por iones de elevado radio (no intercambiables) y moléculas
de agua (absorbida).
• Posibilidad de incorporar y ceder moléculas de agua (zeolítica) de forma continua.
• Capacidad de intercambio iónico y la rehidratación reversible.
• Capacidad de variar las dimensiones de los huecos en función del pH de las soluciones
en contacto
WmZrO2r.sH2O, donde
W= Na, Ca (K, Ba, Sr, menos frecuentemente)
Z= Si+Al, en donde Si:Al>1
Tomado de: http://www.accel.tue.nl/tib/set_ups/Pep_setup/zeolite.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
149
Zeolitas: algunas aplicaciones
Cargas en papeles especiales, eliminación de isótopos radiactivos de
residuos nucleares, purificación de productos derivados del petróleo,
soportes de pesticidas, trampas para metales pesados, absorbentes de
olores, agente abrillantador en pastas de dientes, "ablandamiento" de
aguas duras, etc.
Imagen tomada de: http://www.molecularuniverse.com/FIGS/molecules_in_zeolite_y.htm
http://www.cerncourier.com/main/article/40/3/15/1/cernneutrons2_4-00
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Otras aplicaciones
• Acondicionamiento de suelos:
“Almacén” de agua de fácil extracción por las plantas.
Cultivos especializados, por su baja densidad, y fácil manejo.
• Filtración de aguas:
Materiales granulados (arenas, gravas, granates, ilmenita) y
clasificados por tamaños
elimina hasta un 90% de partículas en suspensión y bacterias.
• Clarificación de bebidas:
Partículas sólidas en suspensión coloidal producidas durante la
fermentación en las bebidas (vinos, cervezas, zumos, etc.)
Floculantes (Zeolitas, bentonitas y vermiculitas)
Filtrar las bebidas (diatomitas, ceolitas)
150
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
151
Fluorosis
• El hidroxiapatito de dientes y huesos se transforma en fluorapatito.
• Si la cantidad de flúor está en un rango moderado, se fortalece el
esmalte de los dientes y la estructura de los huesos.
• Si hay un exceso de flúor:
- Se acelera enormemente
el crecimiento de apatito.
-Aumenta la posibilidad de
sustituciones por CO3, etc.
- La estructura mineral se
debilita con rapidez.
- El proceso es irreversible
F, (OH)
Figura de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
152
Fluorosis dental
http://www.links.net/vita/swat/course/thesis/death/fluoridation.html
http://www.fluoridation.com/teeth.htm
Fluorosis en huesos
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
153
Minerales utilizados en la industria cerámica
Algunas características comunes...
• Duros pero quebradizos.
• Baja resistencia mecánica y ductilidad.
• Buenos aislantes térmicos y eléctricos (ausencia de electrones
conductores).
• Alto punto de fusión y gran estabilidad química.
Dos grandes grupos de materiales cerámicos:
• Cerámica tradicional: a partir de materias primas minerales...
• Productos de cocción roja: Cerámica estructural
• Productos de cocción blanca: porcelana, gres, etc.
• Cerámica avanzada: compuestos simples (Al2O3, MgO, SiC, Si3N4)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Etapas básicas:
154
• Preparación de la pasta cerámica
Mezcla de componentes plásticos, refractarios y fundentes.
• Moldeo de la pasta cerámica.
• Por moldeo (en seco, isostático, “slip casting”)
• Por extrusión (ladrillos, etc.)
• Tratamiento térmico
• Secado (T<1000ºC, periodos largos; materia orgánica)
• Sinterización:
Unión entre partículas por difusión en estado sólido (T<Tf)
Tamaño de grano en equilibrio → porosidad ↓ y E libre ↓
• Vitrificación:
Fase fundida rellena poros y liga partículas más refractarias
• Acabado: pulido de piezas, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Arcilla
Preparación de
materia prima
Extrusión,
acabado y
corte de piezas
Empaquetado y
salida de ladrillos
para su venta
Zona de
almacenamiento de
vagones para el horno
Carga de
vagones para
el horno
Secadero
(calor procedente
del túnel de cocción)
Túnel de cocción
Temperatura (ºC)
Esquema de
una planta de
fabricación de
ladrillos
155
Periodo de
homogeneización
Tiempo (horas)
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
156
Principales componentes minerales
• Minerales arcillosos → Ball clays (caolinita, illita,...)
- Plasticidad en la etapa de moldeo
- Funden durante la cocción para mantener ligadas las partículas
más refractarias (cuarzo, etc.).
• Cuarzo.
- Proporciona refractariedad
• Feldespatos alcalinos
- Material fundente: funden antes que arcillas y cuarzo.
- Factores: Contenido en álcalis y relación Na/K.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Tipos de arcillas industriales
157
• Caolines (“China Clay”)
- Arcilla formada principalmente por caolinita bien cristalizada.
- Alta plasticidad, químicamente inerte, blancura y brillo.
- Depósitos primarios (“in situ”) o secundarios.
• Aplicaciones: carga en papel, plásticos, medicamentos, etc. Fabricación de
productos de cocción blanca
• Arenas caoliníferas (“Ball clay”)
- Mezcla de caolinita, illita, esmectita, cuarzo, y materia orgánica.
- Mayor razón sílice/alúmina, granulometría más fina (pasta más densa), mayor
viscosidad, aportan fuerza y maleabilidad al cuerpo cerámico.
- En cocción, funden para cementar partículas refractarias.
- Depósitos secundarios.
• Aplicaciones: materia prima en cerámica estructural, sanitarios, etc.
• Otros: fire clay, flint clay, bentonitas.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
158
Depósitos primarios de caolín
• Resultado de caolinitización de feldespato o mica (neises y granitos)
2(Na,K)AlSi3O8 + H2O + 2H+ = Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 + 2(Na, K)+
feldespato
caolinita
cuarzo
• Meteorización superficial (hasta 100 m): clima tropical, topografía
adecuada, liberación de sílice y álcalis. Biotita ausente.
• Frecuente superposición de alteración hidrotermal y meteorización.
3KAlSi3O8 + 2H+ = KAl3Si3O10(OH)2 + 6SiO2 + 2K+ →
ortosa
moscovita
cuarzo
KAl3Si3O10(OH)2 + 2H+ +3H2O = 3Al2Si2O5(OH)4 + 2K+
moscovita
caolinita
• Importancia del control estructural.
• La caolinita es inestable por encima de 300ºC
greisen
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
159
Corte generalizado del depósito de caolín de Cornish (modificado de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall)
Granito caolinizado
Metasedimentos devónicos
Granito parcialmente caolinizado
Venas con cuarzo/hematites
Granito muy débilmente caolinizado
Venas con cuarzo/turmalina
Dique felsítico
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
160
Tomadas de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
Caolinización incipiente en un granito
Caolinización intensa adyacente a una vena de cuarzo en un granito
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
161
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Depósitos secundarios
162
• Depósito sedimentario cuyo área fuente es una roca
caolinizada (granito, rocas detríticas alteradas, etc.)
