ES2969573T3 - Proceso de obtención de silicato de sodio en polvo a partir de relaves de arena originados en el proceso de concentración del mineral de hierro - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un proceso para la obtención de polvo de silicato de sodio a partir de relaves arenosos provenientes de procesos de procesamiento de mineral de hierro. La presente invención está destinada principalmente a la producción de materia prima utilizada para fabricar geopolímeros para uso principalmente en la industria de la construcción y para pavimentar carreteras. El reciclaje de dichos residuos disminuye el impacto ambiental causado por su disposición en grandes vertederos y permite agregar valor a dichos residuos generando un producto de uso comercial. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Proceso de obtención de silicato de sodio en polvo a partir de relaves de arena originados en el proceso de concentración del mineral de hierro
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un proceso de producción de silicato de sodio en polvo a partir de relaves de arena de la producción de mineral, en particular del procesamiento de mineral de hierro. La presente invención aborda principalmente la producción de materias primas utilizadas en la fabricación de geopolímeros y materiales activados con álcalis para ser empleados principalmente en la industria de la construcción y en la pavimentación de carreteras. El aprovechamiento de este relave reduce el impacto ambiental generado por la eliminación de relaves en grandes embalses, además de permitir añadir valor a un relave mediante la obtención de un producto comercialmente aplicable.
TÉCNICA ANTERIOR DE LA INVENCIÓN
El silicato de sodio es un compuesto inorgánico con la fórmula general Na<2>O.xSiO<2>(donde x está entre 2,06 y 3,87), obtenido por la combinación de SiO<2>(dióxido de silicio o sílice) y Na<2>O (óxido de sodio). Se puede encontrar tanto en solución acuosa como en forma sólida, siendo ampliamente utilizado en varias aplicaciones, productos y procesos industriales, en diversos sectores industriales.
La familia del silicato de sodio, también conocido como vidrio soluble, presenta varios compuestos que contienen óxido de sodio (Na<2>O) y sílice (SO<2>), o una mezcla de silicatos de sodio que difieren en sus proporciones ponderadas, contenido de sólidos, densidad y viscosidad. Estos materiales incluyen una serie de compuestos que pueden encontrarse en forma de ortosilicato de sodio (Na<4>SiO<4>), metasilicato de sodio (Na<2>SiO<3>), polisilicato de sodio ([Na<2>SiO<a>]<n>), pirosilicato de sodio (Na<6>Si<2>O<7>), entre otros. Estos compuestos tienen características vítreas, incoloras y transparentes, y son hidrosolubles, además de estar comercializados en forma de polvo o soluciones viscosas. Algunas formas son solubles y otras son casi insolubles, y las formas insolubles se disuelven fácilmente calentándolas con agua a presión.
El silicato de sodio es estable en soluciones neutras y alcalinas. En soluciones ácidas, el ion silicato reacciona con iones de hidrógeno para formar ácido silícico, el cual, cuando se calienta, forma gel de sílice, que es un material duro y vítreo.
Las principales aplicaciones del silicato de sodio son como agentes adhesivos/aglutinantes, los cuales son muy importantes en varios tipos de industrias, tal como papel, madera, placas metálicas, vidrio, porcelana, aplicaciones ópticas, materiales aislantes, cementos refractarios, cementos a prueba de ácidos y resistentes a los ácidos, briquetas, entre otros. Los silicatos solubles también pueden reaccionar con fluoruro de silicio o sílice para producir cementos resistentes a los ácidos con baja contracción y expansión térmica similar al acero.
En minería, el silicato de sodio se aplica debido a su capacidad de dispersión de arcilla, arena, cuarzo, fluorita, partículas de caolín, entre otros, actuando así como componente auxiliar en la fase de molienda. También es ampliamente utilizado en el proceso de flotación, ya que actúa como reactivo modificador, empleándose como reactivo depresor y dispersante. Se destaca su uso en la flotación de sulfuros. También existen referencias de su aplicación en la remediación de drenajes ácidos en minas, debido a sus características básicas, y como sintetizador de zeolitas.
