El objetivo de este trabajo es caracterizar 4 escorias de fundiciones de cobre del siglo XIX, procedentes de vertederos abandonados en la Región de Atacama - Chile, utilizando las técnicas de fluorescencia de rayos X (FRX), difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (SEM), análisis de partículas por difracción láser (ADL), espectrometría infrarroja por transformadas de Fourier (FTIR) y análisis termogravimétrico (ATG). Las escorias de cobre estudiadas fueron clasificadas químicamente como escorias ácidas, con mayor contenido de SiO2 (38 - 49%) que de Fe2O3 (18 - 37%), y con una importante cantidad de CaO (8-26%) y Al2O3 (5-8%). Su mineralogía y estructura es variada, presentando una de ellas una estructura amorfa y las tres restantes, una estructura cristalina con cierto carácter amorfo. Las fases minerales mayoritarias presentes en las escorias de cobre son diópsido, fayalita, magnetita, cristobalita y clinoferrosilita. Los niveles de calcio indicarían que las escorias poseen propiedades cementantes para ser utilizadas en materiales de construcción. Además, la importante cantidad de escoria disponible y el contenido de CuO (0,6 - 1,2%) muestran que puede ser de interés como materia prima en la recuperación del metal.
La escoria de cobre (EC), es un residuo industrial perteneciente al grupo de las escorias no ferrosas y es generada durante el proceso de producción de ánodos de cobre. Las fundiciones primarias modernas generan entre 2,2 y 3 ton de EC por cada tonelada de cobre producida (Shi
Chile es un país con tradición minera-metalúrgica, actividad productiva que ha tenido un desarrollo importante desde mediados del siglo XIX hasta nuestros días. Antecedentes bibliográficos describen que en el Norte de Chile, particularmente en las regiones de Coquimbo y Atacama, se establecieron numerosas fundiciones cercanas a los yacimientos mineros de cobre, llegándose a registrar en el año 1858, 145 fundiciones de cobre con un total de 347 hornos (Sociedad Nacional de Minería,
La valorización de estos residuos puede traer beneficios económicos y medioambientales. Las EC modernas se comercializan en los sectores minería y construcción. En la construcción se utiliza principalmente como material de relleno y como material abrasivo (Murari
Por otra parte, la posibilidad de valorizar las EC mediante la recuperación de metales contenidos en ellas, puede ser una interesante alternativa para la industria metalúrgica. Diversos estudios proponen metodologías para la recuperación de Cu, Co y Zn (Arslan y Arslan,
La composición química de las EC varía con el tipo de horno usado (Shi y Qian,
Las EC pueden ser vertidas y enfriadas lentamente al aire, o pasar por un proceso de enfriamiento rápido con chorro de aire o agua. Las EC enfriadas al aire son de color negro vítreo mostrando baja absorción de agua, mientras que las que son enfriadas con agua son amorfas, granuladas y con mayor capacidad de absorción (Onuaguluchi,
Con el propósito de aportar información que permita orientar los estudios sobre el potencial uso de las EC como material de construcción o como una materia prima en la extracción de metales secundarios para el sector metalúrgico, en este trabajo se caracterizan cuatro EC chilenas del siglo XIX procedentes de vertederos abandonados, mediante fluorescencia de rayos-X (FRX), difracción de rayos-X (DRX), espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), análisis termogravimétrico (ATG), microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) y análisis de difracción láser (ADL).
Se caracterizaron 4 EC de vertederos de fundiciones chilenas del siglo XIX las cuales son identificadas como Playa Negra (EC-PN), Púquios (EC-PQ), Canto del Agua (EC-CA) y Nantoco (EC-NT), nombres adoptados según la zona geográfica de su procedencia. En la
Coordenadas de ubicación de escoriales de cobre
Escorial | Latitud | Longitud |
---|---|---|
EC-PN | 27° 03′ 39″ S | 70° 48′ 45″ O |
EC-PQ | 27° 07′ 00″ S | 69° 53′ 56″ O |
EC-CA | 28° 09′ 04″ S | 70° 54′ 37″ O |
EC-NT | 27° 32′ 30″ S | 40° 16′ 11″ O |
La toma de muestras de las EC antiguas desde los diferentes vertederos, se realizó mediante excavaciones hasta una profundidad media de 0,70 m. Se descartaron las EC superficiales con el propósito de prescindir de muestras potencialmente meteorizadas o contaminadas con polvo u otras sustancias. Se practicaron 5 calicatas en el vertedero y desde cada una de ellas, se extrajo una cantidad de muestra que se depositó en bolsas plásticas totalizando 40 kg aproximadamente, las cuales fueron llevadas al laboratorio de Obras Civiles de la Universidad de Atacama, Chile, para homogeneizarlas. Posteriormente, la muestra de cada escorial fue mezclada, cuarteada y almacenada para su molienda.
