CARACTERIZACION DE MINERALES
Casas Cruz Richard Mayco
RESUMEN: En este trabajo se presenta una síntesis de las técnicas analíticas más utilizadas en la caracterización mineral, y su aplicación a la explotación y exploración minera. Para realizar la caracterización se necesitaron varios instrumentos desde técnicas instrumentales hasta uso de equipos modernos (difracción de rayos X (DRX) y espectrometría por dispersión de energía (EDS), etc.). Por lo general las composiciones y las características de cada mineral son muy distintas en diferentes partes esto haría difícil la extracción pero gracias a las muestras que se realizaron se pudieron obtener mucha información acerca del mineral para poder ser extraídas, el estudio que se realiza para la valoración de un depósito mineral implica tan sólo el estudio genérico de las leyes de los elementos que se espera puedan ser interesantes en el tipo de depósito, obviando el estudio mineralógico detallado de las asociaciones minerales, esto hace posible puede ayudar a incrementar el valor añadido de la explotación.
PALABRAS CLAVES: Caracterización mineral, Difracción de rayos X, Microscopio electrónico, microsonda electrónica, Técnicas analíticas.
Abstract: This paper summarizes the analytical techniques used in mineral characterization and its application to exploration and mining is presented. For characterization from several instruments needed to instrumental techniques using modern equipment (X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive spectrometry (EDS), etc.). Usually the compositions and characteristics of each mineral are very different in different parts this would make extraction difficult but thanks to samples that were conducted were able to obtain much information about the mineral to be extracted, the study performed for the evaluation of a mineral deposit involves only the generic study of the laws of the elements that are expected to be of interest in the deposit rate, ignoring the detailed mineralogical study mineral assemblages, this makes possible can help increase the added value of exploitation.
KEYWORDS: mineral characterization, X-ray diffraction, electron microscope, electron microprobe analytical techniques.
Casas Cruz Richard Mayco richard_cc_@hotmail.com
INTRODUCCIÓN
Con frecuencia, el estudio que se realiza para la valoración de un depósito mineral implica tan sólo el estudio genérico de las leyes de los elementos que se espera puedan ser interesantes en el tipo de depósito, obviando el estudio mineralógico detallado de las asociaciones minerales. No obstante, un estudio detallado de la mineralogía no tiene tan sólo connotaciones académicas como a veces se cree, sino que puede ayudar a incrementar el valor añadido de la explotación, e incluso por sí sólo puede ayudar a descartar o confirmar el interés del yacimiento. Teniendo en cuenta el bajo costo de los análisis mineralógicos, cuando se comparan con otros métodos, no deja de ser sorprendente este comportamiento erróneo de muchas empresas.
El objetivo de este trabajo es el de ofrecer una revisión de las técnicas de caracterización mineral más usuales, así como valorar la incidencia de los estudios mineralógicos en la exploración, valoración y explotación de yacimientos minerales. Las técnicas han sido clasificadas en 2 grupos. El primer grupo incluye a las técnicas de mayor uso, de un coste económico relativamente bajo, las cuales podemos denominar "técnicas convencionales":
Difracción de polvo de rayos X y difracción cuantitativa de rayos X
Microscopio electrónico de barrido con analizador de energías (SEM–EDS)
Catodoluminiscencia
Microsonda electrónica (EMP)
El segundo grupo abarca un grupo de técnicas menos accesibles, y mucho más caras, las cuales denominamos en este trabajo "técnicas no convencionales":
Particle Induced X–Ray Emission (Micro–PIXE)
Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)
Laser–Ablation– Inductively Coupled Plasma–Mass Spectrometry (LA–ICP–MS)
La mayor parte de esta compilación está dedicada a las técnicas convencionales (DRX, SEM–EDS y EMP), las cuales pueden ser de mayor impacto en el campo de la pequeña minería. (Melgarejo & Gali, 2010)
El Complejo del Marañón consiste en una potente secuencia de rocas metamórficas que afloran ampliamente en la parte central y en la región oriental del Perú. En general, los afloramientos se encuentran en ambas márgenes del río Marañón, y consisten de esquistos micáceos, cloritosos de coloración gris y verde, los cuales están cortados por vetas de cuarzo lechoso de diferente grosor. El resto del Complejo del Marañón consiste generalmente en filitas y pizarras de color gris; presentando, además, una unidad meta volcánica que se presenta a manera de grandes lentes que se siguen a través de cientos de metros.