En la industria de la construcción, el silicato de sodio se utiliza en la fabricación de materiales impermeables para paredes, suelos y baldosas. También se utiliza como aditivo para acelerar el curado del cemento y en la fabricación de tabiques y puertas cortafuegos, debido a su resistencia a altas temperaturas. También se utiliza en la producción de aislantes térmicos. También se puede aplicar en la industria cosmética y de detergentes.
Como bien saben los especialistas en la materia, los métodos industriales más comunes utilizados en la fabricación de silicato de sodio son:
• fundir sílice con carbonato de sodio (Na<2>CO<3>) a 1300 °C;
• fundir sílice con sulfato de sodio (Na<2>SO<4>) a 1300 °C;
• mediante vapor de agua en una mezcla de arena y cloruro de sodio fuertemente calentada;
• en soluciones de hidróxido de sodio (NaOH), mediante el calentamiento en autoclave de minerales de silicio (arena, calcedonia, ópalo, diatomita, etc.), a alta temperatura y presión.
La producción de silicatos de sodio mediante la reacción entre carbonato de sodio y sílice (arena) es un proceso que consume mucha energía, debido al gran gasto de energía para el mantenimiento de la temperatura alta del horno.
El proceso estándar para la fabricación de silicato de sodio consiste en mezclar sílice (SO<2>) con carbonato de sodio (Na<2>CO<3>) o, con menos frecuencia, con sulfato de sodio (Na<2>SO<4>), que se funden en un horno a alta temperatura (1200 °C a 1500 °C) y presión. Un segundo proceso implica la disolución de material de silicato (arena, calcedonia, ópalo, diatomita, etc.) en una solución de hidróxido de sodio (NaOH), también a alta temperatura y presión, siendo este último más común en Brasil.
La mezcla vítrea se somete a alta presión en un autoclave, con inyección de vapor y agua. Se forma a continuación un líquido transparente, ligeramente viscoso, inodoro y totalmente soluble en agua. La solución, que es fuertemente alcalina, es estable en todas las condiciones de uso y almacenamiento. La solución se puede secar para formar cristales de silicato de sodio hidratados. Las propiedades finales del silicato producido dependen de la relación SiO<2>/Na<2>O, que puede alterarse mediante la adición de NaOH durante el proceso y puede resumirse en la reacción:
Na<2>CO<3>+ nSiO<2>—— Na<2>O.nSiO<2>+ CO<2>
El silicato de sodio contiene tres componentes: sílice, que es el constituyente principal; álcali, representado por óxido de sodio, y agua, lo que le otorga las características de hidratación.
Los silicatos de sodio solubles son polímeros de silicato. Cuanto mayor sea el grado de polimerización, mayor es la proporción de átomos de oxígeno compartidos por los tetraedros de SiO<2>; por consiguiente, la relación SiO<2>/Na<2>O es superior, que se denomina "módulo de sílice" y que varía entre 1,6 a 3,75. Incluso si es posible producir silicatos con módulos superiores a cuatro, en la práctica, la solubilidad sería muy baja. La relación SiO<2>/Na<2>O del silicato, generalmente expresada en masa, determina las propiedades físicas y químicas del producto y su actividad funcional. La variación de esta relación permite múltiples usos del silicato de sodio. A medida que la relación S O /N a<2>O aumenta, aumenta la viscosidad y disminuye el pH de la solución. Con el aumento de la concentración, la solución aumenta en viscosidad hasta convertirse en un sólido. Por este motivo, las soluciones comerciales con un mayor módulo de sílice se proporcionan con una menor concentración de sólidos totales.
El diagrama de flujo de la fabricación convencional para el silicato de sodio, mediante procesos de fusión e hidrotermales, se presenta en la figura 1, considerando que en ambos procesos se obtiene un producto con las mismas especificaciones físicas y químicas.