En la Universidad de Atacama se trituraron las EC de manera secuencial en 2 diferentes machacadoras: de mandíbula y de rodillo, hasta alcanzar un tamaño medio de 35 μm. La muestra se homogeneizó en un cortador de Riffle (32” x 1/2”) y alrededor de 2 kg de polvo de cada EC, se molieron posteriormente en los laboratorios de la Universitat Politècnica de València en España. La molienda fina se realizó en un molino de bolas Nannetti modelo Speedy 1. La escoria se depositó dentro de un recipiente de porcelana de un litro de capacidad, en el cual se introdujeron 60 bolas de alúmina de 18 mm de diámetro y 500 g de escoria, con un tiempo de molienda 35-55 min. Cada 5 min se extrajo una pequeña muestra del material molido verificándose su granulometría por el ensayo de análisis por difracción láser.
En la determinación de la distribución de tamaño de partícula de la EC molida, se llevó a cabo mediante difracción láser (ADL, Mastersizer 2000, Malvern Instruments). La composición química de la EC se obtuvo mediante fluorescencia de rayos-X (FRX, Magic Pro, Philips, mod. PW2400). Las fases cristalinas existentes en la EC se determinaron por difracción de rayos-X (DRX, Brucker AXS D8 Advance), usando radiación Kα de Cu y filtro de níquel, con voltaje de 40 kV e intensidad de corriente de 20 mA, en el rango 2θ = 5 - 70°, con un ángulo de paso de 0,02° y tiempo de paso de 2 s/paso. La variación de masa de la EC con el aumento de la temperatura se determinó por análisis termogravimétrico (ATG, Mettler-Toledo 850) en crisoles de alúmina en el intervalo de temperaturas de 35 °C a 1000 °C, con una velocidad de calentamiento de 20 °C.min–1 en atmósfera de aire. La muestra molida de EC se estudió por espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier en el intervalo 4000 - 400 cm–1 (FTIR, Brucker Tensor 27 MIR, rango de 7800-370 cm–1). El estudio morfológico se realizó con un microscopio de barrido de emisión de campo (FESEM, Zeiss Ultra-55). Para la determinación del residuo insoluble (RI) en ácido clorhídrico y en hidróxido de potasio se siguió lo sugerido por UNE-EN 196-2 (
En la
Composición química y otros parámetros físicos de las escorias de cobre estudiadas, % en peso
EC-PN | EC-PQ | EC-CA | EC-NT | ||
---|---|---|---|---|---|
Composición química, % | SiO2 | 39,14 | 38,33 | 45,02 | 49,25 |
Fe2O3 | 30,48 | 20,40 | 36,62 | 18,14 | |
CaO | 13,41 | 26,10 | 7,72 | 14,32 | |
Al2O3 | 8,39 | 7,76 | 5,21 | 8,37 | |
MgO | 2,09 | 2,14 | 1,53 | 1,05 | |
K2O | 1,5 | 0,78 | 0,54 | 2,21 | |
P2O5 | 1,20 | 0,64 | 0,55 | 0,16 | |
Na2O | 1,05 | 0,64 | — | — | |
CuO | 0,57 | 0,69 | 1,24 | 0,72 | |
SO3 | 0,46 | 0,26 | 0,49 | 0,16 | |
TiO2 | 0,38 | 0,39 | 0,20 | 0,43 | |
ZnO | 0,36 | 0,49 | 0,03 | 1,79 | |
BaO | 0,27 | 0,04 | 0,08 | 0,79 | |
MnO | 0,24 | 1,05 | 0,10 | 1,02 | |
Sb2O3 | 0,14 | 0,02 | — | 0,18 | |
Co3O4 | 0,09 | — | 0,17 | 0,07 | |
Cl | 0,07 | 0,03 | 0,09 | 0,06 | |
PbO | 0,05 | 0,10 | 0,03 | 0,39 | |
As2O3 | 0,04 | 0,02 | 0,21 | 0,79 | |
ZrO2 | 0,03 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | |
SrO | 0,03 | 0,03 | 0,01 | 0,03 | |
MoO3 | 0,02 | 0,11 | — | 0,03 | |
Rb2O | 0,01 | 0,01 | — | 0,01 | |
Otros | — | — | 0,15 | 0,02 | |
Otros Parámetros | PF |
−2,11 | −1,50 | −2,51 | −3,41 |
DR |
3,10 | 2,96 | 3,36 | 2,96 | |
RI |
11,45 | 0,95 | 19,32 | 17,96 | |
IB |
0,33 | 0,61 | 0,18 | 0,27 |
Pérdida al fuego;
Densidad relativa;
Residuo insoluble;
Índice de basicidad
En la
En la