La zona de estudio está enmarcada en una región que es materia de una intensa actividad prospectiva por oro y polimetálicos (Pb, Zn, Cu, Ag, Mn, Co), caso de los cuadrángulos de Pataz, Tayabamba, Pomabamba, Huari, La Unión, Huánuco; bajo esta perspectiva es obvia la importancia económica del área por encontrarse dentro del alineamiento tectónico regional.
Está constituido esencialmente por esquisitos y filitas en colores marrón a verdosos, la orientación de la esquistosidad tiene un rumbo N 85 E y buzamiento 50 NO.
Por correlación con los estudios metalogénicos a nivel regional (Soler, P. et al., 1986; Vidal, C. et al., 1995), se considera que el Complejo metamórfico del Marañón podría contener minerales metálicos de cobre, plata, oro en los esquistos y gneis en contacto con los intrusivos, así como también de níquel, cobalto, titanio, platino, etc., dentro de rocas ultrabásicas que pertenecen a las mineralizaciones asociadas al Ciclo Neoproterozoico y Ciclo Paleozoico (Soler et al., 1986) (Lovera & Bustamante , Caracterización fisicoquímica y pruebas metalúrgicas en la prospección de minerales polimetálicos en el complejo marañón - perú, 2005)
El trabajo aborda, como objetivo básico, la caracterización del mineral en los yacimientos mineros como las investigaciones.
La bentonita evaluada en el presente
trabajo se explota y distribuye comercialmente en Colombia (Tuluá, Valle del
Cauca) por la empresa Bentonitas de Colombia,
y ha sido caracterizada parcialmente en trabajos anteriores.
Igualmente, se ha empleado en varias investigacionescientíficas recientes por su interés como soporte catalítico, revelando propiedades excelentes como se reporta en algunas publicaciones internacionales. Sin embargo, aunque algunos trabajos de Pinzón y Requena demuestran (mediante difracción de rayos
X) la naturaleza esmectítica de esta bentonita, se centran en el conocimiento de las propiedades reológicas y la modificación de este material para obtener arcillas órganofílicas. Dentro de este contexto, en el presente trabajo se hace una caracterización completa de este mineral de importancia científica y comercial en Colombia, que ofrece mayor información estructural y textural sobre dicho material. (Carrizo & Molina , 2007)
Metodología y técnicas de análisis
La caracterización de los materiales está sustentada en la aplicación de varias técnicas de análisis. Cada tipo de material necesita del empleo de una o de varias de ellas de manera complementaria. En el desarrollo del proyecto se han utilizado las siguientes técnicas: Análisis elemental para conocer la composición de los elementos metálicos: se ha aplicado a los objetos de base cobre, plomo y plata, a restos de fundición y escorias y a minerales. En el caso de los metales y restos de fundición metálicos se ha empleado la técnica de fluorescencia de rayos X en dispersión de energía (ED-XRF). Para las escorias y restos metalúrgicos se ha procedido a una primera identificación mediante ED-XRF para ser sometidos posteriormente a micro-análisis mediante microsonda de microscopía electrónica de barrido (SEM). En la caracterización de minerales se han calculado las proporciones presentes de la fracción metálica también mediante ED-XRF. 293 Para la fluorescencia de rayos X se ha empleado el espectrómetro del Museo Arqueológico Nacional, un Metorex X-MET 920 con un cabezal en el que se alojan las fuentes radiactivas y el detector, la unidad de espectrometría y la unidad de control. El cabezal dispone de dos fuentes encapsuladas de excitación primaria por rayos gamma: Cd-109 y Am-241, cada una con una intensidad de 20mCi. La fuente de Cd-109 se usa para excitar elementos químicos de baja energía, desde 3,69 keV (Ca K-alfa) hasta 20 keV. La de Am-241 se usa para excitar la parte del espectro de alta energía, desde 20 keV hasta 40 keV. El flujo de las fuentes incide sobre el plano de la muestra