De acuerdo con el primer proceso (a), la fusión del carbonato y la arena se realiza en el horno a una temperatura de 1500 °C. Posteriormente, el producto obtenido de esta fusión (100 % silicato de sodio) se envía al autoclave y se le añade agua. Bajo presión, el silicato se disuelve y se convierte en una solución de silicato de sodio, que luego se filtra. Las reacciones químicas que tienen lugar en el proceso de fusión (a) son:
Na<2>CO<3>+ xSiO<2>—— Na<2>O.xSiO<2>+ CO<2>
Na<2>O. xSiO<2>+ nH<2>O — Na<2>O.xSiO<2>.nH<2>O
De acuerdo con el proceso hidrotermal (b), se mezclan sosa cáustica y arena y se vierten en el reactor, a alta presión y temperatura, donde ocurre la siguiente reacción:
2 NaOH xSiO<2>+(n-1)H<2>O — Na<2>O.xSiO<2>.nH<2>O
En el proceso que utiliza carbonato de sodio, normalmente se añade hidróxido de sodio solo para equilibrar el contenido de Na<2>O en el producto final. La filtración se realiza para eliminar la sílice existente en forma de coloides. En la búsqueda de diferentes fuentes alternativas para la producción de silicato de sodio, se observa que en la extracción de mineral de hierro se genera una gran cantidad de relaves, procedentes de las diferentes fases de procesamiento del mineral, constituido por componentes sólidos, principalmente arenosos, similar a una arena muy fina.
La ventaja de los relaves mineros es que sus características químicas son muy similares a las de la arena común, lo que aumenta su potencial de uso en sustitución de la arena (SO<2>).
Estos residuos arenosos, generados en una cantidad comparable al material de mineral de hierro concentrado, se almacenan en presas o se utilizan para llenar pozos mineros. Por consiguiente, la disponibilidad de dichos residuos, combinado con sus similitudes con la arena ordinaria, tienen potencial para convertirlos en materia prima para varios segmentos industriales, especialmente en la fabricación de productos para la industria de la construcción.
Las preocupaciones por el reciclaje de relaves se han convertido en tema de investigación dirigido a reducir los impactos ambientales negativos asociados a los relaves. En Brasil, destacan las preocupaciones por el considerable volumen de relaves generados por la industria minera. Más específicamente, en cuanto a los residuos generados durante el procesamiento del mineral de hierro, la importancia de la reutilización y el valor añadido ha aumentado. El potencial de aprovechamiento de dichos relaves genera un impacto ambiental positivo, considerando los posibles beneficios frente a la gran cantidad de relaves producidos durante la extracción del mineral, impidiendo así su almacenamiento en presas, o incluso reduciendo considerablemente el tamaño y volumen de dichas instalaciones.
Se han investigado otros procesos para la obtención de silicato de sodio, a la luz de nuevas materias primas como fuentes de material de silicato. El estado de la técnica comprende publicaciones relacionadas con el proceso de producción de silicato de sodio, de acuerdo con el ejemplo siguiente.
El documento PI 0101413-7, presentado el 6 de marzo de 2001, presenta la invención Proceso de producción de silicato de sodio y/o aluminato de sodio y sílice", creado por Helio José da Silva y Paolo Giuseppe Comini. Se divulga un proceso de producción de silicato de sodio a partir de una materia prima de bajo coste, residuos de procesamiento, sin aporte de energía ya que el propio material es reactivo. Consiste básicamente en la lixiviación de escorias procedentes de procesos siderúrgicos y metalúrgicos (altos hornos y siderurgia) y de una sustancia alcalina, tal como, hidróxido sódico (NaOH), carbonato de sodio (Na2CO3) o trona (Na2CO3.NaHCO3). A diferencia de lo que se presenta en el proceso de la presente invención, que implica tratamiento térmico, es decir, metalurgia térmica, para que tenga lugar la reacción de formación de silicato de sodio, este documento describe un proceso hidrometalúrgico para producir silicato de sodio y/o aluminato de sodio y sílice, que implica una reacción de lixiviación sin necesidad de aporte de energía.