• Erosión del depósito primario, transporte y sedimantación en
área favorable para su preservación.
• Algunos suficientemente puros para considerarlos “China clay”.
• Frecuente incorporación de otros componentes detríticos:
cuarzo, micas, turmalina, materia orgánica,... → “Ball clay”
• Depósitos continentales (fluvio/lacustres y deltaicos)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
163
Arenas caoliníferas
Lechos de arenas caoliníferas con diferente
contenido en lignito, cortados por una falla
(Cuenca de Bovey, Devon, Reino Unido).
Tomada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
164
Ejemplo de transformaciones minerales durante la cocción
Materia
prima
Temperatura aproximada (ºC)
Cuarzo
Cristobalita
Mullita
Cuarzo
Illita/mica
Clorita
Caolinita
Feldespato
Metacaolinita
Feldespato-K
Vidrio
Plagioclasa
Wollastonita
Piroxeno
Melilita
Anhidrita
Plagioclasa
Calcita
Siderita
Yeso
Pirita
Hematites
Óxi-hid. (Fe)
Mat. orgánica
Calcinación
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
165
Minerales arcillosos (caolinita, illita, esmectita...)
- Plasticidad en la etapa de moldeo
- Elevada fuerza de secado: manejo de la pieza en “verde”
- Funden fácilmente: tamaño de partícula, área superficial e
inestabilidad a altas temperaturas.
- Propiedades reológicas.
- Comportamiento durante la cocción poco conocido, salvo para
caolinita.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Mullita + fundido
M
a
lit
ul
Crist. + Mullita +
Espinela
ll
Mu
ita
+
Temperatura (ºC)
Transformaciones
mineralógicas
durante la cocción
Cristobalita + Mullita
Esp
166
Mull
inel
a
ita +
Espi
+ Metaca nela
olinita
Caolinita
METACAOLINITA
Mullita
CAOLINITA
Estable hasta los 1850ºC
Muy refractario
Minutos
Horas
Tiempo
Días
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Mullita: relación con nesosilicatos alumínicos
167
Solución sólida por omisión: estructuras defectivas
Al4+2xSi2-2xO10-x
(0.17 < x < 0.6)
2Al3++
= 2Si4++ O2-
Andalucita
Cianita
Sillimanita
Sillimanita
Mullita
Modificada de A. Putnis (1992). Introduction to Mineral Sciences. Cambridge University Press
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
168
Empleo de diagramas triangulares...
SiO2
Cuarzo
Esmectita
Feldespato
Leucita
Caolinita
Illita
Mullita
Corindón
K2O
Al2O3
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
169
Cuarzo...
Diferencias en coeficiente de expansión térmica → Problemas durante enfriamiento
Expansión térmica linear (%)
alita
b
o
t
Cris
β
Cuarzo β
it a
m
i
id
Tr
α
o
z
ar
Cu
obal
t
s
i
r
C
ita α
Sílice vítrea
Temperatura (ºC)
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
170
Cuarzo...
Cuarzo α → Cuarzo β
Transformación
polimórfica desplazativa
(573ºC)
Cuarzo β
Modificadas de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
Cuarzo α
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
171
Feldespatos alcalinos…
La sustitución de
Al3+ por Si4+
permite la entrada
de Na+ o K+
La sustitución de
2 cationes Al3+ por
2 Si4+ permite la
entrada de Ca2+
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
Albita: NaAlSi3O8
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Feldespatos alcalinos…
172
Depósitos
• Pegmatitas (con cuarzo y micas)
• Granitos (textura gráfica, aplitas, etc.)
• Sienitas nefelínicas y fonolitas
Beneficiado
• Pulverizado, separación y flotación
• Separación magnética de óxidos de hierro, etc.
• Flotación: primero se separan las micas, luego el cuarzo
Colectores catiónicos (aminas) en medio ácido (HF).
Espumante: aceite de pino y fuel-oil.
A. Cavidad miarolítica (varios cm)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales
2015 de Jahns and Burnham (1969). Econ. Geol.
173
Modificado
, 64, 843-864
EXPLICACIÓN
Pegmatita con Q, pertita, Ab y
Pegmatita
con Q, Ab,
pertitas y
lepidolita
y cristales
en cavidades
lepidolita y cavidades con cristales
Texturas pegmatíticas
Cuarzo masivo
Pegmatita con Q, Ab, y Ms
Pegmatita con Q, Ab, pertita y
Ms
Pertita de grano muy grueso
C. Pegmatita
con zonación
asimétrica
(varios m)
B. Dique pegmatítico con zonación
asimétrica (varios dm)
•
•
•
Texturas
Texturas
faneríticas
aplíticas
normales
Pertita de grano muy grueso con
texturas gráficas de cuarzo
Pegmatita rica en grandes cristales
de moscovita
Concentran elementos incompatibles
Mineralogía compleja y variada
Pueden tener zonación concéntrica
Aplita con Q y Ab
Otras rocas graníticas
Rocas no graníticas
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
174
Presencia de álcalis...
Na y K procedente de
feldespatos y micas
Tridimita
SiO2
a b
K2O
L
Reducen la temperatura de
cocción necesaria
T+M+L
s
M+L
K2O (% en peso)
T+L
Mullita
Al2O3
Temperatura de cocción (ºC)
Modificadas de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
175
Otros minerales en cerámica estructural...
• Calcita: Coloraciones más claras.
Tamaño de partícula grande → CaO en cocción → hidratación → daños
• Yeso: hidratación/deshidratación → “descamaciones”
• Pirita: Oxidación al cocer → sulfatos → CaO → yeso → “eflorescencias”
“Corazón negro”
Hematites estable
(ladrillos rojos)
“Flashing”
Reducción de la
atmósfera del horno
Magnetita estable
(ladrillos azules)
Aumenta el contenido en oxígeno
• Materia orgánica y
sulfuros asociados
(atmósferas)
• Hematites vs. Magnetita
Log fugacidad de oxígeno
Gas (SO2) → “bloating” (burbujas → hinchamiento)
Temperatura (ºC)
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
Otros minerales en cerámica... wollastonita
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
176
• Inosilicato cálcico (CaSiO3) de hábito acicular.
• Hasta 1950 apenas se explotaba.
• Tres polimorfos a presión atmosférica.
• El más abundante: wollastonita-Tc (triclínico).
• Resistente a gases y soluciones alcalinas.
• Con ácidos minerales forma un gel de sílice.
Unidad de
traslación
http://ruby.colorado.edu/~smyth/min/pyroxenoid.html
Modificada de http://www.pcimag.com/PCI/FILES/IMAGES/74876.jpg
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
177
Wollastonita…
• Mineral típico de metamorfismo de contacto de calizas silíceas
⇒ skarn (metasomatismo)
• Rocas ígneas alcalinas y rocas de metamorfismo regional
http://www.calvin.edu/academic/geology/fieldtrp/newyork97.htm
Mina de Wiilsboro,
Nueva York, EE.UU.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
178
Wollastonita…
Falla
Sk
Ca
liz
a
Pi
za
rr
a
Aren
is
ar
n
ca
Intrusión ígnea
Skarn típico
Modificado de http://geology.csupomona.edu/drjessey/class/GSC433/Skarns.htm
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Otros minerales en cerámica... wollastonita
179
• La mayoría se emplea en fabricar azulejos
• Efectos beneficiosos (según Power, 1986):
- El hábito acicular: refuerzo mecánico, elevada resistencia a
impactos, propiedades acústicas, y mejora el moldeo y la resistencia
en “verde”.
