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Boletín de la Sociedad Chilena de Química

versão impressa ISSN 0366-1644

Bol. Soc. Chil. Quím. v.45 n.4 Concepción dez. 2000

http://dx.doi.org/10.4067/S0366-16442000000400007 

CARACTERIZACION Y SEPARACION DE UNA ESTILBITA
ORIGINARIA DE LA REGION DE ATACAMA, CHILE

R. MAURELIA1*, R. ZAMORA1, M.GUEVARA2, M. ROJAS2, L.ROJAS3

1Facultad de Ciencias Naturales.2Departamento de Ingeniería Metalúrgica,
3Departamento de Ingeniería de Minas,
Facultad de Ingeniería, Universidad de Atacama, Casilla 240, Copiapó, Chile.
(Recibido: Mayo 3, 2000 - Aceptado: Julio 31, 2000)

ABSTRACT

The properties of natural stilbite from the Atacama region of Chile are described in this work. This mineral shows colorless, white and honey-brownish shades, and it presents pearly and vitreous luster with a radial crystallization form. The results from the physical and chemical characterization are the following: Mohs hardness = 3-4, specific gravity = 2.05, mass loss by heating = 17.4% and mass loss by HCl dissolution = 35.5%. The chemical composition is Na (0.59%), Ca (5.64%), Al (9.40%), Si+O (66.93%), H2O (17.44%). The X-ray diffraction patterns match also very well with stellerite, a Na-free orthorhombic zeolite (stilbite is recognized as monoclinic), suggesting the presence of two different crystal growing sectors. The IR spectrum shows the characteristic O-H stretching and bending and the symmetric and asymmetric T-O (T: Si, Al) stretching absorption bands. Gravitational combined with magnetic separation methods seems to be appropriated for separating the stilbite from the associated gangue.

KEY WORDS: Natural zeolite, stilbite, characterization, isolation.

RESUMEN

Se describen las propiedades de una estilbita originaria de la región de Atacama, Chile. El mineral es incoloro-blanco con tonalidades pardo miel, presenta lustres perláceo y vítreo, y una forma de cristalización radial. Los resultados de la caracterización físico-química son los siguientes: dureza de Mohs=3-4, peso específico=2,05, pérdida de peso por calentamiento=17,4% y pérdida de peso por disolución en HCl=35,5%. La composición química es la que se indica: Na(0,59%), Ca(5,64%), Al(9,40%), Si+O=(66,93%), H2O(17,44%).

Los valores 2q del difractograma de rayos X ajustan además con estelerita, una zeolita carente de Na y ortorrómbica (la estilbita es monoclínica), lo que sugeriría la presencia simultánea de dos sectores de crecimiento diferentes en los cristales. El espectro IR muestra las absorciones características de estiramiento y flexión O-H y estiramiento simétrico y asimétrico T-O (T:Si, Al). Métodos de separación gravitacional combinados con métodos de separación magnética parecen apropiados para aislar la estilbita de la ganga asociada.

PALABRAS CLAVES: Zeolita natural, estilbita, caracterización, separación.

INTRODUCCION

Las zeolitas son una familia de minerales de génesis secundaria, es decir, se forman posteriormente al tiempo de formación de los constituyentes de la roca en la cual ocurren, generalmente varios tipos de silicatos, los que se alteran por medio de las aguas. Así, se las encuentra en rocas efusivas básicas de tipo basáltico, con menor frecuencia en cavidades de rocas graníticas o neísicas y en filones metalíferos de origen hidrotermal. Su estructura consiste en un andamiaje tridimensional de tetraedros SiO4 y (en la mayoría de los casos) AlO4, unidos por los átomos de O (tectosilicatos), el que da origen a un sistema de cavidades poliédricas intercomunicadas, que determina la microporosidad de estos materiales. Cationes de metales alcalinos y alcalinotérreos y moléculas de agua se ubican en estas cavidades, de las cuales pueden ser removidos reversiblemente. Una completa recopilación de estructuras, con su composición química y parámetros cristalográficos ha sido publicada por la Asociación Internacional de Zeolitas1.

