Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1, 3- 8 3

ESTUDIO COMPARATIVO DEL COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DEMUESTRASLATERÍTICAS DE DIFERENTES YACIMIENTOS QUE

PROCESA LA EMPRESA MOA NIQUEL S.A.

Á. Cerpa 1, P. Tartaj 2, M. T. García-González 3, C. J. Serna 2, Á. Garcia 1.

1.- Facultad de Ingeniería Química, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverria,Calle 127 s/n. Marianao. 19390. C.Habana. Cuba.

2.- Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), Campus de Cantoblanco.28049.Madrid España.

3.- Centro de Ciencias Medioambientales de Madrid (CSIC), Serrano 115Dpdo 28006Madrid España.

Resumen

Enel trabajo se realiza el estudio comparativo del comportamiento reológico de muestras laterlticas de diferentes yacimientosqueprocesa la Empresa Moa Niquel S.A, teniendo en cuenta el efecto del pH y la concentración de sólidos. Para comprenderlosdiferentes comportamientos obtenidos, fue necesario realizar previamente la caracterización mineralógica y coloidequimicadelas muestras de los yacimientos que se estudiaron, entre los cuales se encuentran: Yamaniguey, Atlantic y Zona A.

La caracterización mineralógica dio como resultado que las muestras están constiutidas por diferentes proporciones de lasfasesgoethíta, serpentina y maghemita. Los resultados obtenidos de la caracterización coloidequfmica permite concluir queelpH del punto isoeléctrico (p.i.e) de estas muestras depende fundamentalmente de la fase mineralógica que este en mayorproporción.

Los resultados reológicos muestran que los valores de viscosidad cambian con el pH y la concentración de sólidos. Losvaloresmáximos de viscosidad se obtienen a pH igual o cercanos al p.i.e, donde la velocidad de coagulación es máxima. Sepudo observar que las suspensiones presentan un comportamiento variable, desde plástico hasta alcanzar flujos seudoplásticosy newtonianos en dependencia de estos factores.

PtlÚlbras CltlVe: Reologla, Lateritas, Viscocidad, Punto Isoeléctrico.

Abstract

Inthis work it is carried out a comparative study ofthe rheological behavior of different latherites, depending on the pH andsolidsconcentration. To understand the different behaviors, it was formerly cbaracterized the mineralogy and chemical colloidalpropertiesofthe samples studied.

Themineralogical characterization resulted that samples are constituted by different proportions of goethita, serpentine andmaghemitaphases. The chemical colloidal evaluation concluded that the pH for isoelectric point ofthese samples depends onthemineralogical phase present in larger quantity.

Therheological study showed that viscosity changes with pH and solids concentration. The maxímum viscosity is obtainedatorcloseisoelectric point pH where the speed of coagulation is máximum. It was observed a variable suspension bebavior, fromplasticto pseudoplastic and newtonian flows depending on these factors.

Keywords:Rheology, Latherites, YISCOSity, Isoelectric Point.

1.lD.troducción.

Las suspensiones lateriticas concentradas constituyenunsistemapoco estudiado dado su complejidad en cuanto acomposiciónmineralógica y granulométrica, En las últimasdécadasha aumentado el interés por las mismas con vistasa la extracción de níquel y cobalto, metales que hanalcanzado una alta demanda en diferentes tipos deindustrias.

Las propiedades de flujo de suspensiones en generaldependen de factores tales como la composición qufmica,densidad de partículas, concentración y, tamaño y forma delas partículas suspendidas [1,2]. El conocimiento del efectoque tienen estos factores en el comportamiento reo lógicode los fluidos, constituye uno de los eslabones necesarios atener en cuenta cuando las suspensiones de distintosmateriales son utilizadas en procesos tecnólogicos.

4 A. Cerpa y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales.

En el caso de suspensiones lateríticas alguno de losfactores no son controlados fácilmente, siendo sucomportamiento dificil de entender [3-6].