- Baja expansión térmica: reduce la contracción, roturas, defectos.
- Pérdida por calcinación (LOI): minimiza la producción de gases
durante la cocción.
- Pureza química: color de cocción blanco.
- Cocción más rápida: baja temperatura de sinterización y
compatibilidad de fusión con sílice y alúmina.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
180
Cemento y escayola
• Materiales calcinados que fraguan al reaccionar con agua.
• Cemento puzolánico (Egipto, Roma): ceniza volcánica y cal.
• Louis Vicat (1817) → calcina mezcla de caliza y arcilla a 1000ºC.
• Joseph Aspin (1824) → 1400ºC → cemento “Portland”.
• Romanos: escayola fabricada con cal.
• Edad Media: escayola de París, fabricada con yeso.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
181
Cemento
• Componentes esenciales: CaO, SiO2, Al2O3
• Calcinación de caliza y arcilla (pizarras, etc.) ≈ 1500ºC
Procesado húmedo o seco → reacciones endotérmicas → Clinker
• Cal (CaO) → muy reactiva → tamaño de partícula fino → 1450ºC
• Yeso (4-7%) → retarda el fraguado
• Otros aditivos: cenizas de carbón, puzolanas, escorias de
fundición, etc.
• Costes: Materia prima (≈2%); energía para calcinación (≈25%);
electricidad para molienda (≈25%)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
182
Cemento
2000
1500
Gas
ºC
1000
500
Clinker
Inyección de
aire
Secado
PreCalcinación
calentamiento
Clinkering
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
183
Componentes minerales del clinker
Mineral
Fórmula
abreviada
Fórmula Proporción en el
completa
cemento (%)
Silicato tricálcico (alita)
C3S
Ca3SiO5
45
Silicato dicálcico (belita)
C2S
Ca2SiO4
27
Aluminato tricálcico
C3A
Ca3Al2O6
11
C4AF
Ca4Al2Fe2O10
8
Aluminoferrato tetracálcico
(Brownmillerita)
CaO: C
Al2O3: A
SiO2: S
H2O: H
Fe2O3: F
MgO: M
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
184
http://www.geol.uni-erlangen.de/min/english/angewandte/bilder/anschliff.html
Sección pulida de un clinker de cemento Portland común. Cristales idiomorfos de
alita (azul), y fases intersticiales constituidas por una fase alumínica (gris oscura) y
una férrica (blanca muy reflectante).
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
185
Componentes minerales del clinker
Estructura de la
Brownmillerita (C4AF): Capas
de octaedros que comparten
vértices, alternando con
tetraedros en cadenas. Los
tetraedros comparten dos
oxígenos con octaedros y
otros dos con tetraedros
vecinos, formando cadenas
sencillas en zigzag paralelas
al eje c.
Tomado de http://www.geol.uni-erlangen.de/min/english/angewandte/bilder/str-brown.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
186
Reacciones que dan lugar al clinker...
2C
2CaO
+ S
+ SiO2
+ Sílice
=
=
=
C2S
Ca2SiO4
3C
3CaO
+ A
+ Al2O3
+ Alúmina
=
=
=
C3A
Ca3Al2O6
Cal
Cal
4C
4CaO
+ A
+ Al2O3
+ Alúmina
Cal
2C
2CaO
Cal
Belita
Aluminato tricálcico
+ F
+ Fe2O3
+ Óxido
+ C2S
+ Ca2SiO4
+ Belita
férrico
=
=
=
=
=
=
C4AF
Ca4Al2F2O10
Aluminoferrato
tetracálcico
C3S
Ca3SiO5
Alita
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
187
SiO2
Dos líquidos
Arcilla
Tridimita
Pseudowollastonita
Rankinita
Anortita
C3S
Mullita
Gehlenita
C3S
Mezcla
para
cemento
Corindón
Cal
Caliza
CaO
C3A
C3A
Al2O3
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
188
SiO2
Arcilla
C2S
C3S
Mezcla
para
cemento
Caliza
CaO
C3A
Al2O3
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
189
Reacciones durante el fraguado...
• Ca3SiO5 + (y+z) H2O =
alita
agua
z Ca(OH)2
portlandita
+ Ca(3-z)SiO(5-z).y H2O
silicato cálcico hidratado
• Belita → Reacciones similares, pero más lentas.
• 2Ca3Al2O6 + 21 H2O = Ca4Al2O7.13H2O
+ Ca2Al2O5.8H2O
• Si se alcanza una temperatura de 30ºC...
• Ca4Al2O7.13H2O
4
Tasa de
emisión de
calor
(watt.kg-1)
+ Ca2Al2O5.8H2O = 2Ca3Al2O6.6H2O + 9H2O
hidrogranate
I
II
2
III
10
20
30
40
Tiempo (horas)
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
190
Retardantes para el fraguado...
Ca3Al2O6 + 3CaSO4.2H2O + 25 H2O = Ca6Al2O6(SO4)3.31H2O
Aluminato
tricálcico
Yeso
Ettringita primaria:
agua
ettringita
“Dr. Jekyll”
• Estructura acicular, con columnas de Ca y Al que dejan canales con
moléculas de H2O.
• Forma una película coloidal
que recubre los granos,
retardando su reacción.
• Precaución: considerable
aumento de volumen (tensiones)
ettringita
Modificada de http://www.enco-journal.com/abc/e.html
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Ettringita secundaria:
191
“Mr. Hyde”
1. Incorporación al cemento de grupos SO4-2 del ambiente
2. Reacción con la cal para formar yeso
agua
SO4-2 + Ca(OH)2 Î CaSO4.2H2O + 2OH
3. Reacción del yeso con aluminatos cálcicos hidratados del cemento
agua
CaSO4-2.2H2O + C-A-H Î 3CaO.Al2O3.3CaOSO4.32H2O
Provoca daños: fisuración, deslaminación y disgregación del cemento
•
Remediación:
1. Impedir la entrada de sulfato (impermeabilización, cemento no poroso,...)
2. Impedir la formación de yeso (reducción de cal en el cemento)
3. Impedir la formación de ettringita (reducir C3A Æ cemento férrico)
• “Delayed ettringite formation” (DEF): ¿sulfatos en el combustible?
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
192
Cementos especiales
• De fraguado rápido: clinker + bauxita (o CaF2) → >1 hora
Tarda cerca de un mes en alcanzar su máxima resistencia
• Rico en aluminio: caliza + bauxita (rica en Fe) a 1700ºC.
