WO2023155025A1 - Espuma cerámica y método para la elaboración de dicha espuma cerámica a partir de relaves mineros - Google Patents

Espuma cerámica y método para la elaboración de dicha espuma cerámica a partir de relaves mineros Download PDF

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WO2023155025A1
WO2023155025A1 PCT/CL2022/095001 CL2022095001W WO2023155025A1 WO 2023155025 A1 WO2023155025 A1 WO 2023155025A1 CL 2022095001 W CL2022095001 W CL 2022095001W WO 2023155025 A1 WO2023155025 A1 WO 2023155025A1
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tailings
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temperature
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PCT/CL2022/095001
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Inventor
Lina Marcela URIBE VÉLEZ
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Universidad De Talca
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    • B03D—FLOTATION; DIFFERENTIAL SEDIMENTATION
    • B03D1/00—Flotation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
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    • B03D1/00—Flotation
    • B03D1/02—Froth-flotation processes
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    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/10—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by using foaming agents or by using mechanical means, e.g. adding preformed foam

Definitions

  • the present invention is related to the technical field of ceramic or glass foams, particularly, it refers to a new ceramic foam and a method for the preparation of said ceramic foam that uses mine tailings as raw material, and glycerol as the only foaming agent. .
  • ceramic foams also called glass foams
  • These foams have a wide variety of applications due to their unique physical and mechanical properties. They are particularly useful in the construction industry since it is a light, resistant, chemically inert material, it is capable of controlling humidity, it is resistant to freezing, it is not toxic or flammable, and it is an excellent thermal and acoustic insulator.
  • ceramic foams have high manufacturing costs related to the crushing, grinding and production processes, which is a limitation for their massive use.
  • patent document CN1 12876214A discloses a microcrystalline ceramic foam that includes a mixture of ceramic foam raw material and glass frit. It uses tailings generated from the extraction of ores as raw material of gold and other components such as bentonite, kaolinite, talc, and calcite to obtain a ceramic foam with a mechanical resistance and apparent density that meets the requirements of the industry.
  • the method for obtaining this microcrystalline ceramic foam requires, first, obtaining the glass frit by weighing, grinding and mixing each of the previously mentioned components.
  • Patent documents CN107522405A and CN107857477A disclose a method for obtaining ceramic foams from tailings generated from the extraction of silver or gold ores, respectively. Both methods include first combining silver or gold tailings to obtain glass frits with a certain chemical composition, melting the glass frits at a temperature between 1,400 - 1,500 °C for 5 to 8 hours, and then quenching them to obtain a raw glass foam material. Subsequently, the raw glass foam material is mixed with calcium carbonate or carbon black as a foaming agent, and ground for 6 to 8 hours. Only after all this initial process does the process of sintering, annealing and cooling begin to obtain the final glass foam.
  • Patent document CN103936454A discloses a ceramic foam that uses tailings generated from the extraction of gold and copper ores as raw material, comprising between 75 - 90% tailings, 5 - 10% float glass powder, 3 - 8% foaming agent, and 2-8% additives.
  • the foaming agent is a mixture of silicon carbide, calcium carbonate, and activated carbon.
  • the additive is a mixture of borax and sodium carbonate.
  • the method for obtaining this ceramic foam comprises mixing all the components uniformly, compressing the mixture in a mold and calcining it at a temperature from 30 °C to 600 °C at a rate of 4 - 6 °C/min, keeping at the temperature of 600°C for 15 min, then at a rate of 6 - 9 °C/min at a sintering temperature of 1,000 - 1,100 °C for 20 - 50 minutes. It is then cooled to room temperature to obtain the final ceramic foam.
  • the present invention refers to a new ceramic foam and a method for the preparation of said foam that is much cheaper than those described in the state of the art for the preparation of said ceramic foam that uses tailings from the mill as raw material. mining and, surprisingly, glycerol as the only foaming agent.
  • a first object of the present invention is a method for the elaboration of ceramic foams that comprises the steps of: providing a raw material that comes from mine tailings, where said raw material includes S ⁇ Ü2 in a proportion of at least or around 70 % m/m, and Fe2Ü3 in a minor proportion or about 10% m/m; mix said raw material with a flux agent, and glycerol as the only foaming agent until a homogeneous mixture is obtained; synthesize the homogeneous mixture obtained; and cooling the homogeneous mixture to obtain the ceramic foam.
  • the method can include a stage in which the mine tailings are classified by size and those with a particle size less than or equal to 100 pm are selected.
  • the raw material includes AI2O3 in a proportion of at least or about 2% m/m, and the presence of at least one alkali and/or alkaline earth metal oxide selected from the group consisting of CaO, Na2Ü, K2O, MgO and a mixture of these.
  • the fluxing agent is selected from the group consisting of soda ash, sodium borate, lime, and/or a mixture thereof.
  • the fluxing agent is a mixture of soda ash and lime.
  • the raw material is added to the mix at a rate between 65-80% m/m and glycerol is added to the mix at a rate between 4-10% m/m.
  • the fluxing agent is a mixture of sodium carbonate and lime, these are added to the mixture in a proportion between 14 - 18% m/m of sodium carbonate, and between 4 - 6% m/m of lime.
  • the step of the method of sintering the homogeneous mixture is preferably carried out at a temperature between 850 - 900 °C. In a preferred embodiment of this stage of the method, said temperature is maintained for a time between 20-45 minutes. For this, it is preferable that the temperature is increased gradually at a rate between 10 - 20 °C per minute.
  • the stage of the method of cooling the mixture preferably comprises a first stage in which the temperature of the homogeneous mixture is gradually decreased until it reaches a range between 500 - 550 °C, and a second stage in which the homogeneous mixture is left cool to room temperature.
  • the temperature is lowered at a rate between 5-6°C per minute.
  • a second object of the present invention is a ceramic foam that is obtained by the method described here.
  • a ceramic foam is obtained having an apparent density of less than or around 1.5 ton/m 3 , preferably less than or around 0.8 ton/m 3 , a mechanical resistance greater than or about 0.2 MPa, preferably greater than or about 0.4 MPa, and an average pore size of less than or about 1.8 mm, preferably less than or about 1.0 mm.
  • the ceramic foam obtained has a thermal conductivity less than or around 0.13 W/mK.
  • the FIG. 1 shows a schematic of the process for making foams from gold and silver tailings.
  • the FIG. 1A shows a satellite photograph of a location from which tailings can be obtained. At this stage, after obtaining the tailings, they are classified by particle size ( ⁇ 100 pm).
  • the FIG. 1B shows an example of the equipment used for the production of ceramic foams at the laboratory level. In this stage, we proceed with the process of mixing the tailings with the fluxing and foaming agents, the pressing and synthesizing of said mixture.
  • the FIG. 1 C shows an example of the ceramic foam obtained. In this stage, the ceramic foam obtained is cooled and demoulded.
  • the FIG. 2 shows a graph with the effect of the synthesizing temperature (850, 875, 900 °C) and the percentage of foaming agent (between 4 - 10% m/m) on the apparent density (ton/m 3 ) of the ceramic foams. made with the raw material obtained from the P1 tailings, using 20 min of synthesis.
  • the FIG. 3 shows a graph with the effect of the synthesizing temperature (850, 875, 900 °C) and the percentage of foaming agent (between 4 - 10% m/m) on the percentage of porosity (%) of the ceramic foams made with the raw material obtained from the P1 tailings, using 20 min of synthesis.
  • the FIG. 4 shows a graph with the effect of the synthesizing temperature (850, 875, 900 °C) and the percentage of foaming agent (between 4 - 10% m/m) on the mechanical resistance (MPa) of the ceramic foams made with the raw material obtained from the P1 tailings, using 20 min of synthesis.
  • FIG. 5 shows a graph with the effect of the sintering temperature (850, 875, 900 °C) and the percentage of foaming agent (between 4 - 10 % m/m) on the average pore size (mm) of the ceramic foams made with the raw material obtained from the P1 tailings, using 20 min of sintering.
  • FIG. 6 shows a graph with the effect of sintering time (20 to 45 min) and the percentage of foaming agent (6 and 8% m/m) on the apparent density (ton/m 3 ) of the ceramic foams made with the raw material. obtained from tailing P1, using a sintering temperature of 875 °C.
  • FIG. 7 shows a graph with the effect of sintering time (20 to 45 min) and the percentage of foaming agent (6 and 8% m/m) on the percentage of porosity (%) of the ceramic foams made with the raw material obtained from the tailing P1, using a sintering temperature of 875 °C.
  • FIG. 8 shows a graph with the effect of sintering time (20 to 45 min) and the percentage of foaming agent (6 and 8% m/m) on the mechanical resistance (MPa) of the ceramic foams made with the raw material obtained from the tailings. P1 , using a synthesizing temperature of 875 °C.
  • FIG. 9 shows a graph with the effect of sintering time (20 to 45 min) and the percentage of foaming agent (6 and 8% m/m) on the average pore size (mm) of the ceramic foams made with the raw material obtained. from the P1 tailing, using a sintering temperature of 875 °C.
  • FIG. 10 shows representative photographs of the ceramic foams made with the raw material obtained from the P1 tailings, obtained at sintering times of 20 (FIG. 10A), 25 (FIG. 10B) and 30 (FIG. 10C) minutes at 875 °C.
  • the FIG. 1 1 shows a graph with the effect of the sintering temperature (850, 875, 900 °C) and the percentage of foaming agent (between 4 - 10% m/m) on the apparent density (ton/m 3 ) of the foams.
  • ceramics made with the raw material obtained from the P2 tailings, using 20 min of synthesizing.
  • the FIG. 12 shows a graph with the effect of the sintering temperature (850, 875, 900 °C) and the percentage of foaming agent (between 4 - 10% m/m) on the percentage of porosity (%) of the ceramic foams made with the raw material obtained from tailing P2, using 20 min of synthesis.
  • the FIG. 13 shows a graph with the effect of the sintering temperature (850, 875, 900 °C) and the percentage of foaming agent (between 4 - 10% m/m) on the mechanical resistance (MPa) of the ceramic foams made with the raw material obtained from the tailings P2, using 20 min of synthesis.