En general, hay dos métodos de enfoque a seguir cuandose emprende el estudio reológico de un material; el primero,consiste en establecer expresiones matemáticas quedescriben los fenómenos reológicos sin hacer clarasreferencias a sus causas; y el segundo, que es el que se haaplicado en este trabajo, consiste en relacionar elcomportamiento reológico observado con distintos factoresque influyen sobre dicha estructura. El comportamientoreo lógico de las dispersiones minerales generalmente es muycomplejo, y refleja no solo las características geométricas yde dimensiones de las partículas individualmente, sinotambién las interacciones partícula-partícula y partícula-medio dispersante [7-9].

La curva de flujo es la herramienta básica para el análisisreológico de un sistema de flujo, y de un fluido. Por su formaes posible identificar la naturaleza reológica del material, asícomo determinar la viscosidad y los parámetros reo lógicosfundamentales (según el modelo que se utilice) bajo diferentescondiciones de trabajo u operación.

El objetivo de este trabajo es realizar un análisiscomparativo del comportamiento reológico de muestrasLateríticas de diferentes yacimientos que procesa la EmpresaMoa Níquel SA, teniendo en cuenta el efecto del pH y laconcentración de sólidos, así como la relación existente conel comportamiento mineralógico y coloidal.

2. Métodos utilizados y condiciones experimentales.

Las muestras se seleccionaron de acuerdo al diferentecomportamiento que presentan las mismas en el proceso desedimentación de la Empresa Moa Nickel, S.A. Lasdenominadas SG y G proceden del yacimiento Yamanígüey,la GS del yacimiento Atlantic y las NI, N2 Y N3 de diferentesperfiles de la Zona A. En cada caso la fracción estudiada esla~80~m.

Con vistas a determinar la composición míneralógicade las diferentes muestras, se incluyó en el estudio unamuestra de serpentina pura (SP) procedente del yacimientoYamanigüey y una de gothita pura sintética (GP) preparadade acuerdo a lo referido en [lO], a modo de comparación.

Para la caracterización mineralógica se utilizarondiferentes técnicas, entre ellas ORX, Ir, ATO/ ATG, TEM,Y otras.

Para la identificación mediante difracción de rayos X,se utilizó un difractómetro Philips PW 1130, eligiéndoselas rendijas de 1; 0,2 Y l° para la divergencia, recepción ydispersión de la radiación Kal,2 de Cu ( 'Ar= 0,1542 nm).Las condiciones de excitación han sido 40 KV Y 40 mA. Seutilizó un monocromador secundario de grafito y uncontador proporcional. Los difractogramas se registraroncon una constante de tiempo de 1 segundo y con velocidadde exploración y de papel de 2°/min y 20 mm/min,respectivamente.

Los espectros infrarrojo se registraron en unespectrofotómetro FT-IR Nicolet 20 SXC. Se utilizaroncomprimidos de KBr que se obtuvieron mezclando alrededorde 2mg de muestra con 200 mg de KBr, sustanciatransparente a la radiación infrarroja entre 1250 y 250 cm-1; esta mezcla fue posteriormente compactada a una presiónde 5000 Kg/cm-.

Los análisis térmicos diferencial (ATO) ytemogravimétrico (ATG) fueron realizados en un aparatoNetsch, STA 409. Las muestras se calentaron a unavelocidad de 10°C/min en una atmósfera de aire dinámico.

La determinación de la forma de las partículas fuellevada a cabo con un microscopio electrónico detransmisión, Philips EM 300 que opera a 100 KeY. Sutamaño medio se determinó midiendo varios cientos departículas en las micrografías obtenidas por TEM. Laobservación se realizó por transmisión directa sobre rejillasde cobre cubierta con una película de carbono amorfo, enlas que sé depósito una suspensión muy diluida de la muestraobtenida aplicando ultrasonidos.

La caracterización coloide química, o sea obtención delpunto isoeléctrico se realizó mediante la medida demovilidad electroforética, con un equipo Coulter Delsa 440que analiza la variación en frecuencia de la luz dispersadapor una partícula en movimiento (Efecto Doppler) enfunción del pH.

Para la caracterización reológica, se utilizó un viscosirnetrorotacional de cilindros concéntricos Haake - Rotovisco RV20y un viscosímetro rotacional Rheotest 2.1. Estos emplean elsistema de medida del tipo Searle es decir el gradiente develocidad se logra por medio de dos cilindros uno exterior enreposo y otro interior rotatorio que gira con un número derevoluciones fijo o variable. Todas las medidas se realizarona 25°C.