a analizar con un ángulo de 45º. El detector de la fluorescencia de rayos X es de tipo Si(Li), de estado sólido, refrigerado con nitrógeno líquido, con una resolución de 170 eV en la línea Mn K-alfa. Los análisis realizados en el Museo de Reus se realizaron también con la técnica ED-XRF pero con un espectómetro portátil InnovX modelo Alpha con tubo de rayos X como fuente de excitación y detector Si-Pin. Los análisis de microscopía electrónica de barrido han sido realizados en el equipo del servicio interdepartamental de Investigación (SidI) de la Unidad de la Universidad Autónoma de Madrid, Philips XL30 con microanalizador DX4i de EDAX, operado por las microscopistas Esperanza Salvador y Marta M. Furió. También ocasionalmente se ha utilizado el Microscopio Electrónico de Barrido Ambiental FEI Quanta 200 del Museo de Ciencias Naturales del CSIC de Madrid. Este microscopio dispone de un sistema de análisis integrado Oxford Instruments Analytical-Inca con dos detectores de rayos X que se pueden usar simultánea y alternativamente, y ha sido operado por las microscopistas Marta M. Furió y Laura Tomo. Por regla general, las determinaciones analíticas se han efectuado barriendo ventanas del tamaño adecuado, aprovechando las posibilidades de magni- ficación del microscopio. Sólo en contadas ocasiones se ha recurrido al análisis puntual (spot). Los análisis denominados globales en las tablas de resultados se han efectuado barriendo una ventana representativa de 100x. Metalografía para conocer la estructura interna del metal: se ha aplicado a objetos metálicos y restos de fundición con el fin de determinar la tecnología de manufactura. Las metalografías se han realizado en muestras montadas en probetas de resinas y pulidas hasta conseguir brillo especular, para posteriormente ser atacadas con el reactivo correspondiente en función del metal de que se trate. El microscopio utilizado ha sido un Leica modelo DFC 480 con cámara digital DFC480. Isótopos de plomo para determinar la procedencia: se ha aplicado tanto a muestras minerales arqueológicas como geológicas, así como a objetos metálicos, escorias y restos de fundición. El equipamiento utilizado ha sido un espectrómetro de masas de ionización térmica (TIMS) Finnigan Mat 262 con 8 cajas de Faraday y un SEM, perteneciente al Servicio de Geocronología y Geoquímica Isotópica de la UPV-EHU. En la mayoría de los casos las muestras fueron extraídas de las piezas mediante un taladro de 1 mm, diferente para cada muestra para evitar contaminación. De escorias y minerales y de algún goterón de plomo se enviaron fragmentos. La separación química del Pb se realizó en columnas de intercambio iónico con resina Dowex 1-X-8. Las muestras han sido medidas de modo “estático” en cuatro cajas de Faraday, una para cada uno de los isótopos de Pb analizados (ca. 2-4 voltios en 208Pb). Para verificar el funcionamiento correcto y corregir el fraccionamiento se han realizado análisis periódicos (ca. 1 por cada 5-6 muestras problema) de los estándar NBS-981 o SRM-981, material de referencia certificado para el Pb suministrado por el NIST (National Institute of Standards and Technology). También se realizaron análisis de 4 muestras de plata en el Institut fuer Geologie de la Universidad de Berna (Suiza), en este caso con un equipo de Espectrometría de Masas con fuente de Plasma Acoplado (ICP-MS multicolector), en las que se realizó la separación en microcolumnas con resina EiChrom SrSpec. (Montero Ruiz, 2003)
Caracterización petrográfica y clasificación del granito