  • the FIG. 14 shows a graph with the effect of the sintering temperature (850, 875, 900 °C) and the percentage of foaming agent (between 4 - 10% m/m) on the average pore size (mm) of the ceramic foams produced. with the raw material obtained from the P2 tailings, using 20 min of synthesis.
  • the FIG. 15 shows a graph with the effect of the synthesizing time (20 to 45 min) and the percentage of foaming agent (6 and 8% m/m) on the apparent density (ton/m 3 ) of the ceramic foams made with the raw material. obtained from tailing P2, using a synthesis temperature of 875 °C.
  • the FIG. 16 shows a graph with the effect of the synthesizing time (20 to 45 min) and the percentage of foaming agent (6 and 8% m/m) on the percentage of porosity (%) of the ceramic foams made with the raw material obtained from the tailing P2, using a sintering temperature of 875 °C.
  • FIG. 17 shows a graph with the effect of the synthesis time (20 to 45 min) and the percentage of foaming agent (6 and 8% m/m) on the mechanical resistance (MPa) of the ceramic foams made with the raw material obtained from the tailings. P2, using a synthesis temperature of 875 °C.
  • the FIG. 18 shows a graph with the effect of the sintering time (20 to 45 min) and the percentage of foaming agent (6 and 8 % m/m) on the average pore size (mm) of the ceramic foams made with the raw material obtained. from the P2 tailing, using a sintering temperature of 875 °C.
  • FIG. 19 shows representative photographs of the ceramic foams made with the raw material obtained from tailings P2, obtained at synthesis times of 20 (FIG. 19A), 25 (FIG. 19B) and 30 (FIG. 19C) minutes at 875 °C.
  • the present invention corresponds to a new ceramic foam and a new method for obtaining said ceramic foams whose main contribution is the use of tailings derived from mining to obtain a raw material and, surprisingly, glycerol as the only blowing agent.
  • foaming agents used in the method are crucial for producing high-quality ceramic foams, that is, that they are highly porous and have homogeneous porous structures.
  • foaming agents that are commonly used are calcium carbonate, silicon carbide, carbon black, or mixtures of sodium metasilicate (Na2SiOa) also called water glass and glycerol, among others.
  • Na2SiOa sodium metasilicate
  • glycerol water glass
  • the state of the art reports that the sodium metasilicate:glycerol ratio is critical in the pore formation process of the ceramic foam.
  • the inventors of the present invention managed to obtain high-quality ceramic foams with the use of mine tailings as raw material and the addition of only glycerol as foaming agent, without the need for add sodium metasilicate or other foaming agent.
  • the method of the present invention is simpler and cheaper than those described in the state of the art. For example, it uses synthesizing temperatures below 1,000 °C, so power consumption is much lower. In addition, it does not require initial stages of grinding or adding glass or other components to complement the raw material obtained from the tailings.
  • Ambient temperature should be understood as that temperature range or value found in the surroundings of where the method of the present invention is carried out. A person versed in the matter will understand that these temperature values vary depending on multiple factors such as the seasons of the year, devices or equipment that are in the vicinity that may be producing an increase or decrease in temperature, among others. Typically, the ambient temperature is between 20 - 25 °C approximately, however, it can be higher or lower than that range, without affecting the method or the result obtained from said method.
  • glass foam or “ceramic foam” refer to the same object and are used interchangeably throughout this specification.
  • Tailings should be understood as the residue, a set of wastes that is generated as a result of mineral extraction in mineral species concentration plants.
  • a first object of the present invention corresponds to a method for obtaining ceramic foams.
  • the first stage of this method comprises providing a raw material that comes from tailings for the production of ceramic foams.
  • tailings that come from mining are obtained or collected, preferably from mining in which ores of metallic compounds are extracted.
  • mining tailings can come from the extraction of copper, gold, silver ores, among others, without being limited to these. mentioned.
  • the mine tailings come from the extraction of gold and silver ores.
  • tailings that are provided to carry out the present method can be obtained from different tailings deposits to favor the homogeneity of these, however, this procedure is a suggestion that is not essential to obtain the ceramic foams described here according to the present method.
  • the particle size of the tailings used to obtain the raw material used for the production or manufacture of ceramic foams be less than or equal to 100 pm. Therefore, it is recommended but not essential to carry out the method of the present invention, to classify these tailings by size and select those that only contain particles less than or equal to 100 pm. For example, conveniently the granulometry of the tailings obtained from the extraction of gold and silver ores is mostly less than or equal to 100 pm, so an initial crushing and grinding stage is not required for this case. Since these tailings still contain a small amount of particles larger than 100 pm, it is suggested to carry out said classification to obtain a more uniform product. Said classification can be carried out, for example, with a sieve with a mesh number of less than 140 (U.S. Mesh), or using a cyclone or hydrocyclone, without being limited to these mentioned.
  • the raw material obtained from mine tailings should have at least about 70% m/m of silicon oxide (SiC) and a lesser amount or about 10% m/m m of iron oxide (Fe2O3), preferably a smaller amount or about 7% m/m.
  • SiC silicon oxide
  • Fe2O3 iron oxide
  • mine tailings that have this proportion of oxides when they are collected, and others that may have a high proportion of Fe2Ü3, which would be detrimental to the physical characteristics of ceramic foams. In the latter case, it would be necessary to carry out a previous step to reduce the percentage by weight of said compound.
  • a flotation process is carried out that allows obtaining a raw material with a proportion of S ⁇ Ü2 and Fe2Ü3 within the required values.
  • the flotation process is carried out when the tailings have a proportion of Fe2Ü3 associated with the pyrite mineral that is significantly greater than 5% m/m.
  • any other state of the art process can be carried out for this purpose.
  • the raw material also includes aluminum oxide (AI2O3), which favors the formation of the glass lattice in the foams.
  • AI2O3 aluminum oxide
  • the raw material comprises a proportion of AI2O3 greater than or around 2% m/m.
  • the raw material comprises a proportion of AI2O3 between 2-17% m/m, approximately.
  • the raw material also includes the presence of alkaline and/or alkaline earth metal oxides (group 1 and 2 of the periodic table according to IUPAC nomenclature, respectively).
  • alkaline and/or alkaline earth metal oxides group 1 and 2 of the periodic table according to IUPAC nomenclature, respectively.
  • alkali and/or alkaline earth metal oxides are selected from calcium oxide (CaO), sodium oxide (Na2Ü), potassium oxide (K2O), and magnesium oxide (MgO), since either the presence of one or a combination of these.
  • the raw material could also include other oxides such as titanium oxide (TIO2), manganese(IV) oxide (MnC ), copper(ll) oxide (CuO), zinc oxide (ZnO), lead(ll) oxide (PbO), sulfur oxide(VI) (SO3), or others. These other oxides are not of great relevance because they produce insignificant variations in the characteristics of the ceramic foams of the present invention.
  • TIO2 titanium oxide
  • MnC manganese(IV) oxide
  • CuO copper(ll) oxide
  • ZnO zinc oxide
  • PbO lead(ll) oxide
  • SO3 sulfur oxide(VI)
  • the foaming agent that is used consists of glycerol, also called glycerin or in its IUPAC name 1,2,3-triol propane (C3H8O2).
  • glycerol also called glycerin or in its IUPAC name 1,2,3-triol propane (C3H8O2).
  • C3H8O2 1,2,3-triol propane
  • the fluxing agent can be sodium carbonate (Na2CO3), sodium borate, lime, and/or a mixture of any of these.
  • a mixture of soda ash and lime is used.
  • lime containing mainly CaO and which may have the presence of other oxides such as magnesium oxide is used.
  • the raw material is mixed in a proportion between approximately 65 - 80% m/m, preferably between 68 - 76% m/m, sodium carbonate in a proportion between 14 - 18 % m/m approximately, preferably around 16% m/m, lime in a proportion between 4 - 6% m/m approximately, preferably around 5% m/m, and glycerol as the only foaming agent in a proportion between 4 - 10% m/m approx.
  • the solid compounds that is, the raw material and the fluxing agent
  • the liquid compounds that is, the glycerol
  • the operational parameters and conditions to obtain ceramic foams with similar characteristics can also vary depending on the elemental composition of the raw material. For this reason, it is recommended, but not mandatory, to analyze the elemental composition of the raw material before proceeding with the next stages of the process. When a raw material such as the one described in the present invention is used, said parameters and conditions vary around the values and ranges described here.
  • the mixing of all the compounds of the ceramic foam is carried out in a container, for example, in a cylindrical container or in any other way, using a stirrer, preferably mechanical, which can be, for example, a propeller stirrer, paddles , planetary, or other, without being limited to those mentioned here.
  • a stirrer preferably mechanical
  • the mechanical agitator can be operated at a constant speed of about 150 rpm for about 5 minutes, and then by adding the foaming agent glycerol the mixture is stirred until achieve a homogeneous mix. This is achieved in an approximate time of at least 5 minutes at a speed of around 200 rpm.
  • these parameters are not essential since they can vary depending on the devices or machinery used for these purposes.
  • a stage is carried out to synthesize the homogeneous mixture that was previously obtained.
  • the homogeneous mixture is poured into molds resistant to high temperatures, such as, for example, clay, ceramic, metal molds, or any other type of material known in the state of the art for this purpose.
  • the mix is in the moulds, it can be subjected to a compaction process which is carried out at a pressure of around 4 tons ( « 0.039 MPa) when the process is carried out under laboratory conditions. This value may vary depending on the industrial conditions used.
  • the compaction process is preferably carried out with a hydraulic press, but it could be carried out with any other device or machinery known for this purpose.
  • the homogeneous mixture is taken to an oven, preferably a muffle, where said mixture is heated to a high temperature, less than 1,000 °C, preferably in the range between approximately 850 - 900 °C.
  • the temperature is increased gradually, preferably at a rate between approximately 10 - 20 °C per minute, preferably at a temperature of about 15 °C per minute, until reaching the desired temperature range, and is kept in said temperature range for about 20 - 45 minutes.
  • the homogeneous mixture is cooled until the ceramic foam is obtained.
  • the mixtures are cooled in the same oven at a speed between approximately 5 - 6 °C per minute, preferably at a speed of around 5.5 °C per minute, until reaching a temperature of around 500 - 550 °C, preferably around 500 °C.