Utilizando el primer viscosímetro la medida se realizade un modo automático y por medio de un programa serepresenta el esfuerzo cortante ('t), en Pa,frente al gradientede velocidad (y), en S·I. El valor de la viscosidad aparente(Jl) en Pa.s, se calcula al dividir el esfuerzo cortante entreel gradiente de velocidad. En cambio cuando se utiliza elsegundo viscosímetro los resultados obtenidos de esfuerzocortante ('t) y gradiente de velocidad (y) son procesadosmediante programas estadísticos para obtener las curvas deflujo y los valores de viscosidades.

3. Resultados y Discusióo.

3.1 Caracterización Mineral6gjcg.

3. l. 1Difracción de Rayos X

Los difractogramas de polvo desorientado de las distintasfracciones (Figura 1) indican que las muestras SG y GS

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1.

G

~ ~I••rJlZ

~

~~s

sSP

10 20 30 40

estáncompuestas principalmente por serpentina (picos a0,72; 0,366Y 0,460 nm) y goethita(picos aO,418; 0,269 Y 0,244nm)en distintas proporciones, mientras que la muestra Gcontienefirndamentalmente goetbita. La gibsita (pico a 0,485nm),y maghemíta(pico a 0,251 nm) son otras fases presentesentodaslas muestras, pero en menor proporciones, lo cualfue determinado mediante análisis semicuantitativo. Elcuarzoeselmineral que completa la asociación mineralógicay siemprese encuentra en pequeña proporción.

10 20 30 40 50 60CuKa (29)

Fig. l. Diagramade DRX de muestras naturales SG, GS, Gcomparadas conunamuestranatural de SP y una goethita sintéticaGP.

Losdiagramasde difracción de RX de las muestras N) yN2 (Figura2) son similares, mostrando picos claramentedistintivosde goethita y un pico de intensidad débil queaparecea 0.29 nm asociado a la presencia de trazas demaghemita.De acuerdo con estos resultados en el espectrode IR (datos no mostrados) solo aparecieron modos devibracióndebidosa la presencia de goethita. En el caso de lamuestra 3, se observan picos de la fase goethita ymaghemita como predominantes, así como pequeñasproporcionesde serpentina y gibsita.

Las demás técnicas utilizadas en el trabajo para lacaracterizaciónmineral6gica confirman los resultadosobtenidosporDRX.

3.2 CqrqcterizqciÓD Coloidegulmiea.

Enla Figura 3 se presenta el efecto de la composiciónmineralógicade lasmuestras sobre el potencial zeta (NaCI de10-3 M).Enella se puede observar un cambio significativoenelp.i.equeabarca de 4.8 para la muestra SG, a 8.4 en elcasodelamuestraG, pasando por un valor intermedio en lamuestraGS.

5

e4(e¡¡jzw...~

N2

10 40

297050 6020 30

N3

I~50 60 70

28Fig. 2. Diagrama de DRX de muestras naturales (Nl,N2 YN3).

* Los símbolos representan a las fases siguientes: G=Goethita,S=Serpentina, M=Maghemita, Gi=Gibsita y C=Cuano.

OO-r----------------------------------,G P.I.E=4.8 •

P.I.E=6.2 *P.I.E" 8.4 •• •GS

40

o-+--------~--~~----~~----------;

pH

Fig. 3. Potencial zeta vs pH en suspensiones acuosas a laconcentración de 1(T3 M de NaCl de las muestras SG, GS y G.

Las curvas de movilidad electroforética en función delpH de muestras naturales NI, N2 YN3, suspendidas en unadisolución acuosa con una concentración de NaCl de lo-2Mse representan en la Figura 4.

6 A. Cerpa y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales.

l4 --.3 • 2

.;; 2 ..-.:1~ gO 1 .! o

! o 1~ i..:! -1 ~ ~11I :.o:. -2

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-3

3 • S 6 .,2 4 8 10 12 pB

*" • 8.0

8 9 10 U

pBFig, 4. Movilidad electroforétíca vs pH en suspensiones acuosas a la concentración de NaCl de 10-2 M de muestras NI, N2 YN3.