Se pueden diferenciar dos tipos de granitos en Logrosán: un granito de dos micas de tamaño medio-grueso y un granito porfídico con fenocristales de feldespato potá- sico. Además se reconocen varias zonas de alteración o greisen. En general, el granito presenta una textura holocristalina, inequigranular seriada, con tamaño de grano medio. La mineralogía principal está constituida por cuarzo, feldespato potásico, plagioclasa, biotita y moscovita. Los minerales accesorios son circón, apatito, monacita, turmalina, rutilo y otros minerales opacos (e.g ilmenita). Como minerales de alteración se encuentran clorita, moscovita, cuarzo-2 y plagioclasa albítica. No se ha observado ninguna fábrica de deformación en los granitoides. En general, el granito presenta una textura holocristalina, inequigranular seriada, con tamaño de grano medio. La mineralogía principal está constituida por cuarzo, feldespato potásico, plagioclasa, biotita y moscovita. Los minerales accesorios son circón, apatito, monacita, turmalina, rutilo y otros minerales opacos (e.g ilmenita). Como minerales de alteración se encuentran clorita, moscovita, cuarzo-2 y plagioclasa albítica. No se ha observado ninguna fábrica de deformación en los granitoides. El granito de Logrosán se clasifica en el diagrama QAP como un un monzogranito leucocrático (Lopez & Oyarzun, 2011)
El Perú es Productor importante de Telurio del cual es tercer productor mundial (30 Toneladas en el 2010). El Indio metal que es refinado en la Refinería de Cajamarquilla, por la brasileña Votorantim Metals, y del cual somos el sexto productor mundial. En ese sentido para alcanzar otro material crítico como es el caso del Níquel, el Instituto de Investigación a través de proyectos metalúrgicos viene desarrollando pruebas experimentales para que a partir de minerales con Millerita por procesos hidrometalúrgicos puedan obtener soluciones PLS de sulfato de Níquel que serán purificadas por Extracción por solventes LIX 84 – INS (OXIMA) (COGNIS, 2009). Finalmente desarrollar una precipitación química con chatarra de hierro y/o Zinc (Cemento de Níquel) y/o por precipitación Electrolítica obtener cátodos de Níquel de buena calidad. (Lovera, Arroyo, & Arias, 2010)
Geología del Complejo Marañón
El Complejo del Marañón consiste en una potente secuencia de rocas metamórficas que afloran ampliamente en la parte central y en la región oriental del Perú. En general, los afloramientos se encuentran en ambas márgenes del río Marañón, y consisten de esquistos micáceos, cloritosos de coloración gris y verde, los cuales están cortados por vetas de cuarzo lechoso de diferente grosor.
El resto del Complejo del Marañón consiste generalmente en filitas y pizarras de color gris; presentando, además, una unidad meta volcánica que se presenta a manera de grandes lentes que se siguen a través de cientos de metros (Lovera, 2005).
PROCESO DE CEMENTACIÓN DEL COBRE
La cementación es un proceso de precipitación química que permite retirar iones en solución agregando un reactivo precipitante. En el caso de iones metálicos disueltos la reacción se favorece agregando un metal más activo, según la serie electroquímica, como reactivo para formar un precipitado conocido como cemento. Este proceso se aplica en el tratamiento de efluentes de operaciones metalúrgicas (Puente, 2002; Calvo, 1983; Perez, 2008).
Reacciones de Cementación
Mostramos las siguientes reacciones de cementación en los sistemas Clorurante y Sulfatante:
2 CuCl2 + 2 FeCl3 + 3 Fe° → 2Cu°+ 5 Fe Cl2 (1.0) CuS04 + Fe0 → Cu0 + FeSO4 (2.0)
El cemento de cobre de alta calidad tiene la ventaja de oxidarse rápidamente, mediante la formación de una película de óxido de cobre en la superficie, favorable para su disolución en medio ácido.
La presencia de iones Fe++ y aire producen iones Fe+++ que ayudan a disolver el cobre metálico.
La cinética de lixiviación de Cu° es incrementada sustancialmente con el aumento de temperatura.
Modelo cinético de cementación
La ecuación cinética del proceso de cementación es de la forma:
-dC/dt = K C
Dónde: K= Constante Cinética del sistema
Resolviendo la ecuación (1) obtenemos el Modelo Cinético de la cementación que nos permitirá hacer el tratamiento de los datos experimentales.