Cemento pobre en sílice → Alcanza sus propiedades óptimas rápido.
CaAl2O4 + 10H2O = CaAl2O4.10H2O
3CaAl2O4.10H2O = Ca3Al2O6.6H2O + 4Al(OH)3 + 18H2O
CaAl2O4.10H2O
Reducción de volumen
Mayor porosidad
• Cemento con asbestos: Propiedades mecánicas y térmicas mejores
que en el cemento Portland normal.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
193
Asbestos: silicatos fibrosos
1. Crisotilo: variedad fibrosa de serpentina (95 %)
2. Anfíboles fibrosos: crocidolita, amosita, antofilita,
(tremolita y actinolita)
Características comunes:
Hábito fibroso, gran resistencia a la tensión, a ataques químicos
y térmicos, son incombustibles.
Aplicaciones:
Aislantes térmicos y eléctricos, productos hormigonados,
materiales resistentes a la fricción, tejidos especiales, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
194
Anfíboles fibrosos
1. Crocidolita (azul): variedad fibrosa de riebeckita (sódico)
2. Amosita (marrón): variedad fibrosa de cummingtonita-grunerita
3. Antofilita (blanco-verde): variedad más rica en Mg
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
W0-1 X2 Y5 [Z8O22] (OH, F, Cl)2
W = Na K
X = Ca Na Mg Fe2+ (Mn Li)
Y = Mg Fe2+ Mn Al Fe3+ Ti
Z = Si Al
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
195
Filosilicatos 1:1 (T-O)
Tomada de http://www.whitman.edu/geology/winter/
Serpentina: Mg3 [Si2O5] (OH)4
Capas trioctaédricas (Mg2+)
Enlace débil entre láminas T-O (van der Waals)
T
O
- vdw
T
O
- vdw
T
O
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
196
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
197
Variedades de la serpentina
• Antigorita: mantiene su
disposición laminar alternando
segmentos de curvatura opuesta
Capa tipo brucita
Capa tetraédrica
• Lizardita: tamaño de partícula
mínimo para resolver el desajuste.
• Crisotilo: Tiende a adoptar una
Figura de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
El desajuste entre octaedros y
tetraedros se resuelve curvando las
láminas T-O.
disposición tubular para resolver
el desajuste entre capas T y O.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
198
Serpentina en HRTEM
Veblen and Busek (1979)
Science 206, 1398-1400.
Nagby and Faust (1956)
Am. Mineralogist 41, 817-836.
S = serpentina
T = talco
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
199
Crisotilo
50 µm
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
200
Propiedades del crisotilo
1. Mecánicas: resistencia a la tensión, incluso a altas T.
2. Eléctricas y magnéticas: baja resistividad y susceptibilidad
3. Térmicas: Pierde (OH) entre 600º y 780ºC.
A 810ºC se forma Fo + Q
No tienen punto de fusión (funden los productos)
Mantiene sus propiedades aislantes
4. Reactividad química: se descompone en ácidos fuertes
5. Propiedades de superficie: el área superficial es crucial.
Se clasifican en función del tamaño de fibras.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
201
Riesgos para la salud
• Originalmente se consideraban inocuos (dentífricos, etc.)
• Si se inhalan pueden producir:
• Mesotelioma: tumor en el tórax o intestino
• Asbestosis: cicatriza el tejido pulmonar y pierde
capacidad para absorber oxígeno.
• Cáncer de pulmón
• Incidencia demostrada en crocidolita y amosita, no en crisotilo.
• Distinta composición y estructura
forma y durabilidad
• Anfíboles: fibras prismáticas rígidas, resistentes en el tiempo.
• Crisotilo: fibras rizadas, pueden eliminarse fácilmente, y se
descomponen con facilidad.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
202
Manufactura de escayola
Estructura del yeso (CaSO4.2H2O)
(010)
(010)
Monoclínico: C2/c
• Estructura en capas.
• Grupos (SO4)= enlazados
con Ca.
• Ca: coordinación 8
(6 oxígenos y dos moléculas
de H2O)
• Enlace débil según (010)
S
O
Ca
H2O
Modificada de http://www.isis.rl.ac.uk/instruments/gypsum.jpg
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
203
Formación de hemidrato (basanita)
CaSO4.2H2O
Nº de moléculas de H2O
2
1,5
Con las velocidades de
calentamiento normales
en procesos industriales
1
es preciso alcanzar
CaSO4.1/2H2O
0,5
0
50
75
Temperatura (ºC)
γCaSO4
temperaturas mayores:
150-165ºC
Figura de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Aplicaciones industriales del cuarzo...
204
•Características:
• Abundancia.
• Piezoeléctrico, alto coeficiente de expansión térmica,
durabilidad física y química, elasticidad,...
• Se sintetiza con facilidad por técnicas hidrotermales..
• Aplicaciones tecnológicas:
• Electrónica: controladores de frecuencia, circuitos
telefónicos, osciladores para relojes, etc.
• Fabricación de instrumentos ópticos: luz monocromática,
cuña de cuarzo, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
205
Propiedades del cuarzo
• Estructura en armazón tridimensional → bajo
relieve y baja birrefringencia, elevada dureza,
resistencia a la alteración mecánica
• Posee un eje polar → ópticamente activo: gira el
plano de polarización de la luz.
• Piroeléctrico y piezoeléctrico → la presencia de
maclas neutraliza las cargas.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
206
Diagrama de fases (Klein y Hurlbut, 1993)
Modificadas de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Cuarzo levógiro
P3121
207
Cuarzo dextrógiro
P3221
Modificadas de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
208
Cuarzo levógiro
Cuarzo β
+θº
-θº
Cuarzo α1
Cuarzo α2
Modificadas de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Estructura “ideal” de la tridimita β
(0001)
Modificada de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
209
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
210
Tridimita α :
Anillos con configuración oval (O), y ditrigonal (D)
D’
b
O’
D
D
O
D’
a
Modificadas de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
211
Estructura “ideal” de la cristobalita β
(111)
Modificadas de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
212
Proyección de la estructura de la Coesita
(Lewin y Prewitt, 1981)
Tomada de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
213
Estructura de la Estisovita
http://www.auburn.edu/~hameswe/Stishovitepage.html
Tomada de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
214
Paragénesis...
• Tridimita y cristobalita
• Rocas volcánicas ácidas: riolitas, traquitas,...