Ferreira, M.J. (2013), en su tesis de máster en Ingeniería Química del programa de posgrado de la Universidad Federal de Santa Catarina, titulada "Obtención de silicato de sodio por lixiviación alcalina a partir de ceniza de cascarilla de arroz (ceniza de cascarilla de arroz) para su uso como defloculante", ha utilizado las cenizas obtenidas del proceso de combustión de la cascarilla de arroz, en la obtención de silicato de sodio. El proceso incluyó la extracción de sílice mediante lixiviación alcalina con hidróxido de sodio, produciendo silicato de sodio y ceniza de cascarilla de arroz residual. La extracción se realizó en concentraciones de hidróxido de sodio 1,5 y 3,0 N, a temperaturas de 80 y 90 °C. La reacción se evaluó a las 1 y 2 horas para cada concentración estudiada. Los silicatos solubles presentaron módulos de sílice entre 2,04 y 2,83. Para este silicato resultante, se midieron la densidad, la viscosidad y el porcentaje de sílice. De este modo, se probó el silicato de sodio producido experimentalmente como defloculante para materias primas cerámicas con un porcentaje de 0,40, comparado con el 0,37 % del silicato comercial. Este proceso es distinto del de la presente invención, ya que emplea una hidrometalúrgica (lixiviación alcalina) para la obtención de silicato de sodio, en lugar de un proceso de metalurgia térmica.
La patente US 7335342, presentada el 14 de marzo de 2006, en nombre del Consejo de Investigaciones Científicas e Industriales, titulada"Proceso para la preparación de silicato de sodio a partir de relaves de kimberlita",presenta un proceso para la preparación de silicato de sodio a partir de relaves de kimberlita generados como residuos sólidos durante la extracción de diamantes. El proceso comprende la reacción de relaves de kimberlita en medios ácidos para eliminar impurezas solubles, seguido de digestión de relaves de kimberlita con una solución alcalina en sistema abierto o cerrado, para obtener silicato de sodio para su empleo comercial.
Este documento presenta una solicitud de relaves sólidos de la extracción de diamantes (kimberlita), cuya composición típica es: SiO230-32 %; AI2O32-5 %; TO25-8 %; CaO 8-10 %; MgO 20-24 %; Fe2O35-11 %; pérdida por ignición (PF) 15 %.
La ruta propuesta implica el uso de relaves de kimberlita como fuente de sílice para producir silicato de sodio. En primer lugar, los relaves se someten a una etapa de limpieza, lixiviación con ácido clorhídrico al 18% p/v en una proporción de 1:4, a una temperatura de 95-100 °C, durante 3 a 5 horas. Después de ese período, la pulpa se filtra y se lava hasta alcanzar niveles de pH neutro. Posteriormente se somete a digestión con sosa cáustica, donde se añade al material una solución de NaOH del 8 % al 10 % en peso, en una proporción sólido-líquido de 1:4, a una temperatura de 95-190 °C, en sistema cerrado, o a temperatura de ebullición en sistema abierto durante 3 a 4 horas, obteniendo silicato de sodio con las propiedades requeridas. El documento RU2682635 avanza un proceso para producir silicato de sodio a partir de residuos de la producción de aleaciones de ferrocromo-silicio. El documento CN108726525 describe un proceso para producir silicato de sodio a partir de una suspensión de lixiviación de mineral de níquel. El documento CN102583417 describe un proceso para producir silicato de sodio utilizando ganga. El documento RU2374177 describe un proceso para producir silicato de sodio a partir de residuos de la producción de ferrosilicio. El documento RU2335456 describe un proceso para producir silicato de sodio a partir de una aleación de hierro-sílice.