  • the value or range of speed that is used for the cooling stage usually depends on the type of oven that is used.
  • the cooling process is continued at room temperature, until the ceramic foam is completely cooled, that is, it reaches a temperature equal to or similar to room temperature.
  • a second object of the present invention corresponds to the ceramic foam that is obtained with the previously described method.
  • this ceramic foam has an apparent density (PA PP ) less than or around 1.5 ton/m 3 , a mechanical resistance (o) greater than or around 0.2 MPa, and an average pore size (D p ) less than or about 1.8 mm.
  • the ceramic foam with the best characteristics obtained has an apparent density (PA PP ) less than or around 0.8 ton/m 3 , a mechanical resistance (or) greater than or around 0.4 MPa , an average pore size (D p ) less than or about 1.0 mm, a thermal conductivity (X) less than or about 0.13 W/mK.
  • the ceramic foam obtained can be offered on the market at a lower cost than current ceramic foams due to the energy advantages provided by this production method and that the main raw material used corresponds to a waste obtained from the mining industry.
  • Example 1 Obtaining and characterizing mining tailings
  • Tailings samples were collected from the Los Robles mining plant, located in the Chacón sector, in the O'Higgins Region, Chile (P1), and tailings samples from the Ch toca Mine, located in the Maule Region, Chile ( Q2).
  • the tailings were generated from the flotation processes of gold and silver ores extracted in small-scale mining operations (FIG. 1 A).
  • analyzes were performed to determine the physical properties of the tailings.
  • a moisture analysis was performed on the samples, which was determined by the difference in mass between the samples obtained and samples that were dried in an oven at 110 °C for 24 hours. They also underwent a density analysis, which was determined using a pycnometer, and a particle analysis performed using a particle size analyzer.
  • Elemental composition was determined using a Bruker S8-TIGES WD-XRF spectrometer with an Rh excitation source. Briefly, 10 g of sample was used which was ground to a particle size of around 45 pm, and then placed in a 15 mm diameter aluminum container. diameter and 1 mm deep. Subsequently, the sample was pressed until it was compacted and then it was subjected to an analysis to determine its elemental composition using the spectrometer. The analysis of the mineralogical composition was determined by automated mineralogy, using the TESCAN VEGA equipment equipped with the TIMA Mineral Analyzer software.
  • the elemental composition of the P2 tailings also showed that silicon (SiC) is the main component with 58.06% m/m of the total sample analyzed.
  • SiC silicon
  • 2.91% m/m of alumina (AI2O3) and 0.19% m/m of calcium oxide (CaO) were found to a lesser extent.
  • the proportion of Fe2Ü3 was too high (35.04 % m/m) to make ceramic foams directly using this tailing as raw material.
  • Table 3 The result of the analysis of the elemental composition of this tailings is shown in Table 3.
  • the minerals found in the highest proportion were: quartz (55.06% m/m) and pyrite (34.57% m/m). The detail of the mineralogical composition of the P2 tailings is shown in the
  • the conditioning consisted of adding in a flotation cell the water, the tailing in suspension prepared with tap water (in this case tailing P2, 33 % solids) and the flotation reagents (collector, foaming agent and pH stabilizers (hydrochloric acid) and, later, shake this mixture for a period of 5 minutes.
  • the flotation stage was continued, which consisted of giving way to to the injection of air into the cell, which generates the separation of the materials of interest, due to the formation of bubbles that transport the hydrophobic minerals to the surface of the cell (mainly pyrite minerals and other sulfides of copper, zinc and lead, in this case), generating at the end of this stage two products called concentrate (rich in silicates) and glue (rich in sulphides, mostly pyrite).
  • concentrate rich in silicates
  • glue rich in sulphides, mostly pyrite
  • Table 5 shows the amount of each of the reagents used to carry out each flotation. This table highlights the use of methyl isobutyl carbinol (MIBC) as a foaming agent to allow the flotation of sulphide minerals such as pyrite, potassium amyl xanthate (PAX) as a sulphide collector such as pyrite, and lime and hydrochloric acid. as pH stabilizers.
  • MIBC methyl isobutyl carbinol
  • PAX potassium amyl xanthate
  • pH stabilizers pH stabilizers.
  • the samples were taken to the muffle furnace to carry out the synthesizing process by means of a heating ramp at a speed of heating around 15 °C/min considering different glycerol percentages (between 4 - 10 % m/m), temperatures (between 850 and 900 °C) and synthesizing times (between 20 and 45 minutes), depending on the experiment performed (FIG. 1B).
  • the samples were cooled at a rate of around 5.5 °C/min until reaching a temperature of around 500 °C. It was possible to determine that the cooling speed was around 5.4 and 5.8 °C/min, but these values depend on the furnace and equipment used to measure the temperature. Once this was achieved, cooling was carried out at room temperature (FIG. 1 C).
  • the apparent density (PA PP [ton/m 3 ]), the percentage of porosity, the average pore size (D p [mm]), and the mechanical resistance (or [MPa]) of the ceramic foams obtained were determined. according to the methodology described by Uribe L, et al. (Uribe L, Moraga C, Rivas F. Using Gold-Silver Tailings on the Elaboration of Ceramic Foams. J. Sustain. Met. 2021 , 7:364-367).
  • FIG. 10A representative photographs of the ceramic foams obtained at sintering times of 20 (FIG. 10A), 25 (FIG. 10B) and 30 (FIG. 10C) minutes are shown. It can be seen that, for the sintering times of 20 and 25 minutes, the pore sizes are less than 5 mm.
  • Average pore size less than 1.0 mm
  • Pore size less than 5.0 mm
  • FIGS At a fixed sintering time of 20 min and evaluating the effect of the temperature between 850 and 900 °C and the percentage of glycerol between 4 and 10% m/m, the results shown in FIGS were obtained. 1 1 , 12, 13, and 14. It can be seen that, at a temperature of 900 °C, the bulk density remains below 1.0 ton/m 3 if a glycerol ratio between 8 and 8 is used. 10% m/m (FIG. 1 1 ). At all the temperatures and proportion of glycerol tested, the percentage of porosity of the ceramic foams is greater than 35% (FIG. 12).
  • the mechanical resistance is greater than 0.4 MPa (FIG. 13).
  • the average pore size is less than 1.6 mm (FIG. 14).
  • FIGS were obtained. 15, 16, 17 and 18. It can be seen that the apparent density remains below 0.9 ton/m 3 (FIG. 15), the percentage of porosity is greater than 60% (FIG. 16), and the average pore size is less than 1.6 mm (FIG. 18), in all tested conditions. Regarding the mechanical resistance, it is observed that between 20 and 35 minutes it is maintained above 0.4 MPa, independent of the proportion of glycerol that was used (FIG. 17).
  • FIG. 19 shows representative photographs of the ceramic foams obtained at synthesizing times of 20 (FIG. 19A), 25 (FIG. 19B) and 30 (FIG. 19C) minutes at 875 °C. Table 7 shows the characteristics of apparent density, porosity percentage, average pore size and mechanical resistance for each of these representative foams.
  • the fire resistance of the foams made was determined through thermal conductivity tests, vertical combustion, horizontal combustion and determination of the limit oxygen index (LOI). These tests were carried out at the Technological Research Institute of the University of Conceptive.
  • the vertical combustion of the ceramic foams was evaluated, for which samples of identical composition and geometry were subjected to a standard test flame for two flame applications of 10 seconds.
  • the post-flame time is recorded after the first flame application (t post-flame 1 or exposure), and the post-flame and post-glow times are recorded after the second flame application (t post-flame 2 or exposure and t afterglow, respectively).
  • Information on whether or not flaming material is dripping from the sample was also recorded. Table 9 shows the results of this test.
  • the method of the present invention makes it possible to have a product with insulating properties, very low thermal conductivity and with greater efficiency compared to the same thickness as other products available on the market.
  • Table 12 shows a comparison of the characteristics of the ceramic foam with the best characteristics obtained and two products currently available on the market. Table 12. Comparison of properties between one of the ceramic foams of the present invention and the ceramic foams available on the market.
  • Ceramic foam can be applied in all civil works as thermal and acoustic insulation, and it can also be used to protect structural components against fire, humidity and erosion.

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para la elaboración de una espuma cerámica y la espuma cerámica así obtenida, que utiliza materia prima obtenida de relaves de la minería, un agente fundente, y glicerol como único agente espumante.

Description

ESPUMA CERÁMICA Y MÉTODO PARA LA ELABORACIÓN DE DICHA ESPUMA CERÁMICA A PARTIR DE RELAVES MINEROS
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se relaciona con el campo técnico de las espumas cerámicas o de vidrio, particularmente, se refiere a una nueva espuma cerámica y un método para la elaboración de dicha espuma cerámica que utiliza como materia prima relaves mineros, y glicerol como único agente espumante.
ANTECEDENTES
La industria de la minería a nivel mundial genera alrededor de 5 a 7 mil millones de toneladas de desechos al año, lo que representa un seño problema medioambiental. Estos desechos o relaves no solo ocupan grandes extensiones de terreno, sino que también contienen metales pesados y otros elementos tóxicos que contaminan el medioambiente. Por esta razón, se han realizado diversos esfuerzos para reutilizar o transformar estos relaves en subproductos de alto valor agregado.
Recientemente, se ha propuesto el uso de estos relaves para la elaboración de espumas cerámicas, también llamadas espumas de vidrio. Estas espumas tienen una amplia variedad de aplicaciones debido a sus propiedades físicas y mecánicas únicas. Son particularmente útiles en la industria de la construcción ya que es un material ligero, resistente, químicamente inerte, es capaz de controlar la humedad, tiene tolerancia a la congelación, no es tóxico ni inflamable, y es un excelente aislante térmico y acústico. A pesar de todas las ventajas que ofrece, las espumas cerámicas poseen altos costos de fabricación relacionados con los procesos de trituración, molienda y producción, lo que es una limitante para su uso masivo.
