CARACTERIZACIÓN DE ARCILLA EN LAS
MINAS DE POMOCA
Margarita Chávez Martínez*, Miguel Avila Jímenez*,Leonardo Hernández*,Hermilo Goñi Cedeño*,Isabel Raygoza Maceda*, María Cecilia Salcedo Luna**, Mercedes Meijueiro Morosini**
*Área de Química Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco, México, **Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México
Resumen
El presente estudio muestra una caracterización por medio de difracción de rayos-X por el método de polvos, de la mina de arcilla de pomoca. Pomoca es un yacimiento de arcilla, casi colindante con Maravatio, Michoacán, México. Actualmente, se está explotando esta mina, pero el agotamiento de las reservas en las explotaciones mineras de arcilla de Pomoca están previstas para cinco años más. Esto pone en riego la actividad del sector azulejero, de fritas y esmaltes, que tienen en este punto, una fuente de suministro de materias primas muy económicas y de máxima calidad; por lo que se requiere de un estudio de análisis y caracterización que demuestre, mediante un muestreo, la calidad de la arcilla que está quedando. Esta investigación le fue encomendada a la Universidad Autónoma Metropolitana con apoyo de la Universidad Nacional Autónoma de México. El estudio está basado en la realización de pruebas físicas y la caracterización, mediante difracción de rayos X, principalmente; así como Microscopia electrónica de barrido, análisis térmico, diferencial y espectroscopia de infrarrojo.
Palabras clave: arcillas, pomoca.
Abstract
The present study shows a characterization through X Ray Diffraction by powder method of Pomoca clay mine. Pomoca is a clay deposit that is near Maravatio, Michoacán, Mexico. At present, this mine is exploitation, but reserves are foreseen to five years. It put in risk the ceramic tile activity which has a supply source of economical precursor material and high quality. According this is requiring a study of analysis and characterization that show the clay quality that is remaining. So, therefore this research was made by Universidad Autonoma Metropolitana with Univesrsidad Nacional Autonoma de Mexico support. The groundwork project was physics test and the X Ray Diffraction characterization foremost, as well as Scanning Electronic Microscope, Differential Thermal Analysis and Infrared Spectroscopy.
Key words: pomoca, clay mines, characterization.
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Introducción
Pomoca es un yacimiento de arcilla, casi colindante con Maravatio, Michoacán, México. Actualmente se está explotando esta mina, pero el agotamiento de las reservas en las explotaciones mineras de arcilla de Pomoca están previstas para cinco años más. Esto pone en riesgo la actividad
del sector azulejero, de fritas y esmaltes, que tienen en este punto, una fuente de suministro de materias primas muy económicas y de máxima calidad. Por ello se requiere de un estudio de análisis y caracterización que demuestre, mediante un muestreo, la calidad de la arcilla que está quedando. El estudio de esta investigación está z
basado en la realización de pruebas físicas y la caracterización de la arcilla en la mina de Pomoca mediante difracción de rayos X, así como microscopia electrónica de barrido, análisis térmico, diferencial y espectroscopia de infrarrojo.
Métodos experimentales
Muestreo. Se partió de un lote de treinta
muestras, cada una de un kilogramo, aproximadamente, provenientes del yacimiento a cielo abierto de Pomoca, colindante con Maravatio, Michoacán, México. Las muestras fueron recolectadas en una zona de una hectárea y hacia arriba a siete metros.
Tamizado. La arcilla se trituró hasta obtener
partículas de diferente tamaño, luego se pasó por mallas de números 10, 16, 40, 45, 60, 100, 140 y 200. Los tamices utilizados fueron desde la malla 10 (650 µm) a la 325 (44 µm) y se agitaron con ayuda de un equipo de agitación mecánica. La marca y especificaciones de los tamices utilizados fueron USA Standard Testing Sieve, ASTME-II Specification, Tyler Equivalent # Mesh W.S. Tyler, Incorporated, Made in USA.
Observación al microscopio óptico. De cada
una de las muestras de arcilla obtenidas en cada malla, se tomó una pequeña cantidad, y se observó al microscopio óptico. En el análisis químico de una arcilla generalmente se tienen óxidos, que se observan en el microscopio óptico como cristales blancos, naranja, rojos, amarillos, etcétera. Se utilizó un microscopio óptico marca MEIJI, modelo MA 6V 30W, con Objetivo 16909 SMP/an 4X10. 1/ 160/0,17.