A diferencia de la propuesta del documento, en la presente invención, el silicato de sodio se obtiene mediante la reacción del hidróxido de sodio con los relaves de flotación a temperaturas del orden de 450 °C durante 2,5 horas. Se obtiene silicato de sodio (Na2SiO3) en polvo mezclado con óxido de hierro residual de los relaves.
Cabe señalar también que la búsqueda de materiales alternativos al cemento Portland, con un proceso de producción que causa menor impacto ambiental, ha aumentado con la investigación en todo el mundo. Entre dichos materiales se encuentran los geopolímeros, que son aglomerantes de cemento con funciones similares al cemento Portland. Actualmente, los geopolímeros están experimentando un aumento de interés, ya que su proceso de fabricación emite sólo una quinta parte de la cantidad de dióxido de carbono que se emite en la fabricación del cemento Portland. La industria del cemento Portland, dentro del sector industrial, es el segundo mayor emisor de dióxido de carbono. Estos aglutinantes se obtienen por activación alcalina de materiales ricos en sílice y alúmina, destacando el metacaolín y los residuos industriales. Requiere la adición de sílice en forma de silicatos de sodio (o potasio) al metacaolín para aumentar la cantidad de sílice en la obtención de geopolímeros.
Los geopolímeros son polímeros inorgánicos con mayor resistencia, obtenidos a partir de un mineral sólido reactivo que contiene silicio y óxido de aluminio que recibe una solución de activación básica con hidróxidos o silicatos alcalinos.
Los geopolímeros son productos con numerosas aplicaciones en la industria de la construcción como sustitutos del cemento, así como para promover reducciones de las emisiones de CO2. Su uso en pavimentación es muy positivo, ya que reduce considerablemente la frecuencia del mantenimiento correctivo, debido a la falta de grietas y fusión por calor, lo que también implica la reducción de costes de pavimentación y mantenimiento vial.
La presente invención presenta además una alternativa a la producción de geopolímeros, donde los relaves de arena provenientes del proceso de concentración del mineral de hierro se utilizan como agregado junto con el silicato de sodio producido a partir de los mismos relaves. La obtención de geopolímeros a partir de dichos relaves se visualiza como una alternativa para disminuir las áreas de almacenamiento de relaves y eliminar presas.
OBJETIVOS DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene como objetivo general proporcionar un proceso para la obtención de silicato de sodio a partir de relaves de arena provenientes del proceso de concentración de mineral de hierro, como una fuente de sílice, para su uso en la fabricación de geopolímeros.
Objetivos adicionales de la presente invención son disminuir los relaves en las unidades de procesamiento de mineral de hierro, lo que supone un importante impacto ambiental, y la utilización de estos relaves, transformándolos en un producto comercial.
Otro objetivo de la presente invención es, por consiguiente, reducir el impacto ambiental generado por la eliminación de relaves de procesamiento de minerales en presas, lo cual es posible aprovechando este material como fuente de silicato para producir silicato de sodio.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, en su realización preferida, divulga un proceso para obtener silicato de sodio en polvo a partir de relaves de arena generados durante el proceso de concentración de mineral de hierro, que comprende las siguientes etapas:
a) eliminar la fracción ultrafina (tamaño de grano inferior a 40 pm), también llamado lodo, presente en relaves arenosos generados durante el proceso de concentración del mineral de hierro;
b) someter el material exento de lodo a eliminación del exceso de humedad;
c) secar el material resultante después de eliminar el exceso de humedad;
d) añadir una solución de hidróxido de sodio al material seco, a una concentración de 33 a 38 mol/l, en una proporción de una parte de masa de relaves por dos partes de masa de solución;
e) someter el relave y la solución de hidróxido de sodio a mezclado en el equipo adecuado, asegurando una perfecta homogeneización;
f) someter la mezcla a un tratamiento térmico a una temperatura entre 400 °C y 500 °C y, posteriormente, enfriar el material obtenido; y
g) almacenar el material enfriado, como el producto final, evitando así la absorción de humedad debido a su comportamiento higroscópico.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La presente invención se describe en detalle basándose en los siguientes dibujos:
La figura 1 ilustra un diagrama de bloques simplificado de la producción de silicato de sodio a partir del proceso de fusión (a) o del proceso hidrotermal (b);
La figura 2 presenta un diagrama de bloques simplificado del proceso de producción de silicato de sodio en polvo a partir de relaves de arena generados por el proceso de concentración del mineral de hierro, de acuerdo con la presente invención;
La figura 3 presenta un proceso de obtención de geopolímeros utilizando silicato de sodio obtenido de relaves de arena;
La figura 4 ilustra un difractograma de rayos X del silicato de sodio obtenido.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Aunque la presente invención puede ser sensible a diferentes modelos, los dibujos y la siguiente discusión detallada representan las realizaciones preferidas entendiendo que la presente descripción debe considerarse un ejemplo de los principios de la invención y no pretende limitar la presente invención a las disposiciones del presente documento.