Como puede observarse el valor del punto isoeléctricoes de 8.5 para las muestras NI y N2. para la muestra N3 elvalor de p.i.e es de 8.0, lo que indica que la composiciónsuperficial de las particulas es similar. Este cambio, se puedeatribuir a la diferente relación serpentina/goetita presenteen las muestras. Así, se observa que al aumentar el contenidode goethita, el valor del p.i,e se desplaza hacia el de esta fasepura (8.4). De igual forma, el prommciado grado de alteraciónsufrido por los minerales lateríticos [11] provoca unenriquecimiento de sílice respecto al magnesio en las capassuperficiales de las partículas de la fase serpentina [12,13].Por tanto, no es sorprendente que el valor del p.i.e de lamuestra más ricas en serpentina, 4.8 (SG) se desplace hacialos valores correspondiente a la sílice, 2.3 [14]. Como puedetambién observarse la carga superficial es positiva para pHmayores del p.i.e y negativa para pH menores. Para valoresconstantes de pH (PH < 8), la tendencia-de las muestras aexhibir cargas más positivas (mayor potencial positivo) seincrementa con el aumento del contenido de goetita en lasmismas. En los pH correspondientes a puntos de máximosvalores absolutos de potencial zeta, las fuerzas repulsivasson más importantes, lo que debe dar lugar a suspensionesmás estables con un comportamiento reológioo ligeramenteseudoplástico o con tendencia a newtoniano, Por el contrario,al aproximamos al valor de potencial zeta cero (p.i.e), es deesperar comportamientos plásticos o altamenteseudoplásticos, debido al predominio de las fuerzasatractivas las cuales inducen a la formación de agregados.

El comportamiento observado en las muestras escaracterístico de sistemas en los que se produce el fenómenode la heterocoagulación. Este comportamiento ha sidoobservado en diversos sistemas multifásicos. En todos estoscasos, el sistema se comporta como monofásico con valoresdel p.i.e que depende del tipo de heterocoagulacíón [15-17].Finalmente, hay que significar que la relación serpentina Igoethita va a condicionar en gran medida el comportamientocoloidal y reológico de las suspensiones lateriticas.

3. 3 Cqracterizacúin reológicaA continuación se presenta el efecto del pH y concentraciónde sólidos en las propiedades reológicas de las diferentesmuestras estudiadas.

3. 3. 1 Efecto del pH y la concentración de sólidos en lascurvas de flujo.

En la Figura 5 se muestra como varia el comportamientode las curvas de flujo para la fracción total con el pH enpresencia de agua destilada como medio de dispersión. Enellas se puede observar que las suspensiones presentan uncomportamiento variable, desde plástico hasta alcanzar flujosseudoplásticos y newtonianos en dependencia del pH y dela naturaleza de la muestra. Las curvas de flujo concomportamiento plástico pueden ser descritas por diferentesmodelos, como bien hemos planteado en la parte teórica deeste capitulo; en nuestro caso las mismas han sido ajustadasa los modelos de Casson, Bulkley-Herschel y Bingham. Elmáximo valor de esfuerzo cortante, y por tanto de laviscosidad, se obtiene a pH cercanos ó al del puntoisoeléctrico (pH(p.i.e)= 4,8 (SO), pH(p.i.e)=6,2 (OS) ypH(p.i.e)=8,4 (G), en los cuales las fuerzas de interacciónentre partículas están dominadas por fuerzas de atracción deVan der Waals y por tanto donde la velocidad de coagulaciónes máxima.

En la muestra SO el comportamiento newtoniano sealcanza a pH=12, lo cual se corresponde con los resultadoselectrocinéticos, donde a pH por encima del p.i.e lasuspensión puede experimentar una progresivadefloculación, causado por el aumento de carga negativa loque conduce a que predominen las fuerzas repulsivas [1].Los menores valores de esfuerzo cortante en las muestrasSG y GS se obtienen a pH> 10, mientras que en la muestra Gesto ocurre en la región ácida de pH.