En el estado de la técnica se han descrito diferentes métodos para la obtención de espumas cerámicas a partir de relaves de la minería. Por ejemplo, el documento de patente CN1 12876214A divulga una espuma cerámica microcristalina que incluye una mezcla de material bruto de espuma cerámica y frita de vidrio. Utiliza como materia prima relaves generados de la extracción de menas de oro y otros componentes como bentonita, caolinita, talco, y calcita para obtener una espuma cerámica con una resistencia mecánica y densidad aparente que se ajuste a los requerimientos de la industria. El método para obtener esta espuma cerámica microcristalina requiere, primero, obtener la frita de vidrio mediante las etapas de pesar, moler y mezclar cada uno de los componentes mencionados previamente. Luego, fundir la mezcla a una temperatura entre 1400 - 1550 °C, mantener la temperatura entre 1 - 3 horas, y templar para obtener la frita de vidrio. Posteriormente, el material bruto de la espuma cerámica y la frita de vidrio se mezclan para someterlas a dos procesos de sinterizados consecutivos, una etapa de recocido y una de enfriamiento para obtener la espuma cerámica microcristalina.
Los documentos de patente CN107522405A y CN107857477A divulgan un método para obtener espumas cerámicas a partir de relaves generados de la extracción de menas de plata u oro, respectivamente. Ambos métodos incluyen, primero, combinar relaves de plata u oro para obtener fritas de vidrio con una cierta composición química, fundir las fritas de vidrio a una temperatura entre 1 .400 - 1500 °C durante 5 a 8 horas y luego templarlas para obtener un material de espuma de vidrio bruto. Posteriormente, el material de espuma de vidrio bruto se mezcla con carbonato de calcio o negro de carbón como agente espumante, y se muele durante 6 a 8 horas. Solo después de todo este proceso inicial se comienza con el proceso de sintehzado, recocido y enfriamiento para obtener la espuma de vidrio final.
El documento de patente CN103936454A divulga una espuma cerámica que utiliza como materia prima relaves generados de la extracción de menas de oro y cobre, que comprende entre 75 - 90% de relaves, 5 - 10% de polvo de vidrio flotado, 3 - 8% de agente espumante, y 2 - 8% de aditivos. El agente espumante es una mezcla de carburo de silicio, carbonato de calcio y carbón activado. El aditivo es una mezcla de bórax y carbonato de sodio. El método para obtener esta espuma cerámica comprende mezclar todos los componentes uniformemente, comprimir en un molde la mezcla y calcinarla a una temperatura desde 30 °C a 600 °C a una tasa de 4 - 6 °C/min, mantener a la temperatura de 600°C durante 15 min, luego a una tasa de 6 - 9 °C/min a una temperatura de sintehzado de 1 .000 - 1 .100 °C durante 20 - 50 minutos. Luego se enfría a temperatura ambiente para obtener la espuma cerámica final.
Si bien existen estos métodos para el uso de relaves de la minería como materia prima para la obtención de espumas cerámicas, todos ellos utilizan otros componentes adicionales y aditivos que encarecen el proceso y, en consecuencia, el producto que se obtiene con dichos métodos. Además, consumen una gran cantidad de energía al tener etapas que requieren altas temperaturas (sobre 1.000 °C).
En consecuencia, se requieren nuevos métodos para la obtención de espumas cerámicas que utilicen relaves de la minería como materia prima, que sean económicos, y que permitan obtener espumas cerámicas de alta calidad.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una nueva espuma cerámica y un método para la elaboración de dicha espuma que es mucho más económico que los que se describen en el estado de la técnica para la elaboración de dicha espuma cerámica que utiliza como materia prima relaves de la minería y, sorprendentemente, g licerol como único agente espumante.
Un primer objeto de la presente invención es un método para la elaboración de espumas cerámicas que comprende las etapas de: proporcionar una materia prima que proviene de relaves mineros, donde dicha materia prima incluye S¡Ü2 en una proporción de al menos o alrededor de 70 % m/m, y Fe2Ü3 en una proporción menor o alrededor de 10 % m/m; mezclar dicha materia prima con un agente fundente, y glicerol como único agente espumante hasta obtener una mezcla homogénea; sintehzar la mezcla homogénea obtenida; y enfriar la mezcla homogénea para obtener la espuma cerámica. Adicionalmente, el método puede incluir una etapa en la que los relaves mineros se clasifican por tamaño y se seleccionan aquellos que tiene un tamaño de partícula menor o igual a 100 pm.
En una realización preferida, la materia prima incluye AI2O3 en una proporción de al menos o alrededor de 2 % m/m, y la presencia de al menos un óxido de metales alcalinos y/o alcalinotérreos que se selecciona del grupo que consiste de CaO, Na2Ü, K2O, MgO y una mezcla de estos.
En una realización del método de la presente invención, el agente fundente se selecciona del grupo que consiste de carbonato de sodio, borato de sodio, cal, y/o una mezcla de estos. Preferentemente, el agente fundente es una mezcla de carbonato de sodio y cal.
En una realización preferida del método, la materia prima se agrega a la mezcla en una proporción entre 65 - 80 % m/m y el glicerol se agrega a la mezcla en una proporción entre 4 - 10 % m/m. Cuando el agente fundente es una mezcla de carbonato de sodio y cal, éstos se agregan a la mezcla en una proporción entre 14 - 18 % m/m de carbonato de sodio, y entre 4 - 6 % m/m de cal.
La etapa del método de sinterizar la mezcla homogénea se realiza preferentemente a una temperatura entre 850 - 900 °C. En una realización preferida de esta etapa del método, dicha temperatura se mantiene por un tiempo entre 20 - 45 minutos. Para ello, es preferible que la temperatura se aumente gradualmente a una velocidad entre 10 - 20 °C por minuto.
La etapa del método de enfriar la mezcla comprende, preferentemente, una primera etapa en la que se disminuye gradualmente la temperatura de la mezcla homogénea hasta alcanzar un rango entre 500 - 550 °C, y una segunda etapa en la que la mezcla homogénea se deja enfriar hasta que alcance una temperatura ambiente. En una realización preferida de la primera etapa de enfriamiento, la temperatura se disminuye a una velocidad entre 5 - 6 °C por minuto.
Un segundo objeto de la presente invención es una espuma cerámica que se obtiene mediante el método aquí descrito. De esta manera, se obtiene una espuma cerámica que tiene una densidad aparente menor o alrededor de 1 ,5 ton/m3, preferentemente menor o alrededor de 0,8 ton/m3, una resistencia mecánica mayor o alrededor de 0,2 MPa, preferentemente mayor o alrededor de 0,4 MPa, y un tamaño promedio de poro menor o alrededor de 1 ,8 mm, preferentemente menor o alrededor de 1 ,0 mm. Adicionalmente, la espuma cerámica obtenida tiene una conductividad térmica menor o alrededor de 0,13 W/mK.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La FIG. 1 muestra un esquema del proceso de elaboración de espumas a partir de relaves de oro y plata. La FIG. 1 A muestra una fotografía satelital de una ubicación de la cual se pueden obtener relaves. En esta etapa, luego de la obtención de los relaves, éstos se clasifican por tamaño de partícula (< 100 pm). La FIG. 1 B muestra un ejemplo del equipamiento utilizado para la elaboración de espumas cerámicas a nivel de laboratorio. En esta etapa se procede con el proceso de mezcla de los relaves con los agentes fundentes y espumantes, el prensado y sinteñzado de dicha mezcla. La FIG. 1 C muestra un ejemplo de la espuma cerámica obtenida. En esta etapa, se procede con el enfriamiento y el desmolde de la espuma cerámica obtenida.
La FIG. 2 muestra un gráfico con el efecto de la temperatura de sinteñzado (850, 875, 900 °C) y el porcentaje de espumante (entre 4 - 10 % m/m) sobre la densidad aparente (ton/m3) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P1 , empleando 20 min de sinteñzación.
La FIG. 3 muestra un gráfico con el efecto de la temperatura de sinteñzado (850, 875, 900 °C) y el porcentaje de espumante (entre 4 - 10 % m/m) sobre el porcentaje de porosidad (%) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P1 , empleando 20 min de sinteñzación.
La FIG. 4 muestra un gráfico con el efecto de la temperatura de sinteñzado (850, 875, 900 °C) y el porcentaje de espumante (entre 4 - 10 % m/m) sobre la resistencia mecánica (MPa) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P1 , empleando 20 min de sinteñzación.
La FIG. 5 muestra un gráfico con el efecto de la temperatura de sinteñzado (850, 875, 900 °C) y el porcentaje de espumante (entre 4 - 10 % m/m) sobre el tamaño promedio de poro (mm) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P1 , empleando 20 min de sinteñzación.
La FIG. 6 muestra un gráfico con el efecto del tiempo de sinterizado (20 a 45 min) y el porcentaje de espumante (6 y 8 % m/m) sobre la densidad aparente (ton/m3) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P1 , empleando una temperatura de sinteñzación de 875 °C.
La FIG. 7 muestra un gráfico con el efecto del tiempo de sinterizado (20 a 45 min) y el porcentaje de espumante (6 y 8 % m/m) sobre el porcentaje de porosidad (%) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P1 , empleando una temperatura de sinteñzación de 875 °C.
La FIG. 8 muestra un gráfico con el efecto del tiempo de sinterizado (20 a 45 min) y el porcentaje de espumante (6 y 8 % m/m) sobre la resistencia mecánica (MPa) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P1 , empleando una temperatura de sinteñzación de 875 °C.
La FIG. 9 muestra un gráfico con el efecto del tiempo de sinterizado (20 a 45 min) y el porcentaje de espumante (6 y 8 % m/m) sobre el tamaño promedio de poro (mm) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P1 , empleando una temperatura de sinteñzación de 875 °C.
La FIG. 10 muestra fotografías representativas de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P1 , obtenidas a tiempos de sinteñzación de 20 (FIG. 10A), 25 (FIG. 10B) y 30 (FIG. 10C) minutos a 875 °C.
La FIG. 1 1 muestra un gráfico con el efecto de la temperatura de sinterizado (850, 875, 900 °C) y el porcentaje de espumante (entre 4 - 10 % m/m) sobre la densidad aparente (ton/m3) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P2, empleando 20 min de sinteñzación.
La FIG. 12 muestra un gráfico con el efecto de la temperatura de sinterizado (850, 875, 900 °C) y el porcentaje de espumante (entre 4 - 10 % m/m) sobre el porcentaje de porosidad (%) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P2, empleando 20 min de sinteñzación.