La materia objeto reivindicada de la presente invención se detallará a continuación, como un ejemplo no limitativo, dado que los materiales y métodos divulgados en el presente documento pueden comprender diferentes detalles y procedimientos, sin apartarse del alcance de la invención. Salvo que se indique lo contrario, todas las partes y porcentajes descritos a continuación son medidas de peso.
El enfoque principal de esta invención está relacionado con un proceso para la producción de silicato de sodio a partir de materiales con alto contenido de sílice (SO2) en su constitución, siendo dichos materiales relaves de flotación, generados por el proceso de concentración del mineral de hierro.
En una realización preferida, el proceso de producción de silicato de sodio de la presente invención utiliza relaves de arena generados durante el proceso de concentración de mineral de hierro mediante flotación como fuente de materiales que contienen sílice, que tiene características similares a la arena ordinaria y puede usarse en este proceso de producción, como sustituto de la arena como fuente de sílice.
En otra realización preferida, el proceso de producción de silicato de sodio de la presente invención comprende las siguientes etapas:
a) eliminar la fracción ultrafina (tamaño de grano inferior a 40 pm), también llamado lodo, presente en relaves arenosos generados durante el proceso de concentración del mineral de hierro;
b) someter el material exento de lodo a eliminación del exceso de humedad;
c) secar el material resultante después de eliminar el exceso de humedad;
d) añadir una solución de hidróxido de sodio al material seco, a una concentración de 33 a 38 mol/l, en una proporción de una parte de masa de relaves por dos partes de masa de solución;
e) someter el relave y la solución de hidróxido de sodio a mezclado en el equipo adecuado, asegurando una perfecta homogeneización;
f) someter la mezcla a un tratamiento térmico a una temperatura entre 400 °C y 500 °C y, posteriormente, enfriar el material obtenido; y
g) almacenar el material enfriado, como el producto final, evitando así la absorción de humedad debido a su comportamiento higroscópico.
El proceso comienza con la eliminación del material ultrafino (tamaño de grano inferior a 40 pm), también llamado lodo, presente en los relaves de arena, que puede realizarse mediante un sistema ciclónico, espesamiento, o centrifugación o, más adecuadamente, una combinación de dichas operaciones unitarias, dando como resultado un material con granulometría adecuada para el posterior procesamiento.
Después de la eliminación de la fracción ultrafina, el material exento de lodo, con un porcentaje de sólidos que varía entre el 20 y el 65 % (en masa), se envía a una etapa de deshidratación, que puede realizarse mediante filtración o centrifugación, preparando el material para la siguiente etapa de secado. El objetivo de la filtración es minimizar la humedad del material, lo que conlleva un menor consumo de energía. La humedad de la torta obtenida también está relacionada, además de la presencia de material fino, con los minerales presentes en la composición. Esta operación unitaria produce preferentemente una torta con hasta un 15 % en masa de humedad, y este valor no es limitante.