Diámetro medio y tiempo de molienda de las escorias
EC-PN | EC-PQ | EC-CA | EC-NT | |
---|---|---|---|---|
Dmedio, μm | 15,33 | 15,12 | 15,03 | 20,82 |
tmolienda, min | 40 | 35 | 55 | 50 |
D(0,9)/D(0,1) | 42,5 | 290,5 | 28,2 | 37,3 |
Bandas FTIR de escorias de cobre
Muestra | Número de ondas (cm−1) | Vibraciones posibles | Referencia |
---|---|---|---|
EC-PN | 1042 | Extensión simétrica y asimétrica de Si-O | (Nath y Kumar, |
950, 876 | Extensión asimétrica de Si-O del modo ʋ3 en SiO4 | (Mihailova y Mehandjiev, |
|
463 | División degenerada de ʋ4 vibraciones de flexión asimétrica de Si-O | (Mihailova y Mehandjiev, |
|
EC-PQ | 3728-3600 | Valencia OH– , simétrica y asimétrica | (Darder |
2972 | -OH del agua | (Sakulich |
|
1000, 905 | Extensión asimétrica de Si-O del modo ʋ3 en SiO4 | (Mihailova y Mehandjiev, |
|
704, 617 | Enlaces Al-O | (Fernández-Jiménez, |
|
659 | Flexión enlaces Si-O-Si | (Fernández-Jiménez, |
|
453 | Asociadas a deformaciones ʋ4 (O-Si-O) | (Fernández-Jiménez, |
|
445 | Flexión de Si-O/Al-O | (Nath y Kumar, |
|
418 | Enlaces Si-OH | (Velázquez, |
|
EC-CA | 2988, 2975, 2900 | -OH del agua | (Sakulich |
1041 | Extensión simétrica y asimétrica de Si-O | (Nath and Kumar, |
|
955, 875 | Extensión asimétrica de Si-O del modo ʋ3 en SiO4 | (Mihailova y Mehandjiev, |
|
803, 723, 625 | Enlaces Al-O | (Fernández-Jiménez, |
|
461 | División degenerada de ʋ4 vibraciones de flexión asimétrica de Si-O | (Mihailova y Mehandjiev, |
|
EC-NT | 2990, 2975, 2900 | -OH del agua | (Sakulich |
951, 912 | Extensión asimétrica de Si-O del modo ʋ3 en SiO4 | (Mihailova y Mehandjiev, |
|
453 | Asociadas a deformaciones ʋ4 (O-Si-O) | (Fernández-Jiménez, |
Curvas de distribución de tamaño de partículas de las EC molidas.
Micrografías a 1000x de las EC molidas: a) EC-PN, b) EC-PQ, c) EC-CA y d) EC-NT.
Espectros FTIR de las escorias de cobre molidas.
TG y DTG de las escorias de cobre.
La
Difractogramas de DRX de escorias de cobre.
Se caracterizaron química, física y mineral-ógicamente cuatro escorias de cobre de vertederos chilenos abandonados del siglo XIX usando diferentes técnicas de laboratorio. Las EC estudiadas fueron clasificadas químicamente como escorias ácidas de acuerdo al Índice de Basicidad, con un mayor contenido (% en peso) de SiO2 (38-49%) que de Fe2O3 (18-37%) y con una importante cantidad de CaO (8-26%) y Al2O3 (5-8%). Su mineralogía y estructura es variada, la EC-PQ mostró que es amorfa y las EC-PN, EC-CA y EC-NT poseen una estructura principalmente cristalina con cierto carácter amorfo mostrado en la desviación de la línea base en DRX.
Las fases minerales mayoritarias presentes en las EC correspondieron a diópsido, fayalita, magnetita, cristobalita y clinoferrosilita. Los niveles de calcio indicarían que las escorias podrían poseer propiedades cementantes para ser utilizadas en construcción. Además, el bajo valor de RI obtenido en la EC-PQ junto con su estructura amorfa, nos indicaría una potencial reactividad, por lo que podría ser utilizado en la producción de cementos puzolánicos.
La gran cantidad de EC disponible en los vertederos del siglo XIX, de aproximadamente 3,5 Mt métricas, así como su apreciable contenido de CuO (0,6 - 1,2%) haría viable económicamente, también desde el punto de la sostenibilidad, la recuperación de ese metal.
A programa de la Unión Europea Erasmus Mundus Lindo por la beca doctoral de D. Amin Nazer y al proyecto DIUDA 22235 por el co-financiamiento de etapa de molienda de escorias.