• Rocas metamórficas de alto grado
• Coesita y estisovita
• Brechas de impacto meteorítico
• Xenolitos en kimberlitas
• Rocas metamórficas de baja temperatura y alta presión
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
215
Representación esquemática de curvas G-T (Griffen, 1992)
Modificado de Griffen, D.T. (1992). Silicate Crystal Chemistry. Oxford University Press, New York.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
216
Cuarzo levógiro
Cuarzo β
+θº
-θº
Cuarzo α1
Cuarzo α2
Modificadas de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
217
Macla del Delfinado
La rotación ± θº sobre <100> produce dos posibles orientaciones: a1 y a2
Modificada de P.J. Heaney (1994). Silica. (Reviews in Mineralogy, 29) Mineralogical Society of America.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Cuarzo
α1
Configuración
intermedia
Cuarzo
β
Configuración
intermedia
218
Cuarzo
α
2
Modificado de Griffen, D.T. (1992). Silicate Crystal Chemistry. Oxford University Press, New York.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
219
Las grandes maclas
triangulares del
Delfinado van pasando
gradualmente a
micromaclas, hasta
formar un mosaico
(Van Tendeloo et al., 1976)
Modificada de A. Putnis (1992). Introduction to Mineral Sciences. Cambridge University Press
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
220
Crecimiento de cristales de cuarzo
• Fragmentos de cuarzo natural (“lascas”)
en la cámara inferior.
Cierre de
seguridad
• “Semillas”: cristales tallados (paralelos
a (001), libres de maclas y de defectos.
Émbolo
• Solución acuosa con NaOH o Na2CO3 a
400ºC y >750 bar
“Semillas”
• Temperatura en la parte superior: 30 a
Membrana
40ºC menos.
Nutriente
(“lascas”)
• Duración: 1 a 4 meses.
En cámaras de 40x450 cm (560 l), se
puede obtener 250 kg de cuarzo.
Cámara
Modificado de L.L.Y. Chang (2001) Industrial Mineralogy. Prentice-Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
221
Crecimiento de cristales de cuarzo
• Excelente transmisor de
radiación UV e IR.
• Propiedades piezoeléctricas
(fluoruro de polivinilo).
http://www.kinseki.co.jp/eng/crystal.html
http://www.toyocom.co.uk/front/grow.htm
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Na2O.3.3SiO2
222
H2O
H2SO4
Vapor
H2O
Aire
caliente
Precipitación
Na2O.3.3SiO2
Filtrado
Secado
+ H2SO4 → 3.3SiO2 + Na2SO4 + H2O
• Sílice precipitada
Molienda
Almacenamiento
y empaquetado
Modificado de L.L.Y. Chang (2001) Industrial Mineralogy. Prentice-Hall
Partículas esféricas intercrecidas en agregados tridimensionales.
Polvo blanco hidrofílico muy ligero.
Gran capacidad de absorción → concentrados de polvo (>70% líquido)
• Aplicaciones
Refuerzo de productos elastómeros (suelas de zapato, ruedas, etc.)
Pasta dentífrica → limpiadores
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
223
Luz
blanca
Co
de lor d
on e l
da on
λ gitu
d
Colores en el ópalo precioso (Darragh et al., 1976)
Distribución regular
de esferas amorfas
Modificada de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
224
Lodos de sondeo
Principales funciones:
Traer los testigos de sondeo a superficie.
• Controlar la presión del pozo
• Mantener la estabilidad del agujero perforado
• Lubricar la sonda
• Proteger la zona productora
Principales constituyentes
Barita (densidad), bentonita o sepiolita (viscosidad,
etc.), carbonato sódico (fijar Ca y Mg) y cal (pH).
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
225
Barita, BaSO4
• Estructura rómbica
• Solubilidad muy baja, color blanco, brillo vítreo, hábito
tabular, dureza baja (3) y peso específico alto (4,5)
Mottana, A. (1988). “Fondamenti di Mineralogia Geologica”. Zanichelli, Bolonia.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
226
Tres tipos de depósitos
• Relleno de venas y cavidades: hidrotermal de baja temperatura.
Asociada a dolomita, fluorita, y menas metálicas (esfalerita, etc.)
• Residuales: Arcillas derivadas de la meteorización de calizas.
• Estratificados: en pizarras y calizas, generalmente asociada con
chert, pirita, óxidos de hierro, sulfuros de Pb-Zn, etc.
http://www.udel.edu/geology/min/Images/barite.gif
http://www.tigerminerals.com/forsale/forsale.htm
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
227
Aplicaciones
• El 90% se emplea para lodos de sondeo.
Elevado peso específico
Químicamente inerte
Proporciona al lodo la densidad
precisa para controlar la
presión del pozo.
A mayor profundidad, más barita hay que añadir
La presión en el pozo aumenta bruscamente con la profundidad
En las últimas décadas, se ha pasado de pozos de 4.800 m a 8.000 m
La proporción de barita ha aumentado de 3 kg/m a 26 kg/m
• Otras aplicaciones: vidrio, cerámica, pintura, refuerzo de
materiales sometidos a fricción, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
228
Bentonitas vs. sepiolita/paligorskita
Elevada viscosidad
Retirar los testigos
Tixotropía
Evitar que los testigos caigan
al fondo del pozo de sondeo
Impermeabilidad
(lubricante)
Revestir las paredes del pozo
para evitar contaminación de la
roca con agua del sondeo
• Bentonitas sódicas (propiedades
como filtrante, suspensión, fracción
gruesa y grado de humedad)
• Sepiolita y paligorskita
NaCl, CaSO4, MgSO4
inhiben la capacidad de
hinchar de la esmectita
- Viscosidad independiente de
capacidad de hinchar.
- No afectan las sales (NaCl, etc.)
- Gran estabilidad térmica
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
229
Minerales en la industria del papel
Más de 200 tipos de papel, clasificados en 4 grupos:
Papel para
impresión
Periódicos, revistas, libros, sobres,
catálogos, fotocopiadoras, etc.
Papel de embalaje
“Kraft” para bolsas de gran
capacidad (sacos de cemento),
sacos pequeños (legumbres, etc.)
Cartón
Cajas plegables (cosmética,
zapatos, etc.)
Papeles industriales
y especiales
Papel de fumar, de filtro,
termosensible, cheques, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
230
Principales componentes del papel
• Celulosa:
O (49,4%), C (44%), H (6,2%)
Fibras macizas, flexibles, blancas, insolubles en agua
y resistentes a la tracción.
• Aditivos: mejoran las propiedades del papel.
- Productos químicos
- Cargas y revestimientos minerales
1700
1980
1996
2---
Modificada de Velho, J., Gomes, C., Romariz, C. (1998) Minerais Industriais. Gráfica de Coimbra.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
231
Cargas minerales...
Materiales inertes que se añaden en procesos de fabricación
para mejorar propiedades (dureza, resistencia a los impactos, al
fuego, textura superficial, conductividad eléctrica, etc.)
• Características físicas:
- Tamaño de partícula: suaviza superficies, aumenta viscosidad.
- Forma de partículas: fibrosas refuerzan, laminares suavizan.
- Dureza: resistencia a la abrasión vs. Irregularidades.
- Color: importante en pinturas, papeles, plásticos, etc.
- Índice de refracción: diferencias con el material fabricado.
- Composición química: Baja solubilidad y reactividad.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Cargas minerales en la industria del papel
Fibras
Carga mineral
• Funciones:
232
Fibras
Carga mineral
Revestimiento
Modificada de Velho, J., Gomes, C., Romariz, C. (1998) Minerais Industriais. Gráfica de Coimbra.