Por consiguiente, la siguiente etapa de secado es importante para asegurar la eliminación del exceso de humedad del material. Este proceso se puede llevar a cabo de varias maneras, sin embargo, las más comunes para materiales sólidos se basan en el intercambio de calor y, en el caso de la presente invención, puede ser preferentemente mediante un método directo (convección) o indirecto (conducción). El secado se realiza en una secadora estándar, que es un secador de tipo rotativo o de lecho fluido, por ejemplo. La temperatura de secado utilizada en la industria, particularmente cuando se refiere a materiales sin problemas de oxidación, es hasta 105 °C, pero podrá definirse de acuerdo con el tipo de equipo a utilizar, así como el tiempo requerido. Dependiendo de las condiciones climáticas y la disponibilidad de almacenamiento, el secado también podrá realizarse al aire libre.
Después del secado, el material seco recibe una solución de hidróxido de sodio a una concentración de 33 a 38 gmol/l, en una relación másica de una parte de material seco por dos partes de solución, para obtener una pasta. Se utiliza una mezcladora para garantizar una mezcla eficiente con homogeneidad del material. La mezcla se realiza constantemente durante aproximadamente 2 minutos, sin pérdida de calor.
La mezcla obtenida se envía a una etapa de calor, en la cual se podrá utilizar un horno rotatorio a una temperatura de proceso de entre 400 °C y 500 °C. El calentamiento de la mezcla puede realizarse a una velocidad media de calentamiento de 10 °C/min, con un tiempo de residencia preferente no limitativo de 2,5 horas. Después del tratamiento térmico, el material se somete a una fase de enfriamiento en un intercambiador de calor, que puede ser del tipo carcasa y tubo. Tras el enfriamiento, la temperatura del silicato de sodio en polvo, es decir, el producto final de la presente invención, debe estar en el intervalo de 60 °C y 75 °C. Este producto debe almacenarse en un lugar o contenedor cerrado, para evitar la absorción de humedad debido a su alta higroscopicidad.
EJEMPLO
Se realizaron pruebas a escala de banco de pruebas con muestras de relaves del procesamiento del mineral de hierro, destinado a la producción de silicato de sodio en polvo. Los resultados obtenidos muestran la posibilidad de obtener silicato de sodio apto para su uso en la producción de geopolímeros.
En dichas pruebas, se utilizaron dos relaves de flotación provenientes de una unidad concentradora de mineral de hierro, identificados como VGR1 y VGR2. La composición química de las muestras se presenta en la Tabla 1.
Tabla 1: Composición química promedio de muestras de relaves de flotación de mineral de hierro (Técnica:
Fluorescencia de rayos X)
La pulpa de los relaves fue decantada en un primer momento, separando el sobrenadante, que incluía la fracción ultrafina inferior a 40 pm, mediante sifonamiento. El material decantado y espesado se sometió a secado en estufa durante 24 h, a una temperatura de 100 °C. Después del secado, el material fue desagregado y homogeneizado.
En la secuencia de preparación del silicato de sodio, el material secado y homogeneizado recibió una solución de NaOH a una concentración de 37 gmol/l, en una relación en masa material secoIsolución de 1:2.
La mezcla se llevó a un horno y se calentó a una velocidad de 10 °C/min hasta 450 °C, manteniéndose dicha temperatura durante 2,5 horas. El producto de este tratamiento térmico es el silicato de sodio, obtenido en forma de polvo. Después de esta etapa, el producto se enfrió a temperatura ambiente y se almacenó en un recipiente cerrado, para evitar la absorción de agua del ambiente debido a su comportamiento higroscópico.
Para fines de caracterización del silicato de sodio en polvo, Se llevaron a cabo procedimientos de difracción de rayos X y fluorescencia de rayos X. El diagrama de difracción se muestra en la Figura 4.