La FIG. 13 muestra un gráfico con el efecto de la temperatura de sinterizado (850, 875, 900 °C) y el porcentaje de espumante (entre 4 - 10 % m/m) sobre la resistencia mecánica (MPa) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P2, empleando 20 min de sintehzación.
La FIG. 14 muestra un gráfico con el efecto de la temperatura de sintehzado (850, 875, 900 °C) y el porcentaje de espumante (entre 4 - 10 % m/m) sobre el tamaño promedio de poro (mm) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P2, empleando 20 min de sintehzación.
La FIG. 15 muestra un gráfico con el efecto del tiempo de sintehzado (20 a 45 min) y el porcentaje de espumante (6 y 8 % m/m) sobre la densidad aparente (ton/m3) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P2, empleando una temperatura de sintehzación de 875 °C.
La FIG. 16 muestra un gráfico con el efecto del tiempo de sintehzado (20 a 45 min) y el porcentaje de espumante (6 y 8 % m/m) sobre el porcentaje de porosidad (%) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P2, empleando una temperatura de sintehzación de 875 °C.
La FIG. 17 muestra un gráfico con el efecto del tiempo de sintehzado (20 a 45 min) y el porcentaje de espumante (6 y 8 % m/m) sobre la resistencia mecánica (MPa) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P2, empleando una temperatura de sintehzación de 875 °C.
La FIG. 18 muestra un gráfico con el efecto del tiempo de sintehzado (20 a 45 min) y el porcentaje de espumante (6 y 8 % m/m) sobre el tamaño promedio de poro (mm) de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P2, empleando una temperatura de sintehzación de 875 °C.
La FIG. 19 muestra fotografías representativas de las espumas cerámicas elaboradas con la materia prima obtenida del relave P2, obtenidas a tiempos de sintehzación de 20 (FIG. 19A), 25 (FIG. 19B) y 30 (FIG. 19C) minutos a 875 °C.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención corresponde a una nueva espuma cerámica y un nuevo método para la obtención dichas espumas cerámicas cuya principal contribución es el uso de relaves derivados de la minería para la obtención de una materia prima y, sorprendentemente, glicerol como único agente espumante.
Existen diversos estudios en el estado de la técnica que demuestran que los agentes espumantes que se utilizan en el método son cruciales para elaborar espumas cerámicas de alta calidad, es decir, que sean altamente porosas y que tengan estructuras porosas homogéneas. Entre los agentes espumantes que se utilizan comúnmente se encuentran el carbonato de calcio, carburo de silicio, negro de carbón, o mezclas de metasilicato de sodio (Na2SiOa) también llamado vidrio soluble y glicerol, entre otros. Respecto a esa mezcla, el estado de la técnica reporta que la proporción metasilicato de sodio:glicerol es crítico en el proceso de formación de poros de la espuma cerámica. Por ejemplo, Yatsenko, E., et al., reportó que el uso de glicerol en ausencia de vidrio soluble como agente espumante, resulta en una estructura altamente densa sin poros observables (Yatsenko, E., Goltsman, B., Kosarev, A., Karandashova, N., Smolii, V., & Yatsenko, L. Synthesis of Foamed Glass Based on Slag and a Glycerol Pore-Forming Mixture. Glass Physics and Chemistry. 2018, 44: 152-155).
Sin embargo, contrario de lo que enseña el estado de la técnica, los inventores de la presente invención lograron obtener espumas cerámicas de alta calidad con el uso de relaves mineros como materia prima y la adición solo de glicerol como agente espumante, sin la necesidad de agregar metasilicato de sodio u otro agente espumante.
Adicionalmente, el método de la presente invención es más simple y económico que los descritos en el estado de la técnica. Por ejemplo, utiliza temperaturas de sinteñzación menores a 1 .000 °C, por lo que el consumo de energía es mucho menor. Además, no requiere etapas iniciales de molienda o adición de vidrio u otros componentes para complementar la materia prima obtenida de los relaves.
Todos los términos técnicos y científicos utilizados para describir la presente invención tienen el mismo significado entendido para una persona con conocimientos básicos en el campo técnico en cuestión. No obstante, para definir con más claridad el alcance de la invención, a continuación, se incluye una lista de la terminología utilizada en esta descripción. Se debe entender por los términos “alrededor” o “aproximadamente”, o el símbolo usados indistintamente a lo largo de la presente memoria descriptiva, como el valor o rango de un parámetro que incluye una desviación estándar de error según el método o aparato que se emplea para determinar dicho valor o rango, y que está dentro de la tolerancia aceptable o rango estadísticamente significativo para el valor de dicho parámetro. Tal rango estadísticamente significativo puede estar, por ejemplo, dentro del 30%, 20%, 10% o 5% del valor o rango indicado. Es decir, los valores y rangos mencionados no son ni necesitan ser exactos, y pueden ser aproximados, ya sea ¡guales, menores o mayores. El término “entre” al referirse a rangos, debe entenderse como alrededor del valor inferior y alrededor del valor superior mencionado.
Se debe entender por “temperatura ambiente” aquel rango o valor de temperatura que se encuentre en los alrededores de donde se lleva a cabo el método de la presente invención. Una persona versada en la materia entenderá que dichos valores de temperatura varían en dependencia de múltiples factores tales como las estaciones del año, dispositivos o equipamiento que se encuentren en las cercanías que puedan estar produciendo un aumento o disminución de la temperatura, entre otros. Típicamente, la temperatura ambiente es entre 20 - 25 °C aproximadamente, no obstante, puede ser mayor o menor a ese rango, sin afectar el método ni el resultado obtenido a partir de dicho método.
Los términos “espuma de vidrio” o “espuma cerámica” se refieren al mismo objeto y se utilizan indistintamente a lo largo de la presente memoria descriptiva.
Se debe entender por “relave” el residuo, conjunto de desechos que se genera como resultado de la extracción de minerales en las plantas de concentración de especies minerales.
Un primer objeto de la presente invención corresponde a un método para la obtención de espumas cerámicas. La primera etapa de este método comprende proporcionar una materia prima que proviene de relaves para la elaboración de las espumas cerámicas. Para ello, se obtienen o recolectan relaves que provienen de la minería, preferentemente de la minería en la que se extraen menas de compuestos metálicos. Por ejemplo, los relaves mineros pueden provenir de la extracción de menas de cobre, oro, plata, entre otros, sin limitarse a estos mencionados. En una modalidad de la presente invención, los relaves mineros provienen de la extracción de menas de oro y plata.
Los relaves que se proporcionan para llevar a cabo el presente método pueden obtenerse de diferentes depósitos de relaves para favorecer la homogeneidad de éstos, sin embargo, este procedimiento es una sugerencia que no es esencial para obtener las espumas cerámicas aquí descritas según el presente método.
En general, se recomienda que el tamaño de partícula de los relaves que se utilicen para la obtención de la materia prima que se usa para la elaboración o fabricación de espumas cerámicas sea menor o igual a 100 pm. Por tanto, es recomendable pero no esencial para llevar a cabo el método de la presente invención, clasificar estos relaves por tamaño y seleccionar aquellos que solo contienen partículas menores o ¡guales a 100 pm. Por ejemplo, convenientemente la granulometría de los relaves obtenidos de la extracción de menas de oro y plata es mayoritañamente menor o igual a 100 pm, por lo que no se requiere una etapa inicial de trituración y molienda para este caso. Puesto que estos relaves igual comprenden una pequeña cantidad de partículas mayores a 100 pm, se sugiere realizar dicha clasificación para obtener un producto más uniforme. Dicha clasificación se puede realizar, por ejemplo, con un tamiz con un número de malla menor a 140 (U.S. Mesh), o utilizando un ciclón o hidrociclón, sin limitarse a estos mencionados.
Para obtener las espumas cerámicas de la presente invención, la materia prima que se obtiene a partir de relaves mineros debiera tener al menos alrededor de 70 % m/m de óxido de silicio (SiC ) y una cantidad menor o alrededor de 10 % m/m de óxido de hierro (Fe2O3), preferentemente una cantidad menor o alrededor de 7 % m/m. Existen relaves mineros que tienen esa proporción de óxidos cuando se recolectan, y otros que pueden tener una proporción elevada de Fe2Ü3 lo cual sería perjudicial para las características físicas de las espumas cerámicas. En este último caso, sería necesario realizar una etapa previa para disminuir el porcentaje en peso de dicho compuesto. En una modalidad de la presente invención, cuando el relave tiene un porcentaje m/m de Fe2Ü3 significativamente mayor a 10, se realiza un proceso de flotación que permite obtener una materia prima con una proporción de S¡Ü2 y Fe2Ü3 dentro de los valores requeridos. En una modalidad preferida, el proceso de flotación se realiza cuando el relave tiene una proporción de Fe2Ü3 asociado al mineral pirita significativamente mayor a 5 % m/m. Sin embargo, puede realizarse cualquier otro proceso del estado de la técnica para este fin.
En una modalidad preferida de la invención, la materia prima además incluye óxido de aluminio (AI2O3), el cual favorece la formación de la red de vidrio en las espumas. Preferentemente, la materia prima comprende una proporción de AI2O3 mayor o alrededor de 2 % m/m. En otra modalidad preferida, la materia prima comprende una proporción de AI2O3 entre 2 - 17 % m/m, aproximadamente.
En otra modalidad preferida de la invención, la materia prima además incluye la presencia de óxidos de metales alcalinos y/o alcalinotérreos (grupo 1 y 2 de la tabla periódica según la nomenclatura IUPAC, respectivamente). La presencia de uno o una combinación de óxidos de metales alcalinos y alcalinotérreos ayudan a disminuir la temperatura de sintehzación y promueven la formación de la fase líquida durante la formación de la espuma cerámica. En una modalidad preferida de la invención, dichos óxidos de metales alcalinos y/o alcalinotérreos se seleccionan de óxido de calcio (CaO), óxido de sodio (Na2Ü), óxido de potasio (K2O), y óxido de magnesio (MgO), ya sea la presencia de uno o una combinación de estos.
La materia prima también podría incluir otros óxidos tales como óxido de titanio (TÍO2), óxido de manganeso(IV) (MnC ), óxido de cobre(ll) (CuO), óxido de zinc (ZnO), óxido de plomo(ll) (PbO), óxido de azufre(VI) (SO3), u otros. Estos otros óxidos no son de gran relevancia debido a que producen variaciones poco significativas en las características de las espumas cerámicas de la presente invención.