La potencialidad de diversas aplicaciones que se derivan de su estructura ha conducido a la producción y uso en gran escala de zeolitas artificiales que se han empleado comercialmente como intercambiadores de iones, absorbentes selectivos, desecantes, tamices moleculares y catalizadores2. No obstante lo anterior, las zeolitas naturales suelen tener propiedades que compiten con las zeolitas sintéticas3,4. Además, la ocurrencia de algunos yacimientos de zeolitas en depósitos sedimentarios de alta pureza, y por lo tanto, de bajo costo de explotación ha incentivado su utilización, desplazando progresivamente a los materiales sintéticos5. En nuestro país, un informe sobre minería no metálica recomienda emprender estudios respecto de reservas, caracterización química y mineralógica, procesamiento y aplicaciones de zeolitas nacionales, por cuanto se vislumbran buenas perspectivas de uso en purificación de aguas y en la industria agropecuaria3.

En el presente trabajo se describen las características de una estilbita encontrada en una vetilla al interior de una formación de rocas ígneas granodioríticas , 50 Km al noroeste de Copiapó, región de Atacama en el norte de Chile. Esta especie pertenece a las llamadas zeolitas hojosas y debe su nombre al hermoso lustre perlado de sus superficies de exfoliación, del Griego stilbh, lustre. También se la llama, incorrectamente, desmina1,6,7. En la literatura se describen aplicaciones de la estilbita en defluoración de aguas8, como facilitadora de crecimiento cristalino de proteínas9, en elaboración de cementos resistentes al impacto10, como soporte de fertilizantes11, en estudios de fisión12 y rellenos de papel13.

En este trabajo se caracteriza la estilbita y se identifican las otras especies mineralógicas asociadas en la mena, determinando diferencias de propiedades físicas entre ambas, conducentes a su separación.

EXPERIMENTAL

Una muestra de la mena encontrada fue fracturada y separada a mano, aislándose una porción blanco-incolora con tonalidades pardo miel y cristalización radial, a la cual se le aplicaron los test cualitativos del soplete y desprendimiento de agua descritos en la literatura como reconocimiento para zeolitas6,7. El resto de la roca que en lo sucesivo se denominará ganga, presentaba una estructura heterogénea en textura y color. A ambas porciones separadas se les realizaron las siguientes determinaciones: Observaciones microscópicas, humedad, dureza, peso específico, pérdidas de peso por calentamiento y por disolución con HCl, análisis químico, difractometría de polvos y fluorescencia de rayos X.

Las observaciones microscópicas se realizaron en material particulado -30 +50 mallas Tyler, con un estereomicroscopio Zeiss, y en cortes transparentes y briquetas, con un microscopio polarizante Leitz, Laborulux 12 Pol. La humedad se determinó por diferencia de peso, manteniendo las muestras en una estufa a 110ºC durante 6 h. La dureza de Mohs se evaluó por resistencia de la muestra a ser rayada por otros materiales, y el peso específico, por el método del picnómetro6. La pérdida de peso por calentamiento se midió después de mantener la muestra en una mufla durante 1 h a 750ºC; en tanto, para evaluar la disolución en ácido, se agregaron 20 g de sólido -20 mallas Tyler sobre 100 mL de HCl concentrado comercial, agitando en un shaker durante 10 h, para posterior filtrado, secado y determinación de la pérdida de peso. La composición química se determinó por espectrofotometría de absorción atómica en una unidad GBC 908 PBT, y por fluorescencia de rayos X en un espectrofotómetro Siemens SRC 3000 con radiación de Rh. La difracción de rayos X utlizando el método de polvo fue realizada en una unidad automática Siemens D5000 entre ángulos 2q de 5º a 75º y radiación CuKa.

Adicionalmente, se registró el espectro IR de la zeolita (estilbita) separada, en pastillas de zeolita en KBr en la relación 1:10 respectivamente, en un aparato Perkin Elmer modelo 1600 FT-IR, con intervalo de barrido 4000 a 500 cm-1. Se le midió también la superficie específica aparente, Sg, en un equipo Micromeritics Gemini 2370 mediante uso de la ecuación de BET. Además se registró el potencial zeta en función del pH en una celda microelectroforética Rank Brothers Mark 11, agregando KNO3 a la suspensión como electrolito indiferente y ajustando el pH con H2SO4 e NaOH. Los valores informados corresponden al promedio de 20 medidas realizadas alternando la polaridad de los electrodos.