La Tabla 2 presenta la composición química del silicato de sodio en polvo obtenido. Cabe destacar que la relación SiO2/Na2O es inferior a 1, a diferencia de los silicatos comerciales, cuya relación varía entre 1,60 y 3,75. El exceso de Na2O es una característica clave de este producto, dado que la adición de agua para obtener la pasta aglutinante proporciona el medio alcalino necesario para la disolución de iones de aluminato y silicato del metacaolín u otras fuentes de dichos iones, para formar el geopolímero.
Tabla 2: Composición química de muestras obtenidas de silicato de sodio de relaves de arena (Técnica:
Fluorescencia de rayos X)
El silicato de sodio en polvo (Na2SiO3), obtenido mediante el proceso descrito por la presente invención, generado a partir de relaves de arena del proceso de concentración de mineral de hierro, puede usarse en la producción de geopolímeros, que tienen aplicación en la pavimentación de carreteras, por ejemplo, en el cual el proceso de obtención se muestra en el diagrama de bloques de la Figura 3.
El silicato de sodio en polvo obtenido mediante la técnica presentada, de acuerdo con la Figura 3, puede mezclarse con metacaolín u otra fuente de silicato de aluminio en polvo amorfo, junto con el relave de flotación. Posteriormente, se añade agua a esta mezcla, produciendo una pasta que se moldea para obtener monolitos endurecidos. Este material puede usarse para reemplazar el mortero de cemento Portland, con el beneficio adicional de incluir una alta fracción de relaves, lo cual no es posible con este tipo de cemento. El geopolímero obtenido podrá ser utilizado en la industria de la construcción o en obras de pavimentación de aceras o carreteras. La obtención de este geopolímero a partir de fuentes alternativas que contienen sílice ha sido objeto de investigación y su uso tiene el beneficio añadido de evitar la manipulación de soluciones muy alcalinas, además de representar un proceso muy similar a la producción de mortero de cemento Portland.
Claims (7)
1. Proceso de obtención de silicato de sodio en polvo a partir de relaves de arena generados en el proceso de concentración de mineral de hierro,caracterizado por quecomprende las siguientes etapas:
a) eliminar la fracción ultrafina, con tamaño de grano inferior a 40 |jm, presente en relaves arenosos generados durante el proceso de concentración del mineral de hierro;
b) someter el material sin fracción ultrafina a la eliminación del exceso de humedad;
c) secar el material resultante después de eliminar el exceso de humedad;
d) añadir una solución de hidróxido de sodio al material seco, a una concentración de 33 a 38 mol/l, en una proporción de una parte de masa de relaves por dos partes de masa de solución;
e) someter a mezclado el relave y la solución de hidróxido de sodio hasta su perfecta homogeneización;
f) someter la mezcla a un tratamiento térmico a una temperatura entre 400 °C y 500 °C y, posteriormente, enfriar el material obtenido; y
g) almacenar el material enfriado, como el producto final, evitando así la absorción de humedad.
2. Proceso, de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizado por queel material sin fracción ultrafina resultante de la etapa a) presenta un porcentaje de sólidos que varía del 20 al 65 % en masa.
3. Proceso, de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizado por quela eliminación de la fracción ultrafina en la etapa a) se lleva a cabo mediante un sistema ciclónico, espesamiento, centrifugación, o una combinación de estas operaciones unitarias.
4. Proceso, de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizado por quela eliminación del exceso de humedad en la etapa b) se lleva a cabo mediante filtración o centrifugación.
5. Proceso, de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizado por queel producto de eliminación del exceso de humedad en la etapa b) tiene hasta un 15 % en masa de humedad.
6. Proceso, de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizado por queel secado realizado en la etapa c) se lleva a cabo en una secadora estándar, que puede ser una secadora de tipo rotatorio o de lecho fluido.
7. Proceso, de acuerdo con la reivindicación 1,caracterizado por quela temperatura del producto final después del enfriamiento en la etapa f) está en el intervalo de entre 60 y 75 °C.
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