Pruebas físicas
• Plasticidad. La arcilla puede absorber
agua, y con una cantidad dada, llegar a un estado en que por presión puede deformarse sin ruptura, y conservar la nueva forma cuando desaparece la presión. Para medir la plasticidad, se pesaron 25 g de arcilla de todas las mallas y con una probeta se le fue agregando agua hasta tener el punto plástico, y medimos la cantidad de agua necesaria. Todas las pesadas se realizaron en una balanza analítica marca Oertling, modelo Na114, con una capacidad de 200 g, y precisión 0,000 1 g.
• Contracción. Una pieza formada de arcilla
al secarse o quemarse se encoge. Las arcillas más plásticas son las que más se encogen; el encogimiento varía entre el 5 y 12 %. Para medir la contracción se elaboraron pequeñas barras de arcillas para cada número de malla con 25 g de arcilla, se dejó secar a la temperatura ambiente, y se midió la contracción sufrida por la pieza a las 24 y 48 h. Después, se metieron al horno a 100, 800 y 1 000 °C y se volvieron a medir para obtener el porcentaje de contracción.
• Grado de expansión. Las arcillas, al
ponerse en contacto con el agua, se expanden por las razones siguientes: 1) hay absorción en los poros, 2) hay adsorción en la superficie, reduciendo la energía superficial de la arcilla, la cual se comporta elásticamente y se expande, 3) combinación líquida con el agua que penetra en las redes cristalinas por difusión. Para medir el grado de expansión de la arcilla, se tomaron 10 g de arcilla de cada malla, y se colocaron en una probeta a la cual se le agregó agua, se determinó el volumen de agua a las 2 h, las 24 h y las 48 h.
• Color de quemado. Las muestras fueron
sometidas a diferentes tratamientos térmicos, desde los 100 hasta los 1 000 °C, realizar las pruebas de estabilidad y de choque térmico, así que paralelamente se fueron observando los cambios de coloración.
• Resistencia al choque térmico. Estabilidad. Refractariedad. Para determinar el
grado de refractariedad y estabilidad estructural del las muestras arcillosas, fue necesario someterlas a diferentes temperaturas. A partir de temperatura ambiente hasta 1 000 °C. Mediante difracción de rayos X se logró determinar los cambios estructurales y determinar los componentes estables e inestables de este material que son los que indicarán si se trata de una arcilla de alta refractariedad. Se utilizó una estufa marca Felisa de temperatura máxima de 300 °C y un horno de alta temperatura marca Thermolyne modelo 1500 con temperatura máxima de 1 200 °C. Se fabricaron pastillas con una prensa marca Osyma con capacidad máxima de 15 ton, para ser llevadas a altas temperaturas.
Caracterización por medio de DRX. Las
muestras de los diferentes tamaños de partícula de arcillas que fueron separadas, se analizaron por difracción de rayos X, mediante el método de polvos. Se utilizó un difractómetro SIEMENS D 5000, con monocromador de grafito y radiación de CuKa1 monocromática con longitud de onda, l = 1,540 6 A y filtro de níquel. Las condiciones de trabajo del equipo fueron 25 mA y 46 Kv. Las muestras fueron corridas desde los 2 hasta los 80°, a 2θ/min, siendo los tiempos de exposición 45 min por muestra. El montaje de las muestras se realizó con un poco de arcilla, colocándola y distribuyéndola perfectamente en un portamuestras del equipo. Para la determinación de estabilidad estructural en función de la temperatura, se fabricaron pastillas, y de esta manera, sin moler fueron expuestas a los rayos X, no obstante, después las pastillas se molieron y volvieron a ser sometidas a difracción de rayos X.
Microscopía electrónica de barrido. Las
muestras de las arcillas de malla 325 (44 µm) con tratamiento térmico y sin tratamiento térmico fueron
analizadas por microscopía electrónica de barrido. Se utilizó un microscopio JEOL JSM-5900LV.
Espectroscopía de infrarrojo. Las muestras
de la arcilla de malla 325 (4 µm) sin tratamiento térmico y con tratamiento térmico, fueron analizadas por espectroscopía de infrarrojo. Se utilizó un espectroscopio BRURER VECTOR 22. Se montó la muestra y se colocó en el portamuestras, primero para la arcilla sin tratamiento térmico, la cual se mezcló con una pequeña cantidad de la muestra patrón que fue bromuro de potasio KBr el cual es transparente a la región de estudio y permite ver las señales de los extremos. Lo mismo se llevó a cabo para la arcilla con tratamiento térmico.