Luego de obtener la materia prima, ésta se mezcla con un agente fundente y un agente espumante. Para efectos de la presente invención, el agente espumante que se utiliza consiste en glicerol, también llamado glicehna o en su denominación IUPAC 1 ,2,3-triol propano (C3H8O2). Una de las ventajas de la presente invención es que no se requiere de ningún otro agente espumante para obtener una espuma cerámica de alta calidad. Por otra parte, la adición de un agente fundente a la mezcla es útil ya que permite disminuir la temperatura de sintehzación requerida en el método de obtención de las espumas cerámicas. Esto es altamente deseado para reducir el costo energético de este método. En una realización preferida, el agente fundente puede ser carbonato de sodio (Na2CO3), borato de sodio, cal, y/o una mezcla de cualquiera de éstos. Preferentemente, se utiliza una mezcla de carbonato de sodio y cal. En una modalidad preferida, se utiliza cal que contiene principalmente CaO y que puede tener la presencia de otros óxidos tales como óxido de magnesio. Por ejemplo, se puede utilizar cal comercial cuya composición es de « 85 % m/m CaO, « 1 ,0 % m/m MgO, « 10 % m/m CaCOa, « 1 ,5 % m/m Ca(OH)2, otros óxidos menores a « 0,5 % m/m.
Cuando se utiliza carbonato de sodio y cal como agentes fundentes, se mezcla la materia prima en una proporción entre 65 - 80 % m/m aproximadamente, preferentemente entre 68 - 76 % m/m, carbonato de sodio en una proporción entre 14 - 18 % m/m aproximadamente, preferentemente alrededor de 16 % m/m, cal en una proporción entre 4 - 6 % m/m aproximadamente, preferentemente alrededor de 5 % m/m, y glicerol como único agente espumante en una proporción entre 4 - 10 % m/m aproximadamente. Los porcentajes de proporción en peso de cada agente fundente o espumante que se utiliza varía en dependencia de la composición elemental de la materia prima, por tanto, las proporciones de los agentes fundentes y espumantes fluctúan alrededor de esos rangos, teniendo en cuenta que la composición elemental de la materia prima también varía alrededor de los rangos y valores previamente descritos. Por esta razón, es recomendable pero no obligatorio, analizar la composición elemental de la materia prima antes de proceder con la etapa de mezclado.
En una realización preferida, se mezcla primero los compuestos sólidos, es decir, la materia prima y el agente fundente y, posteriormente, se agregan los compuestos líquidos, es decir, el glicerol.
Los parámetros y condiciones operacionales para obtener espumas cerámicas de similares características también pueden variar según la composición elemental de la materia prima. Por esta razón, es recomendable pero no obligatorio, analizar la composición elemental de la materia prima antes de proceder con las siguientes etapas del proceso. Cuando se utiliza una materia prima como la descrita en la presente invención, dichos parámetros y condiciones varían alrededor de los valores y rangos aquí descritos.
La mezcla de todos los compuestos de la espuma cerámica se realiza en un recipiente, por ejemplo, en un recipiente cilindrico o de cualquier otra forma, empleando un agitador, preferentemente mecánico, el cual puede ser, por ejemplo, un agitador de hélices, paletas, planetario, u otro, sin limitarse a estos aquí mencionados. Cuando se agregan los relaves y los agentes fundentes, preferentemente carbonato de sodio y cal, el agitador mecánico puede operar a una velocidad constante de alrededor de 150 rpm durante 5 minutos aproximadamente y, posteriormente, al añadir el agente espumante glicerol la mezcla se agita hasta lograr una mezcla homogénea. Esto se logra en un tiempo aproximado de al menos 5 minutos a una velocidad de alrededor de 200 rpm. Una persona versada en la materia comprenderá que estos parámetros no son esenciales puesto que pueden variar en dependencia de los dispositivos o maquinaria utilizada para estos fines.
Luego de la etapa de mezclar la materia prima, el agente fundente y el agente espumante, se realiza una etapa para sinteñzar la mezcla homogénea que se obtuvo previamente. Para ello, es preferible que la mezcla homogénea se vierta en moldes resistentes a altas temperaturas como, por ejemplo, moldes de arcilla, cerámica, metálicos, o cualquier otro tipo de material conocido en el estado de la técnica para este fin. Una vez que la mezcla está en los moldes, se puede someter a un proceso de compactación que se realiza con una presión de alrededor de 4 toneladas (« 0,039 MPa) cuando el proceso se lleva a cabo bajo condiciones de laboratorio. Este valor puede variar dependiendo de las condiciones industriales que se utilicen. El proceso de compactación se realiza preferentemente con una prensa hidráulica, pero podría realizarse con cualquier otro dispositivo o maquinaria conocida para este fin.
Posteriormente, la mezcla homogénea se lleva a un horno, preferentemente una mufla, donde se calienta dicha mezcla a una alta temperatura, menor a 1 .000 °C, preferentemente en el rango entre 850 - 900 °C aproximadamente. En una realización preferida, la temperatura se aumenta gradualmente, preferentemente a una velocidad entre 10 - 20 °C por minuto aproximadamente, preferentemente a una temperatura de alrededor de 15 °C por minuto, hasta llegar al rango de temperatura deseado, y se mantiene en dicho rango de temperatura durante alrededor de 20 - 45 minutos.
En la etapa final del método de la presente invención, después del proceso de sinterización se procede con una etapa de enfriamiento de la mezcla homogénea hasta obtener la espuma cerámica. En una realización preferida, las mezclas se enfrían en el mismo horno a una velocidad entre 5 - 6 °C por minuto aproximadamente, preferentemente a una velocidad de alrededor de 5,5 °C por minuto, hasta llegar a una temperatura de alrededor de 500 - 550 °C, preferentemente de alrededor de 500 °C. El valor o rango de velocidad que se utiliza para la etapa de enfriamiento depende normalmente del tipo de horno que se utilice. Posteriormente, se continúa con el proceso de enfriamiento a temperatura ambiente, hasta que la espuma cerámica se enfríe por completo, es decir, que alcance una temperatura igual o similar a la temperatura ambiente.
Un segundo objeto de la presente invención corresponde a la espuma cerámica que se obtiene con el método descrito previamente. Particularmente, esta espuma cerámica tiene una densidad aparente (PAPP) menor o alrededor de 1 ,5 ton/m3, una resistencia mecánica (o) mayor o alrededor de 0,2 MPa, y un tamaño promedio de poro (Dp) menor o alrededor de 1 ,8 mm. En una modalidad preferida de la invención, la espuma cerámica con las mejores características obtenidas tiene una densidad aparente (PAPP) menor o alrededor de 0,8 ton/m3, una resistencia mecánica (o) mayor o alrededor de 0,4 MPa, un tamaño promedio de poro (Dp) menor o alrededor de 1 ,0 mm, una conductividad térmica (X) menor o alrededor de 0,13 W/mK.
Al utilizar el método de la presente invención, la espuma cerámica que se obtiene se puede ofrecer en el mercado con un menor costo que las espumas cerámicas actuales debido a las ventajas energéticas que entrega este método de producción y que la materia prima principal utilizada corresponde a un desecho obtenido de la industria minera.
Los siguientes ejemplos están destinados a ¡lustrar la invención y sus modalidades preferidas, pero en ninguna circunstancia deberán considerarse para restringir el alcance de la invención, que estará definido por el tenor de las reivindicaciones que aquí se adjuntan.
EJEMPLOS
Ejemplo 1. Obtención y caracterización de relaves de la minería
Se recolectaron muestras de relave de la planta minera Los Robles, ubicada en el sector de Chacón, en la Región de O’Higgins, Chile (P1 ), y muestras de relave de la Mina Chépica, ubicada en la Región del Maule, Chile (P2). Los relaves se generaron a partir de procesos de flotación de los minerales de oro y plata extraídos en operaciones mineras a pequeña escala (FIG. 1 A).
Primero, se realizaron análisis para determinar las propiedades físicas de los relaves. A las muestras se les realizó un análisis de humedad, la cual se determinó por diferencia de masa entre las muestras obtenidas y muestras que se secaron en una estufa a 1 10 °C por 24 horas. También se les realizó un análisis de densidad, el cual se determinó usando un picnómetro, y un análisis de partículas realizado usando un analizador de tamaño de partículas.
En un análisis granulométñco de una muestra representativa de cada uno de los relaves se obtuvo que la mediana del tamaño de partículas (X50) para el relave P1 es de alrededor de 38 pm y para el relave P2 es de alrededor de 40 pm, y que el 80% del tamaño de partícula que pasa (Xso) para ambos relaves P1 y P2 es de alrededor de 78 pm. Estos valores están acorde al tamaño de partícula recomendado en el estado de la técnica para elaborar espumas cerámicas, el cual debiera ser menor o igual a 100 pm. La humedad para el relave P1 fue de alrededor de 13,3 % y para el relave P2 fue de alrededor de 21 %, y una densidad para el relave P1 de alrededor de 2,65 g/cm3 y para el relave P2 de alrededor de 2,70 g/cm3.
También se realizó un análisis de la composición elemental y mineralógico de los relaves. La composición elemental se determinó utilizando un espectrómetro WD-XRF Bruker S8-TIGES con una fuente de excitación Rh. Brevemente, se usaron 10 g de muestra la cual se trituró hasta obtener un tamaño de partícula de alrededor de 45 pm, y luego se puso en un recipiente de aluminio de 15 mm de diámetro y 1 mm de profundidad. Posteriormente, la muestra se presionó hasta compactarla y seguidamente fue sometida a un análisis para determinar su composición elemental empleando el espectrómetro. El análisis de la composición mineralógica se determinó mediante mineralogía automatizada, utilizando el equipo TESCAN VEGA equipado con el software TIMA Mineral Analyzer. En el equipo se utilizó el modo de análisis de minerales a granel (BMA) con un tamaño de pixel de 5 mm, corriente de 4,29 A, intensidad del haz 16,13, y distancia de trabajo de 15 mm, usando un ladrillo pulido no molido, lo que permitió describir la contribución elemental del silicio. La composición elemental del relave P1 arrojó que el silicio (SiC ) es el componente principal con un 79,09 % m/m del total de muestra analizada. Además, en menor proporción se encontró un 6,07 % m/m de alúmina (AI2O3), 6,49 % m/m de óxido de hierro (Fe2O3), y 3,43 % m/m de óxido de calcio (CaO). El resultado se muestra en la Tabla 1. Es importante destacar que distintos minerales que conforman el relave incluyen estos compuestos. Por tanto, los valores que se muestran en la Tabla 1 corresponden al contenido total de cada compuesto, independiente de la contribución que cada mineral aporta.