1.- Economía: precio 3 a 5 veces inferior a la celulosa.
2.- Producción: Reduce la cantidad de agua en el prensado y
acelera el secado de la pasta → ahorro de energía.
3.- Mejora la calidad de impresión:
Rellena huecos entre fibras y modifica estructura → uniformidad
Alisa superficie → mejora brillo, opacidad, retención, blancura.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
http://www.handprint.com/HP/WCL/paper1.html
233
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Cargas minerales en la industria del papel
Caolín
Brillo, retención de tinta, calidad
de impresión, bajo coste.
Calcita natural
CCN
Grado de blancura, bajo coste,
bajo brillo, fracción sólida.
Talco
Hábito laminar, hidrofobia,
excelente calidad de impresión.
234
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
235
Revestimientos minerales el papel
Película formada a partir de una suspensión con 80-90% de
pigmentos minerales finos (<2 µm) y 10-20% adhesivos.
• Requisitos:
Baja necesidad de adhesivo, elevado grado de blancura, bajo
peso específico, elevado índice de refracción, buena
clasificación, elevado brillo, bajo tiempo de secado.
• Funciones:
- Transforma la superficie rugosa y macroporosa del papel.
- Mejora blancura, aspecto y tacto.
- Mejora el comportamiento de la tinta → distribución más
uniforme que la carga.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Revestimientos minerales el papel
Pigmentos minerales
Influencia
Rutilo
Opacidad, grado de blancura
Caolinita calcinada
Opacidad, absorción de tinta
Caolinita tratada
químicamente
Opacidad, absorción de tinta
Carbonato cálcico
precipitado
Opacidad, grado de blancura,
porosidad
Sílice precipitada
Absorción de tinta, elevada
superficie específica
Alúmina hidratada
Opacidad, grado de blancura
236
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
237
Carbonato cálcico precipitado (CCP)
CaCO3
Calcinación
CaO + CO2
CaO + H2O → Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3
1 t de CCP → 600 kg de cal
El proceso de precipitación y cristalización controla el
hábito de las partículas (acicular, piramidal, esférico),
y la distribución de tamaños de partículas.
Pigmentos
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
238
• Sustancia coloreada y finamente repartida en suspensión,
capaz de conferir su color a otro mineral.
• No se disuelven en líquido (tintes).
• Funciones: Protección y decoración.
• Componentes: Pigmento (extensores), aglutinante, solvente
Aglutinante
• Forman la película que incorpora al pigmento una vez
aplicado y seca la pintura (resinas, acrílicos, vinilos, etc.)
• Determinan la durabilidad (resistencia a la abrasión,...)
Disolvente
• Líquidos especiales que confieren fluidez a las pinturas.
Una vez aplicada se evaporan (o reaccionan con otros)
• Compuestos orgánicos volátiles ⇒ pinturas al agua
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
239
Pigmento
• Confiere color, reviste superficies, refuerza la película,
impide que sea dañada por radiaciones ultravioletas.
• Requisitos:
Absorción de aceite, densidad aparente, inercia química,
opacidad, baja toxicidad y distribución granulométrica.
TiO2, óxidos de hierro, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
240
Extensor
• Material inorgánico en polvo, con bajo índice de refracción,
generalmente blanco y con baja opacidad.
• Ventajas: reduce costes, modifica brillo, características
de flujo, manejo, propiedades de la película.
• Requisitos: resistencia química, viscosidad, color (grado de
blancura, matiz, resistencia a la radiación), absorción de
aceite, capacidad de dispersión, reacción en el aglutinante.
Tamaño y forma de partícula, hábito de cristales
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
241
Extensores
Carbonato cálcico: Pinturas al agua (10-35%).
Pinturas en carreteras, marítimas e industriales, anticorrosivas,...
Extensor en pinturas con TiO2 (abaratar)
Caolín: Extensor para reemplazar al TiO2
Carga funcional: Tamaño de partícula → brillo
Caolín calcinado → opacidad y uniformidad de pinturas al agua.
Talco: Carga y generador de volumen en pinturas con disolventes.
Aumento de demanda → venta por volumen
En pinturas al agua → desfloculantes
Baja resistencia a la abrasión → combinar con extensores
Barita: Para aumentar densidad → venta al peso antiguamente.
Baja abrasividad, inercia química, resistencia a meteorización,
absorción de radiaciones.
Pinturas artísticas → colores blancos (con ZnS)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
242
Pigmentos blancos
Ilmenita FeTiO3
http://jcrystal.com/steffenweber/gallery/StructureTypes/st5.html
Rutilo TiO2
http://kuroppe.icrs.tohoku.ac.jp/~masaki/wet_cell/titania/rutile.jpg
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
243
Depósitos explotables de minerales con titanio
Rocas ígneas: anortositas y gabros metamorfizados
Depósitos masivos, o bien diseminados:
Ilmenita-magnetita
Ilmenita-hematites
Ilmenita-rutilo
Sedimentos no consolidados: Segregación por gravedad en
arenas de playa, dunas, arroyos, ...
a) Roca fuente rica en Ti
b) Intensa meteorización
c) Conductos de transporte
d) Zonas de depósito adecuadas
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
244
Procesado de rutilo e ilmenita
Sulfatación:
Ilmenita y rutilo finamente pulverizados → H2SO4 → sulfatos de Fe
y Ti en solución.
Decantación y filtrado → separar sulfatos ferrosos
Precipitación de compuestos de Ti hidratados
Calcinación a 900-1000ºC → pigmento
Clorurado:
Reacción con coke de petróleo y cloruros (↑T) → tetracloruro de Ti
Condensación del gas TiCl4 → combustión 1400ºC → pigmento
Calcinación a 500ºC para eliminar residuos clorurados
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
245
Pigmentos de óxidos de hierro
Cuatro grupos:
• Ocres rojos y amarillos (Francia, España, Sudáfrica,
EE.UU.)
• Ocres pardos (Chipre)
• Siena y tonos anaranjados (Italia y Chipre)
• Óxidos de hierro rojos (España e India)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
246
Vidrio → sólido
con estructura
molecular de
líquido
Millones de toneladas
Minerales utilizados en la industria del vidrio
14
12
10
8
Unión Europea
6
Estados Unidos
4
Japón
2
0
Envases
Vidrio plano
Proporción
en el vidrio
Proporción
aproximada
Aporta
Na2CO3
25
Na2O
18
Caliza, CaCO3
10
CaO
7
Arena silícea, SiO2
65
SiO2
75
Materia prima
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
247
Composición del vidrio
Egipto
1500 AC
Roma Envase Bombilla Pyrex
s.III
Vajilla Vajilla Vidrio Fibra de
(Pb) laborat. vidrio
• Formadores de red (sílice y boratos) y modificadores (CaO, Na2O)
• Importancia de las impurezas → coloración (Cr, Fe, Co, Ni,....),
punto de fusión (Li, álcalis,...), opacidad (F), etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
248
Manufactura del vidrio plano
• Pulido y acabado mecánico de planchas de vidrio.