Otra muestra de la mena original fue sometida a conminución en un chancador de mandíbula tipo Blake de 12,7 x 10,2 cm, luego en un chancador de rodillo 20,3 x 20,3 cm y posteriormente en un molino de bolas por tiempos entre 5 y 15 minutos, con una carga de 14,7 Kg de bolas de 5,1 y 2,5 cm. Una porción del material resultante fue separada por tamaños en un clasificador Ro-tap de 11 tamices comprendidos entre #30 y #400 mallas Tyler durante 10 minutos para su posterior análisis químico. Otra porción del material bajo 1700 mm fue tratada en un separador gravitacional Jig de capacidad 9-11 Kg/h, de tamiz fijo tipo Harz, con lecho de baritina y flujo de alimentación 9,6 mL/s. Se realizó un análisis químico a las fracciones separadas.

A excepción de cuando se indica expresamente, todas las experiencias fueron efectuadas a temperatura ambiente.

RESULTADOS Y DISCUSION

Ensayos cualitativos y propiedades físico-químicas

Cristales de la porción blanco-incolora separada por quebrantamiento de la mena fueron sometidos a la llama de un mechero al interior de un tubo de vidrio cerrado, observándose eliminación de vapor de agua en las paredes del mismo. Ante la aplicación del soplete este material fundió con efervescencia. Parte de él fue disuelto en HCl concentrado sin gelatinizar, dando origen a un sólido blanco amorfo. La literatura describe este comportamiento para las zeolitas naturales6,7. Observaciones practicadas a la ganga con estereomicroscopio y microscopio de luz polarizante, y la difractometría de rayos X por el método de polvo, indicaron la presencia de cuarzo (SiO2), magnetita (Fe3O4) y hematita (F2O3) como componentes principales, crisocola (CuSiO3 . 2H2O) y epídota (Ca2(Al,Fe)3(OH)(SiO4)3) en menor abundancia, y otros componentes menores como: goethita (FeO(OH)), magnesioferrita (MgFe2O4), sericita (KAl3(OH)2Si3O10) y ortoclasa (K(AlSi3O8)).

Algunas propiedades determinadas para la zeolita y la ganga se muestran en la Tabla I. Los valores de peso específico y dureza encontrados están en el rango que indica la literatura para zeolitas naturales 6,7. La pérdida de peso por calentamiento experimentada por la zeolita es atribuible a su deshidratación 14.


Separación zeolita-ganga

El análisis químico indica que todos los elementos constituyentes de la zeolita se encuentran también formando parte de la ganga, por lo cual su determinación no es apropiada para evaluar procesos de separación y concentración. Sin embargo, el Fe, presente solo en la ganga en alta proporción (13,80%), permitiría este propósito, a nivel semicuantitativo.

La diferencia de dureza entre la zeolita y la ganga sugiere que en un proceso de conminución, ambas deben fracturarse con distinta intensidad, posibilitándose la separación de ambos en diferentes tamaños de partículas. Este efecto, se puede apreciar en la Tabla II que muestra el análisis químico de tres de las fracciones separadas de la ganga en una secuencia chancado-molienda-tamizaje. El Fe, contenido en las especies mineralógicas constituyentes de la ganga, es retenido en las fracciones de mayor tamaño, lo propio debe ocurrir con el cuarzo, más duro aún que las especies ferrosas; en cambio, el Ca, más abundante en la zeolita, se concentra en las partículas más finas.


Las especies presentes en la ganga tienen también un peso específico superior a la zeolita, tales son los casos de hematita (5,26), magnetita (5,18) y en menor grado el cuarzo (2,65), comparado con 2,05 de la primera6 . De este modo, métodos de separación gravitacional pueden ser aplicados en este caso. Así, al tratar 150 g de la mena al 100% bajo 1700 mm y 9,4% Fe, en un separador gravitacional Jig conteniendo un lecho de baritina (peso específico 4,5), se obtienen 106 g de material (2,8% Fe) en rebalse y 42 g (25,3% Fe) bajo el lecho de baritina.

El contenido de ganga ferrosa remanente en las fracciones enriquecidas en zeolita por ambos procedimientos podría ser abatido con un separador electromagnético. Pruebas preliminares efectuadas con imanes mostraron buenos resultados.