Tabla 1. Composición elemental de las muestras de relave P1
Figure imgf000017_0001
Para determinar qué minerales son los que aportan cada uno de esos compuestos, se realizó el análisis mineralógico del relave P1 . Los minerales que se encontraron en mayor proporción fueron: cuarzo (72,1 % m/m), moscovita (5,7 % m/m), clorita (3,5 % m/m), biotita (1 ,8 % m/m), feldespato (2,1 % m/m), granate (2,5 % m/m), y otros minerales como calcita (2,5 % m/m), anhidrita (2,0 % m/m), y pirita
(1 ,5 % m/m), entre otros. El detalle de la composición mineralógica se muestra en la Tabla 2.
Tabla 2. Composición mineralógica de las muestras de relave P1
Figure imgf000018_0001
* A = Ca, Na, K, Pb; B = Ca, Fe, Mg, Mn, Li, Na; D = Al, Fe, Li, Mg, Mn, Ti; Y = Al, Cr, Fe, Mg, Mn, Ti
Por otra parte, la composición elemental del relave P2 también arrojó que el silicio (SiC ) es el componente principal con un 58,06 % m/m del total de muestra analizada. Además, en menor proporción se encontró un 2,91 % m/m de alúmina (AI2O3), y 0,19 % m/m de óxido de calcio (CaO). No obstante, se encontró que la proporción de Fe2Ü3 era muy alta (35,04 % m/m) para elaborar las espumas cerámicas utilizando directamente este relave como materia prima. El resultado del análisis de la composición elemental de este relave se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3. Composición elemental de las muestras de relave P2
Figure imgf000019_0001
Respecto al análisis mineralógico del relave P2, los minerales que se encontraron en mayor proporción fueron: cuarzo (55,06 % m/m) y pirita (34,57 % m/m). El detalle de la composición mineralógica del relave P2 se muestra en la
Tabla 4. Tabla 4. Composición mineralógica de las muestras de relave P2
Figure imgf000020_0001
* A = Ca, Na, K, Pb; B = Ca, Fe, Mg, Mn, Li, Na; D = Al, Fe, Li, Mg, Mn, Ti; Y = Al, Cr, Fe, Mg, Mn, Ti Debido al alto contenido de pirita, para utilizar materia prima proveniente del relave P2 se realizó un proceso de flotación que consistió básicamente en tres etapas: 1 ) acondicionamiento, 2) flotación, 3) filtración y secado (Salazar C., y Uribe L. An Alternative Method for the Obtention of Ceramic Foams from Gold and Silver Tailings with High Pyrite Content. Processes. 2021 , 9(11 ):1897. El acondicionamiento consistió en agregar en una celda de flotación el agua, el relave en suspensión preparado con agua de la llave (en este caso relave P2, 33 % sólidos) y los reactivos de flotación (colector, espumante y agentes estabilizadores de pH (ácido clorhídrico) y, posteriormente, agitar esta mezcla por un periodo de 5 minutos. Logrado lo anterior, se continuó con la etapa de flotación que consistió en dar paso a la inyección de aire en la celda, el cual genera la separación de los materiales de interés, debido a la formación de burbujas que transportan los minerales hidrofóbicos a la superficie de la celda (minerales de pirita principalmente y otros sulfuros de cobre, zinc y plomo, en este caso), generando al finalizar esta etapa dos productos denominados concentrado (rico en silicatos) y cola (ricas en sulfuros, mayohtariamente pirita). Este proceso se realizó por 15 minutos a pH 4, empleando un flujo de aire de 5 L/min, una agitación de 800 rpm y un paleteo automático cada 10 segundos.
Finalmente, se realizó el proceso de filtración y secado del concentrado rico en silicatos y la cola, material de descarte, rico en sulfuros, utilizando una presión de 20 psi durante la filtración y una temperatura de secado 200 °C por 24 horas.
La Tabla 5 muestra la cantidad de cada uno de los reactivos empleados para la realización de cada flotación. En dicha tabla se destaca el uso de metil isobutil carbinol (MIBC) como agente espumante para permitir la flotación de minerales sulfurados como la pirita, amil xantato de potasio (PAX) como colector de sulfuros como la pirita, y la cal y el ácido clorhídrico como agentes estabilizadores de pH.
Tabla 5. Reactivos empleados en proceso de flotación del relave P2
Figure imgf000021_0001
Mediante este proceso de flotación se logró aumentar la presencia de S¡Ü2 en un 22,15 % m/m y reducir la presencia de Fe2Ü3 en un 90,90 % y de SO3 en un 90,95 % m/m asociados mayohtariamente a la fase pirita y en menor medida a sulfuros de cobre, zinc y plomo. Los resultados se presentan en la Tabla 6. Tabla 6. Composición elemental de las muestras de relave P2 posterior al proceso de flotación.
Figure imgf000022_0001
Ejemplo 2. Elaboración de las espumas cerámicas Las muestras de relave previamente obtenidas se secaron en un horno a
100 °C aproximadamente durante 24 horas y se clasificaron mediante tamizaje, empleando una malla 140 (U.S. Mesh), seleccionando las partículas que tenían un tamaño menor o igual a 100 pm para obtener la materia prima para la elaboración de las espumas cerámicas. Se mezcló la materia prima (74,9 %; 72,9 % m/m; 70,9 % m/m; 68,9 % m/m, según el porcentaje de glicerol agregado), 16 % m/m de carbonato de sodio y 5,1 % m/m de cal mediante agitación mecánica durante 5 minutos a 92 g. Luego, se agregó glicerol (4 % m/m; 6 % m/m; 8 % m/m; 10 % m/m) y se agitó durante 5 minutos a 100 g (FIG. 1 B). Después de obtener una mezcla homogénea, se vertió la mezcla en probetas de greda de 4,5 cm de diámetro y se procedió a realizar la compactación con 4 toneladas por 3 minutos (FIG. 1 B).
Posteriormente, las muestras se llevaron al horno mufla para realizar el proceso de sinteñzación mediante rampa de calentamiento a una velocidad de calentamiento de alrededor de 15 °C/min considerando diferentes porcentajes de glicerol (entre 4 - 10 % m/m), temperaturas (entre 850 y 900 °C) y tiempos de sintehzación (entre 20 y 45 minutos), dependiendo el experimento realizado (FIG. 1 B). Finalizado este tiempo, las muestras se enfriaron a una velocidad de alrededor de 5,5 °C/min hasta alcanzar una temperatura de alrededor de 500 °C. Se logró determinar que la velocidad de enfriamiento fue de alrededor de 5,4 y 5,8 °C/min, pero estos valores dependen del horno y equipamiento utilizado para medir la temperatura. Logrado lo anterior, se procedió a realizar un enfriamiento a temperatura ambiente (FIG. 1 C).
Ejemplo 3. Caracterización de las espumas cerámicas obtenidas
Se determinó la densidad aparente (PAPP [ton/m3]), el porcentaje de porosidad, el tamaño promedio de poro (Dp [mm]), y la resistencia mecánica (o [MPa]) de las espumas cerámicas obtenidas, según la metodología descrita por Uribe L, et al. (Uribe L, Moraga C, Rivas F. Using Gold-Silver Tailings on the Elaboration of Ceramic Foams. J. Sustain. Met. 2021 , 7:364-367).
Bajo las condiciones y parámetros usados en el método del Ejemplo 2, se obtuvieron los resultados en las características de las espumas cerámicas que se mencionan a continuación.
Espumas cerámicas obtenidas con materia prima de relave P1
A un tiempo de sintehzación fijo de 20 min y evaluando el efecto de la temperatura entre 850 y 900 °C y el porcentaje de glicerol entre 4 y 10 % m/m, se obtuvieron los resultados que se muestran en las FIGs. 2, 3, 4, y 5. Se puede observar que a las temperaturas 875 °C y 900 °C, la densidad aparente se mantiene por debajo de 1 ,0 ton/m3, independiente de la proporción de glicerol que se utilizó (FIG. 2). A todas las temperaturas y proporción de glicerol ensayadas, el porcentaje de porosidad de las espumas cerámicas es mayor al 40% (FIG. 3). A su vez, a todas las temperaturas y proporción de glicerol ensayadas la resistencia mecánica es mayor a 0,4 MPa (FIG. 4), y el tamaño promedio de poro es menor a 1 ,8 mm (FIG. 5). A una temperatura de sinterización fija de 875 °C y evaluando el efecto del tiempo de sinterización entre 20 y 45 min y un porcentaje de espumante del 6 y 8%, se obtuvieron los resultados que se muestran en las FIGs. 6, 7, 8 y 9. Se puede observar que la densidad aparente se mantiene por debajo de 0,8 ton/m3 (FIG. 6), el porcentaje de porosidad es mayor al 60% (FIG. 7), y el tamaño promedio de poro es menor a 1 ,6 mm (FIG. 9), en todas las condiciones ensayadas. En cuanto a la resistencia mecánica, se observa que entre los 20 y 25 minutos se mantiene por sobre los 0,4 MPa, independiente de la proporción de glicerol que se utilizó (FIG. 8). En la FIG. 10 se muestran fotografías representativas de las espumas cerámicas obtenidas a tiempos de sinterización de 20 (FIG. 10A), 25 (FIG. 10B) y 30 (FIG. 10C) minutos. Se puede observar que, para los tiempos de sinterización de 20 y 25 minutos, los tamaños de poro son menores a 5 mm.