En el caso de las muestra NI, la mayor viscosidad seobtiene para valores próximos al punto isoeléctrico (8.5)(Figura 6).

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1. 7

pH=8.0 --80 -- --pH =6.~ __._~--·-

l //'-

~ / ..,..- ,00-

40 /

/ pH:12.1

pH=4.S

oo 200 400 600

Y[1/s]

60-r----------------------------------~SG

40 - pH=5~~-

..-"pH=3.0- - -

·'-pH=::.f!.n---

20 - pH:=~_.?~ __ -------- ~

P H ~_!,~_<!. ._ -

1200

1 1400 600

Y[l/s]

1800 1000

120

G

60

SG

40 -l pH=5·9

-pH=~.n--~- .--'p'H = 6 ..0---'-

20

~_~=]2.9 _o

o 400 600Y[l/s]

1000800200

pH=10.5

-,

J-j

pH=~

800 1000

Fig. 5. Efecto del pH en las propiedades de flujo para la fracción total, a 36 % en peso de sólidos.

Tendencias similares fueron obtenidas para la muestraN2 aunque los valores absolutos de viscosidad fuerondiferentes. En la Tabla 3 se presentan los valores deviscosidadaparente para un gradiente de velocidad de 400S·I de las muestras NI, N2 Yde una goethita sintética (SI)(Longitud750 ± 100 nm, 70 ± 10 nm, Relación axial de -10)para una concentración del 25% en sólidos al pH delpuntoisoeléctrico. Como puede observarse los valores deviscosidadpara las muestras NI y N2 son diferentes, siendomayorespara la muestra NI. Dado que la única diferenciaentreambas muestras es el tamaño medio de partícula, sepuedeconcluir que este debe ser la causa de la diferencia enlaviscosidad.Sin embargo, teóricamente cabe esperar quelamuestraN2 con menor tamaño de partícula debe presentarla mayorviscosidad, mientras que experimentalmente seobservael efecto contrario. Así pues, la razón del mayorvalorde viscosidad en las suspensiones preparadas con lamuestraN1debe yacer en la diferente relación axial de laspartículasque es mayor para la muestra NI (6 frente a 3)comoya ha sido previamente observado por otros autores[18].

Enel caso de la muestra N3, los valores de viscosidadsonmayorescomparados con los de muestras NI y N2, apesardetener menor concentración (Figura 7).

40

35

30

25U!••c.. 20E'I 15 . •

10 / \_.5 .- .o

4 5 6 7 8 9 10

pH

Fig 6. Viscosidad vs pH de la muestra NI para una concentraciónde sólidos de 25 % en peso y gradiente de velocidad de 400 S·I.

Tabla 3. Valores de viscosidad a un gradiente de 400 S·I, unaconcentraciónde 25% y al pH del punto isoeléctricode las muestrasNl, N2 Y SI.

Muestra J.l (ml'a-s)NI 38N2 8SI 45

8

Referencias.

A. Cerpa y col. I Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales.

200175

~ 150(Q

'", 125P<100

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SO2504----.----.----,r----.---r----,

o 2 ó

pHFig, 7. VIScosidad vs pH de la muestra N3para una concentraciónde sólidos de 15 % en peso y gradiente de velocidad de 400 S·l.

8 10

Conclusiones.

1. Las muestras están constituidas principalmente porgoethita, serpentina y maghemita en diferentes proporciones,así como gibsita y cuarzo en menores proporciones.2. El pH del p.i.e está determinado por la fase mineralógicaque se encuentra en mayor proporción en la muestra.3. A medida que aumenta el contenido de goethita en lamuestra, el pH del p.i.e se desplaza hacia el valor de la fasepura (8.4).4. Los valores máximos de viscosidad se obtienen a pH delp.i,e, donde las fuerzas de atracción entre partículas son laspredominantes y donde la velocidad de coagulación esmáxima.5. El comportamiento reológico de las muestras va desdenewtoniano y seudoplástico hasta plástico en dependenciadel pH y naturaleza de la muestra.6. El tamaño de partícula (relación axiaI de las partículasde goethita) y su forma tienen un fuerte efecto en losvalores de viscosidad obtenidos.

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