• Vertido del fundido en vertical para obtener láminas.
• Proceso de flotación: Compañía Pilkintons of St Helens
Alimentación de materia prima
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
1590ºC
1500ºC 1100ºC 1050ºC 600ºC 550ºC
200ºC
Sn fundido
Horno de
fusión
Baño de
flotado
Solidificación
Corte, apilado
y embalaje
• Espesor del vidrio → velocidad de aporte del fundido.
• No requiere pulido.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
249
Formadores de red: sílice
Compuestos
isodésmicos
Compuestos
anisodésmicos
Compuestos
mesodésmicos
NaCl,...
CO3=, SO4=,...
SiO44-, BO33-
Sólo los compuestos mesodésmicos tienen la capacidad
de “polimerizarse”.
Los grupos aniónicos pueden compartir oxígenos para
formar, cadenas, láminas, o redes tridimensionales.
Modificada de Klein y Hurlbut (2002) Manual de Mineralogía, John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
250
Arenas silíceas: consideraciones importantes
• Tamaño de grano fino (entre 125 y 500 µm)
• Distribución de frecuencias de tamaño uniforme.
• Lavado para eliminar partículas de tamaño arcilla.
• Tipo y proporción de impurezas.
• El color no es criterio absoluto (grafito)
Ni, Cu, Cr, Co → alto poder colorante
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
251
Trona, Na3(HCO3)(CO3)-2H2O
• Trona en la Formación Green River (Wyoming) → Eoceno 50-60 m.a.
• Un gran lago de agua dulce (>20.000 km2), poco profundo, que se evaporó
con rapidez repetidas veces.
• El Na procedería de formaciones volcánicas cercanas.
• Alternancia de períodos áridos → depósito de trona evaporítica sobre
pizarras bituminosas (algas en medio alcalino).
Períodos húmedos → niveles arcillosos cubren las capas de trona.
• Resultado: alternancia de trona, margas, pizarras bituminosas y areniscas
• Hay 42 capas de trona en un área de 2.250 km2. El espesor medio varía
de 1,5 a 4 m. La capa más importante, a 520 m de profundidad, tiene 6 m
de trona purísima.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
252
Extracción y procesado de la trona (Wyoming)
• Calcinación a T>130ºC → carbón.
• Disolución, clarificación, filtrado y
recristalización.
• Centrifugado y secado.
• Distribución del Na2CO3.
http://www.chemicalguide.com/FMC.jpg
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Otros depósitos de trona natural
•
253
Lago Searles, California (N de Los Ángeles): Depósitos
Cuaternarios (40.000 años) → Se explota como salmuera.
• Lago Magadi (Kenya)
Rift Valley. Lago con 164 km2
de trona (esp. 20-40m)
- Rodeado de lagos alcalinos,
alimentados por aguas
termales ricas en Na2CO3,
resultado del lixiviado de
silicatos de origen ígneo.
http://www.brunnermond.com/images/magadi.jpg
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Proceso Solvay: importante en el pasado
- NaCl + H2O + NH3 + CO2 = NH4Cl + NaHCO3
- Precipita NaHCO3 por filtración.
- 2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O + CO2
- CaCO3 = CaO + CO2 (calcinación)
- CaO + H2O = Ca(OH)
- 2NH4Cl + Ca(OH) = 2NH3 + CaCl2 + 2H2O
• Materias primas: calcita y halita
• Productos: Carbonato sódico y cloruro cálcico
• Reciclado de agua y grupos amonio
254
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
255
Diagramas de fases a considerar
•Eutéctico: 725ºC
CaO.SiO2
5% CaO
21% Na2O
74% SiO2
αCS
• T=1600ºC →
NC2S3
asegura fusión y
NC3S6
mayor viscosidad
(desgasificación)
Cr
• Composiciones
SiO2 → líquidus
βCS
NC2S3
NC3S6 Tridimita
con mucha
O
Cu
arz
o
N2CS3
pendiente
NS
Na2O.2SiO2
os
uid
líq
2
ita
al
ob
ist
N2CS3
más ricas en
Na2O.SiO2
SiO2
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Emisión de CO2
Las proporciones de caliza y Na2CO3 → pérdida de CO2
Pesos atómicos:
C=12; O=16; Na=23; Ca=40
Pesos moleculares
CaO=56; Na2O=62; CO2=44
CaCO3=100; Na2CO3=106
Para conseguir 100 t de vidrio → 122 t de materia prima
Se emiten 22 t de CO2
Importante reciclar vidrio
256
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
257
Boratos...los otros formadores de redes
B → fuerte afinidad por el oxígeno
Grupos triangulares (BO3)3- capaces de polimerizarse
Grupos tetraédricos (BO4)5- → relación de radios
Grupos aniónicos complejos, como {B4O5(OH)4}2- → 2 tet. + 2 tri.
Modificada de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
BO3
{B3O3(OH)5}2-
B2O5
B3O6
B2O4
{B4O5(OH)4}2-
Se clasifican como: insulares, cadenas, láminas.
Armazones B2O3 muy inestables → se desordenan → vidrio
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
258
Boratos más comunes
Mineral
Fórmula
%B2O3
Bórax
Na2B4O5(OH)4.8H2O
36,5
Kernita
Na2B4O6(OH)2.3H2O
51
Ulexita
Na2CaB5O6(OH)6.5H2O
43
Colemanita
CaB3O4(OH)3.H2O
50,8
Szaibelyta
Mg2B2O5 .H2O
41,4
• Bórax: calentamiento brusco → pequeñas esferas porosas
• Cristaliza por debajo de 60,8ºC
• Solubilidad, dureza, densidad, etc., dependen del grado de
polimerización y del número de moléculas de H2O
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
259
Borax...
c
Na
H2 O
BO3
BO4
Modificada de Klein y Hurlbut (2002)
Manual de Mineralogía,
John Wiley and Sons
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
260
Depósitos de boratos
• Concentración en corteza → 0,0003 % (océano: reserva)
• Sedimentos detríticos marinos y continentales → concentran
B de turmalinas y micas detríticas
Procesos de formación:
- Precipitación en lagos someros o profundos.
- Costras o caliches en lodos de playas.
- Precipitación directa cerca de fumarolas y fuentes termales.
- Evaporación directa de agua marina.
- Cristalización próxima a contactos graníticos.
• Cinturones volcánicos Cenozoicos en regiones de clima árido:
SW EE.UU., Andes, Tibet, China, Turquía (70% reservas)
Depósitos Pérmicos en Alemania y antigua URSS
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
261
Papel de los boratos en el vidrio:
• Alta capacidad fundente → Pyrex 774 → líquidus a 774ºC
con 80% de SiO2 ⇒ muy resistentes a la desvitrificación.
• Mejora propiedades ópticas → efecto de dispersión en el rango
de longitud de onda corta del espectro visible.
Lentes en instrumentos de precisión, filtros de luz, etc.