A partir de lo anterior, se logra observar que las espumas que desarrollaron mejores características fueron al emplear una temperatura de 875 °C, un tiempo entre 20 y 25 min y un porcentaje de glicerol entre 6 y 8 % m/m. Manteniendo estas condiciones se obtuvieron las siguientes características en las espumas:
Densidad aparente: menor a 0,80 ton/m3
Porcentaje de porosidad menor al 70%
Resistencia mecánica: entre 0,4 y 0,7 MPa
Tamaño promedio de poro: menor a 1 ,0 mm
Tamaño de poro: menor a 5,0 mm
Espumas cerámicas obtenidas con materia prima de relave P2 post-flotación
A un tiempo de sinterización fijo de 20 min y evaluando el efecto de la temperatura entre 850 y 900 °C y el porcentaje de glicerol entre 4 y 10 % m/m, se obtuvieron los resultados que se muestran en las FIGs. 1 1 , 12, 13, y 14. Se puede observar que, a la temperatura de 900 °C, la densidad aparente se mantiene por debajo de 1 ,0 ton/m3 si es que se utiliza una proporción de glicerol entre 8 y 10 % m/m (FIG. 1 1 ). A todas las temperaturas y proporción de glicerol ensayadas, el porcentaje de porosidad de las espumas cerámicas es mayor al 35 % (FIG. 12). A su vez, a las temperaturas de 850 °C y 875 °C y en todas las proporciones de glicerol ensayadas, la resistencia mecánica es mayor a 0,4 MPa (FIG. 13). A todas las temperaturas y proporciones de g licerol ensayadas, el tamaño promedio de poro es menor a 1 ,6 mm (FIG. 14).
A una temperatura de sinteñzación fija de 875 °C y evaluando el efecto del tiempo de sinteñzación entre 20 y 45 min y un porcentaje de espumante del 6 y 8%, se obtuvieron los resultados que se muestran en las FIGs. 15, 16, 17 y 18. Se puede observar que la densidad aparente se mantiene por debajo de 0,9 ton/m3 (FIG. 15), el porcentaje de porosidad es mayor al 60% (FIG. 16), y el tamaño promedio de poro es menor a 1 ,6 mm (FIG. 18), en todas las condiciones ensayadas. En cuanto a la resistencia mecánica, se observa que entre los 20 y 35 minutos se mantiene por sobre los 0,4 MPa, independiente de la proporción de glicerol que se utilizó (FIG. 17). En la FIG. 19 se muestran fotografías representativas de las espumas cerámicas obtenidas a tiempos de sinteñzación de 20 (FIG. 19A), 25 (FIG. 19B) y 30 (FIG. 19C) minutos a 875 °C. En la Tabla 7 se muestran las características de densidad aparente, porcentaje de porosidad, tamaño promedio de poro y resistencia mecánica para cada una de esas espumas representativas.
Tabla 7. Características de las espumas cerámicas que se muestran en la FIG. 19
Figure imgf000025_0001
Adicionalmente, se determinó la resistencia al fuego de las espumas elaboradas mediante ensayos de conductividad térmica, combustión vertical, combustión horizontal y de determinación del índice de oxígeno límite (LOI). Estos ensayos se realizaron en el Instituto de Investigaciones Tecnológicas de la Universidad de Concepción.
Para estos ensayos, se analizaron 30 muestras cilindricas manteniendo fija la composición de espumas cerámicas y variando el tipo de materia prima según el relave de donde provenía (P1 y P2), de dimensiones promedio de 6,5 cm de diámetro y 2,5 cm de espesor. Se utilizó 6 % m/m de glicerol, y se empleó una temperatura y tiempo de sinteñzación de 875 °C y 20 min, respectivamente. El ensayo de conductividad térmica se realizó mediante la medición de flujo de calor en estado estacionario por medio de un aparato de placa caliente protegida (ASTM C177). Las muestras previo ensayo se acondicionaron a 22 °C y una humedad relativa de 50 % según la norma para estos análisis. El tiempo de ensayo fue de 4 horas para lograr la estabilización de la temperatura de placa caliente y placa fría. En la Tabla 8 se muestran los valores obtenidos para 5 muestras y sus respectivos promedios. Las pequeñas diferencias observadas en la conductividad térmica se deben principalmente al método y el tipo de material evaluado (porosidad del material), por lo que estos valores son estadísticamente similares.
Tabla 8. Valores obtenidos de los ensayos de conductividad térmica (X)
Figure imgf000026_0001
Por otra parte, se evaluó la combustión vertical de las espumas cerámicas, para lo cual se sometieron muestras de idéntica composición y geometría a una llama de prueba estándar para dos aplicaciones de llama de 10 segundos. El tiempo post-llama se registra después de la primera aplicación de llama (t post-llama 1 o exposición), y los tiempos de post-llama y post-incandescencia se registran después de la segunda aplicación de llama (t post-llama 2o exposición y t postincandescencia, respectivamente). También se registró información sobre si gotea o no material en llamas de la muestra. En la Tabla 9 se muestran los resultados de este ensayo.
Tabla 9. Resultados obtenidos del ensayo de combustión en posición vertical
Figure imgf000026_0002
También se evaluó la combustión horizontal de dichas espumas, para lo cual se apoyaron las muestras en una rejilla y se aplicó una llama en un extremo durante 60 segundos. Con esto, se determinó la velocidad de combustión (V combustión), la extensión de la combustión y los tiempos de post-incandescencia y post-llama. En la Tabla 10 se muestran los resultados obtenidos.
Tabla 10. Resultados obtenidos del ensayo de combustión en posición horizontal de las muestras P1 y P2
Figure imgf000027_0001
También se realizó una prueba para determinar si las espumas cerámicas eran inflamables o no. Para ello, se realizó el ensayo de determinación del índice de oxígeno límite (LOI). Las muestras se sometieron a la acción de una llama directa en condiciones estándar de oxígeno y nitrógeno (21 % y 78 %, respectivamente) y humedad relativa de 50 %. En la Tabla 1 1 se muestran los resultados de estos ensayos.
Tabla 11. Resultados de índice de oxígeno para las espumas cerámicas
Figure imgf000027_0002
Tomando en cuenta los resultados obtenidos, el método de la presente invención permite disponer de un producto con propiedades aislantes, de muy baja conductividad térmica y con una mayor eficiencia en comparación con el mismo espesor que otros productos disponibles en el mercado. En la Tabla 12 se muestra una comparación de las características de la espuma cerámica con las mejores características obtenidas y dos productos disponibles actualmente en el mercado. Tabla 12. Comparación de propiedades entre una de las espumas cerámicas de la presente invención y las espumas cerámicas disponibles en el mercado.
Variable Relave oro-plata Foamglas® muros Yeso-cartón pApp (ton/m3): < 0,8 0,4 0,6 - 1
Dp (mm) : < 1 < 4 o (MPa) : 0,4 - 0,7 0,5 5,0 W/mK) : 0,119 0,135 0,26
Estas excelentes propiedades hacen que la espuma cerámica pueda ser aplicada en toda obra civil como aislante térmico y acústico, y además puede ser usada para proteger componentes estructurales contra el fuego, la humedad y la erosión.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Un método para la elaboración de espumas cerámicas, CARACTERIZADO porque comprende las etapas de: proporcionar una materia prima que proviene de relaves mineros, donde dicha materia prima incluye S¡Ü2 en una proporción de al menos o alrededor de 70 % m/m, y Fe2Ü3 en una proporción menor o alrededor de 10 % m/m; mezclar dicha materia prima con un agente fundente, y glicerol como único agente espumante hasta obtener una mezcla homogénea; sintehzar la mezcla homogénea obtenida; y enfriar la mezcla homogénea para obtener la espuma cerámica.
2. El método según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la materia prima incluye AI2O3 en una proporción de al menos o alrededor de 2 % m/m, y la presencia de al menos un óxido de metales alcalinos y/o alcalinotérreos que se selecciona del grupo que consiste de CaO, Na2Ü, K2O, MgO y una mezcla de estos.
3. El método según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque adicionalmente comprende una etapa en la que los relaves se clasifican por tamaño y se seleccionan aquellos que tiene un tamaño de partícula menor o igual a 100 pm.
4. El método según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la materia prima se agrega a la mezcla en una proporción entre 65 - 80 % m/m.
5. El método según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el glicerol se agrega a la mezcla en una proporción entre 4 - 10 % m/m.
6. El método según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el agente fundente se selecciona del grupo que consiste de carbonato de sodio, borato de sodio, cal, y una mezcla de estos.
7. El método según la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque el agente fundente es una mezcla de carbonato de sodio y cal.
8. El método según la reivindicación 7, CARACTERIZADO porque el carbonato de sodio se agrega a la mezcla en una proporción entre 14 - 18 % m/m, y la cal se agrega a la mezcla en una proporción entre 4 - 6 % m/m.
9. El método según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque en la etapa de sintehzar la mezcla homogénea se utiliza una temperatura entre 850 - 900 °C.
10. El método según la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque la temperatura se mantiene por un tiempo entre 20 - 45 minutos.
1 1. El método según la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque en la etapa de sintehzar la mezcla homogénea se aumenta gradualmente la temperatura a una velocidad entre 10 - 20 °C por minuto.
12. El método según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la etapa de enfriar la mezcla comprende una primera etapa en la que se disminuye gradualmente la temperatura hasta alcanzar un rango entre 500 - 550 °C, y una segunda etapa en la que la mezcla homogénea se deja enfriar hasta que alcance una temperatura ambiente.
13. El método según la reivindicación 12, CARACTERIZADO porque en la primera etapa la temperatura se disminuye a una velocidad entre 5 - 6 °C por minuto.
14. Una espuma cerámica, CARACTERIZADA porque se obtiene mediante el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, y tiene una densidad aparente menor o alrededor de 1 ,5 ton/m3, una resistencia mecánica mayor o alrededor de 0,2 MPa, y un tamaño promedio de poro menor o alrededor de 1 ,8 mm.
15. La espuma cerámica según la reivindicación 14, CARACTERIZADA porque la densidad aparente es menor o alrededor de 0,8 ton/m3, la resistencia mecánica es mayor o alrededor de 0,4 MPa, y el tamaño promedio de poro es menor o alrededor de 1 ,0 mm.
16. La espuma cerámica según la reivindicación 15, CARACTERIZADA porque tiene una conductividad térmica menor o alrededor de 0,13 W/mK.
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