El potencial zeta x es aquel que se establece en el plano que separa la parte fija de la doble capa eléctrica de su parte móvil. La variación de x en función del pH determinada a una suspensión de zeolita (estilbita) se muestra en la Figura 1. El punto de carga cero (ZPC) se alcanza a pH =2,0. A valores superiores a 2,0, la superficie de la zeolita presenta una densidad de carga negativa. En una suspensión de la mena, las especies mineralógicas constituyentes de la ganga con ZPC superiores a 2,0 tendrán una densidad de carga superficial de signo opuesto a la zeolita en un cierto rango de pH, lo que permitiría su separación flotando esta última con un colector catiónico. Tal condición se cumple para hematita y goethita de ZPC = 4,8 -– 6,7 y 6,8 respectivamente15, sin embargo no ocurre lo propio con el cuarzo ni la crisocola, cuyos ZPC están entre 2,0 y 3,0, demasiado próximos a la zeolita, por lo cual este método de separación fue descartado.


Identificación y caracterización de la zeolita

Los resultados del análisis químico de la zeolita se muestran en la Tabla III. Una posterior determinación de Si, indica una relación (Si/Al + Si) = 0,73. Una clasificación establecida por Bogdanova y col. considera a este valor en la categoría de zeolitas de estabilidad moderada a la ruptura después de estar en contacto con HCl16.


La Figura 2 muestra una sección del difractograma de rayos X, en el cual se aprecia un buen ajuste de los espaciados con los de una estilbita, zeolita reconocida como monoclínica y simetría C2/m18, lo cual es coincidente con la composición química, hidratación y las propiedades físicas indicadas en la Tabla I (la dureza y peso específico de la estilbita reportados en la literatura son 3,5 a 4 y 2,1 a 2,2. Respectivamente6,7). No obstante lo anterior, el difractograma presenta también un alto grado de coincidencia con una estelerita (Figura 3), otra zeolita hojosa como la estilbita, pero que carece de sodio y cuyo sistema cristalino es ortorrómbico, Fmmm18. Esta aparente contradicción podría explicarse en base a la existencia simultánea de dos sectores de crecimiento diferentes en los cristales de estilbita. A este respecto, se puede mencionar el estudio reportado por Akizuki y col. sobre una estilbita originaria de Poona (India). Mediante estudios de rayos X sobre monocristales determinaron que el sector de crecimiento {101} es monoclínico, en tanto el sector {001} es ortorrómbico e isomorfo con estelerita, y explicaron su simetría por la rotación del tetraedro de Si durante el crecimiento del cristal18.



La Figura 4 reproduce el espectro IR en la región 4000 a 500 cm-1, análogo al reportado por Singhai y col, para una estilbita proveniente del área de las trampas de Decán (India)14. Las bandas asignadas son las siguientes: 3611 y 1654 cm-1, estiramiento O-H y flexión O-H respectivamente; 1144,4 y 1028,2 cm-1, estiramiento asimétrico T-O; 705,6 cm-1, estiramiento simétrico T-O(T: Si o Al) y 555,6 cm-1 absorción debida a anillos dobles.


La superficie específica aparente, Sg, del sólido sin modificación, es de solamente 5,7 m2/g . No obstante, en ensayos con una solución de oxalato de amonio se midieron hasta 33 mg. de NH4+ absorbidos por gramo de estilbita, sin que se observara la saturación del sólido.

Se realizaron pruebas preliminares con hortalizas plantadas en macetas tendientes a evaluar la eventual aplicación de la estilbita como hidrofertilizante. Después de la cosecha, se detectó un 7% más de humedad remanente en la tierra a la que se había agregado 20 g de estilbita por Kg, con respecto a la de plantas testigos, en iguales condiciones de riego.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la ex Dirección de Investigaciones de la Universidad de Atacama por el apoyo financiero (Proyecto 02-PI-96), a los profesores: Ruby Cid y Rafael García de la Universidad de Concepción por aporte bibliográfico y la determinación de superficie específica; Luis Valderrama y Guillermo Zárate de la Universidad de Atacama por sus aportes en la determinación de potencial zeta y difractogramas de Rayos X, respectivamente.

*Autor a quien dirigir la correspondencia. E-mail: rmaurelia@ciencias.uda.cl

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