• Resistencia a alteración mecánica y química
• Resistencia al choque térmico → rebaja el coeficiente de
expansión térmica del vidrio (pyrex, vidrio de laboratorio,
pipetas, vajillas para cocinar en hornos, etc.)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
262
Fibra de vidrio
1.- Aislante: térmico, acústico, eléctrico.
Borosilicato.
Tambor con pequeños orificios → gira a gran
velocidad → fibras → rociado con sustancia
aglomerante para formar la “lana” de fibra.
2.- Textil: Refuerzo de plásticos, cemento, gomas, etc.
Similar al anterior, pero con requerimiento de pureza
y uniformidad mucho más exigentes.
3.- Fibra óptica: dos vidrios
- vidrio de sílice con Ge → alto índice de refracción
- vidrio de borosilicato → muy bajo índice.
La luz viaja a gran velocidad ya que existe reflexión
total entre ambos vidrios.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
263
Minerales utilizados como refractarios
Materiales que revisten hornos, reactores, calderos de colada en acerías,...
Requisitos:
• Físicos: no deben fundirse, romperse ni formar lajas por choque térmico.
• Químicos: no deben reaccionar con los fundidos, ni disolverse en ellos.
- Se fabrican normalmente como ladrillos
- Deben reemplazarse periódicamente
Condiciones de servicio:
- Temperaturas > 1500ºC → manufactura de vidrio, cemento, acero, etc.
- Presencia de líquidos y gases corrosivos.
- La mayoría de los metales no cumple alguna de estas condiciones
- Minerales refractarios más empleados: Silicatos y óxidos
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Minerales utilizados como refractarios
Mineral refractario
Punto de fusión (ºC)
Fireclay
1600-1750
Sílice
1700
Bauxita
1730-1850
Arcilla alumínica
1802-1880
Mullita
1810
Sillimanita
1816
Forsterita
1890
Cromita
1770
Alúmina
2050
Espinela
2135
Periclasa
2800
Circonia
2200-2700
264
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
265
Refractarios de sílice
Polimorfo
Estabilidad térmica (ºC)
Densidad
Cuarzo α
hasta 573
2,65
Cuarzo β
573-870
2,65
Tridimita β
870-1470
2,26
Cristobalita β
1470-1713
2,33
• Metaestabilidad → transformaciones lentas en términos industriales
• Químicamente inertes en seco.
Reactivos con fundidos básicos → silicatos ferromagnesianos
Bordes de reacción con enstatita y forsterita en el ladrillo, y
alrededor de granos individuales (poros).
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
266
Refractarios de sílice
Subsaturado
Saturado
Sobresaturado
• Reactivos con fundidos básicos →
2700
silicatos ferromagnesianos
• Bordes de reacción con enstatita y
Temperatura (ºC)
2500
forsterita en el ladrillo, y alrededor de
2300
granos individuales (poros).
L
2100
Per + L
1900
2 líquidos
Per + Fo
1700
En + L
L1
Fo + L
1500
Fo + En
0
MgO
(periclasa)
20
40
60
Forsterita
(Mg2SiO4)
Cr + L
L2
En + Cr
En + Tr
80
Enstatita
(MgSiO3)
% en peso de SiO2
100
SiO2
(cristobalita,
tridimita)
Ladrillo alterado
Ladrillo
inalterado
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
267
Refractarios de sílice
• Físicamente estables. Tridimita es el único polimorfo sin cambios
bruscos en el coeficiente de expansión térmica.
• Se intenta fabricar ladrillos con tridimita (cuarzo minoritario), con
porosidad muy baja → evitar incorporar líquidos o gases.
• La refractariedad de la sílice → moldes de fundición
(arenas silíceas y bentonita)
Grano redondeado → escape de gases
Tamaño de grano fino → evitar deformación de piezas
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
268
Refractarios de sílice
Expansión térmica linear (%)
obal
t
s
i
r
C
ita β
Cuarzo β
it a
m
i
id
Tr
α
o
z
ar
Cu
a
balit
o
t
s
i
Cr
α
Sílice vítrea
Temperatura (ºC)
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
269
Refractarios de periclasa (MgO)
• Aplicaciones donde sílice no es adecuada (composición o temperatura)
Acerías, zona de mayor temperatura en hornos de cemento,...
• Aunque tienen mayor estabilidad química, puede producirse disolución.
• Materias primas: magnesita, MgCO3, y dolomita CaMg(CO3)2
Calcinación a 1500ºC para eliminar CO2
• Dolomita: MgO + CaO → tratamiento para eliminar CaO
Agua de mar → ácido para eliminar CO2 → dolomita calcinada →
aumenta pH → precipita Mg(OH)2 → filtrado y calcinación “a muerte”.
• Hay que evitar humedad → “apaga” la magnesia → los ladrillos se
impregnan con aceite, o se emplean aglutinantes como grafito.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Refractarios aluminosilicatados
270
• Aplicaciones donde sílice o periclasa no son adecuados (costes, etc.)
• Sus estabilidades respectivas pueden deducirse del diagrama.
• Refractarios basados en minerales de la arcilla
• Refractarios basados en nesosilicatos alumínicos (sillimanita) ☺
3Al2SiO5 → Al6Si2O13 + SiO2
• Refractarios basados en bauxitas (impurezas como illita, etc.)
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
271
Refractarios aluminosilicatados
L + corindón
Temperatura (ºC)
Líquido
L + cristobalita
Mullita +
cristobalita
L + mullita
mullita
Ladrillos
de sílice
SiO2
Cristobalita + mullita
Refractarios fireclay
fireclay
Refractarios ricos en Al2O3
Caolinita
calcinada
% en peso de Al2O3
Andalucita
sillimanita
cianita
Al2O3
Bauxita
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
Otros refractarios
272
• Circonia (ZrO2): calcinando circón con dolomita
ZrSiO4 + CaMg(CO3)2 = ZrO2 + CaMgSiO4 + 2CO2
Se combina con aluminosilicatos para dar estabilidad
También se emplean arenas de circón en moldes de fundición
• Forsterita (Mg2SiO4) → Dunitas
Capacidad térmica (acumuladores → magnetita), alto punto de
fusión (arenas de moldeo), baja reactividad (acero con Mn, etc.).
Alto coste → sólo se emplea si no hay alternativa
• Cromita (FeCr2O4) → se combina con MgO normalmente
Similar al olivino en cuanto a aplicaciones y costes.
Rocas ultrabásicas (Bushveld, Sudáfrica).
Cromitas podiformes (pellets) → complejos ofiolíticos
• Diatomitas: baja densidad, T↓, aislante en aparatos, tejados, etc.
www.aulados.net Geología y Yacimientos Minerales 2015
273
Cristobalita, tridimita
SiO2
Wollastonita
Diópsido
Akermanita
Rankinita
X
Silicato dicálcico
Merwinita
Silicato
tricálcico
Cal
CaO
Monticellita
Enstatita
Forsterita
Y
Periclasa
MgO
Modificada de D.A.C. Manning (1995). Introduction to Industrial Minerals. Chapman & Hall