C = CO Exp (- Kt)
Aplicando la Ecuación de Nernst para correlacionar el potencial de electrodo con la concentración podemos tener la siguiente expresión para hacer las transformaciones del potencial en concentraciones de los iones:
ΔV= K * log C
Efecto de las variables Fundamentales
La Constante Cinética de Cementación "K" se ve afectada por la modificación de las variables fundamentales tales como: agitación, dosificación de hierro, temperatura, pH, así como la presencia de otros iones presentes.
La constante K Global de cementación es el resultado de los aportes de las contribuciones de las variables fundamentales como lo podemos apreciar en las expresiones siguientes: (Lovera & Quiñones, Cinética de la reacción de cementación de cobre a partir de minerales sulfurados del Complejo Marañón, 2010)
PRUEBAS EXPERIMENTALES
Caracterización de mineral sulfurado
Se trabajó con un mineral de calcopirita (CuFeS2) del Complejo Marañón. El análisis químico del mineral se muestra en la Tabla N.°1:
La muestra de producto metalúrgico se ha analizado mediante el método de la microscopía óptica de luz reflejada, para lo cual previamente se preparó una briqueta pulida, sobre la cual se hizo en primer término la caracterización mineralógica, sobre la base de ésta a continuación se procedió a hacer el análisis modal, cuyo resultado se da a continuación. Ver. La calcopirita ocupa el 33.66 % del volumen total de la muestra, de este volumen el 32.97% se halla libre, quedando aún entrelazada el 0.69 % restante, siendo el motivo de su no liberación total el tipo geométrico de entrelazamiento en el cual está inmerso, tal como se aprecia en la Tabla N.° 2 (Lovera, 2010). (Puentes & Picalla, 2010)
Se obtiene buenas soluciones lixiviadas (PLS) de acuerdo al número de re-extracciones efectuadas.
La caracterización empleando técnicas de difracción de rayos X (DRX), fluorescencia de rayos X (FRX), espectroscopia Mössbauer (EM) nos ayuda a controlar y optimizar mejor los procesos metalúrgicos.
Los cementos encontrados están por encima de 70% de cobre con lo cual aumenta su valor comercial.
La temperatura mejora la cinética de cementación en todo su rango, pero un incremento en la velocidad de agitación empeora la cinética de cementación
Se logra encontrar un modelo cinético que caracteriza el proceso de cementación del cobre que nos permite simular las distintas condiciones de RPM, temperatura y tiempo que prefiguran la cementación del cobre.
AGRADECIMIENTO:
Agradezco a Dios y a mis padres por ayudarme a realizar este trabajo que con mucho esfuerzo y dedicación se pudo concluir este trabajo.
Doy las gracias a mis profesores por inculcarme los conocimientos necesarios para poder sobresalir.
Bibliografía
Carrizo, J., & Molina , R. (Julio de 2007). Caracterizacion estructural. Revista Colombiana de Quimica, 36(2).
Lopez , A., & Oyarzun, R. (2011). Caracterizacion del mineral granito peraluminico de Logrosan. Departamento de Cristalografia, Caceres.
Lovera , D., & Bustamante , A. (Julio de 2005). Caracterización fisicoquímica y pruebas metalúrgicas en la prospección de minerales polimetálicos en el complejo marañón - perú. Revistas peruanas, 8(16).
Lovera, D., & Quiñones, J. (julio de 2010). Cinética de la reacción de cementación de cobre a partir de minerales sulfurados del Complejo Marañón. Revistas peruanas, 13(26).
Lovera, D., Arroyo, J., & Arias, V. (2010). Procesamiento hidrometalurgico de minerales sulforados del complejo marañon para la obtencion de niquel y sus sales. Universidad Nacional San Marcos, Lima.
Melgarejo, J., & Gali, S. (enero de 2010). Técnicas de caracterización mineral y su aplicación en exploración y explotación minera. Scielo, 62(1).
Montero Ruiz, I. (2003). Caracteristicas analiticas de la metalurgica protohistorica de plata en Calatuña.
Puentes, L., & Picalla, M. (Diciembre de 2010). Cinética de la reacción de cementación de cobre a partir de minerales sulfurados del Complejo Marañón. revistas peruanas, 13(26).
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