Análisis térmico diferencial. La muestra de
arcilla de malla 200 sin tratamiento térmico, es decir cruda, fue analizada por Análisis térmico diferencial. Se utilizó un analizador térmico diferencial METTLER TOLEDO TGA/SDTA 851e. La muestra fue analizada a 10°/min, en atmósfera de aire.
TABLA 1. CONTENIDO POSIBLE EN LA ARCILLA
Resultados
Observación al microscopio óptico. De la
observación al microscopio de las muestras de arcilla Pomoca, la tabla No. 1 muestra el contenido posible encontrado en la arcilla según el color observado.
Pruebas físicas
La tabla 2 muestra los resultados de las pruebas físicas de: (1) plasticidad, es decir el volumen de
agua que se requirió para que la arcilla lograra la plasticidad; (2) contracción, el porcentaje de contracción reportado en la tabla es el obtenido a partir de las mediciones de las barras después de dos horas de ser elaboradas y después de transcurrir las 24 h, que fue cuando ocurrió la mayor contracción; (3) grado de expansión; (4) color de quemado; y (5) resistencia al choque térmico, se sacaron del horno a temperatura ambiente. De acuerdo con los datos mostrados, se determinó que z
a menor tamaño de partícula, fue necesario mayor cantidad de agua para alcanzar la plasticidad. Para los porcentajes de la contracción y grado de expansión, los tamaños menores de partícula fueron los más altos.
Caracterización por difracción de rayos X
Para la arcilla Pomoca de tamaño de partícula de 44 µm aparecen 5 componentes: SiO2 en forma de quarzo; Al2Si2O5(OH)4, kaolinita; 2 tipos de montorilonita Si-Al-Fe-Mg-O y Al2O3.4SiO2. H2O.xH2O; y KAlSi3O8 en forma de ortoclasa; esto se muestra en el difractograma de la figura 1. La figura
TABLA 2 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS FÍSICAS
Fig 1 Patrón de difracción de rayos X para el tamaño de partícula de 44 µm (malla 325) aparecen 5 componentes en la arcilla Pomoca, quarzo; kaolinita;
2 tipos de montorilonita y ortoclasa.
2 exhibe el difractograma de los componentes encontrados, cuando las muestras de arcilla fueron sometidas a 1 000 °C, solo se encontraron tres fases: SiO2 en forma de quarzo; K(Si3Al)O8 Sanidina desordenada y Al2SiO5, silimanita, lo cual es razonable pues a temperaturas mayores puede formase silimanita, andalucita y hasta mullita estas tres fases son de alta refractariedad. La figura 3 presenta el difractograma de los dos componentes quarzo y mullita de una de las barras elaboradas en forma de tabique con arcilla Pomoca, los cuales fueron sometidos a 1 200 °C.
Fig 2. Componentes encontrados, a 1 000 °C en la arcilla Pomoca: quarzo, sanidina desordenada y silimanita.
Fig 3. Patrón de DRX que presenta dos componentes quarzo y mullita de una de las barras elaboradas en forma de tabique con arcilla Pomoca,
Microscopía electrónica de barrido. La figura
4 muestra dos de las micrografías obtenidas por MEB. La de la izquierda muestra un aglomerado homogéneo de arcilla de Pomoca sin algún
Espectroscopía de infrarrojo. En la figura 5
se exhibe el espectro de Infrarrojo para la arcilla Pomoca,, en él se presentan las longitudes de onda de los enlaces atómicos principales de OH-, H2O, Al-OH, SiO2 y Al-O-H.
Fig 4. Micrografías obtenidas por MEB. Izquierda, aglomerado homogéneo de arcilla Pomoca sin tratamiento térmico, correspondiente a una amplificación de 1 000 veces. Derecha vitrificación ocurrida
a los 1 200 °C de la arcilla Pomoca, correspondiente a una amplificación de 7 000 veces.
Fig 5. Espectro de infrarrojo para la arcilla Pomoca; en él se presentan las longitudes de onda de los enlaces atómicos principales
de OH
-, H
O, Al-OH, SiO
y
Al-O-H.
Análisis térmico diferencial. En la figura 6 se
presenta la gráfica del análisis térmico. La representación de la gráfica en color negro (TG), son las pérdidas de peso en las temperaturas señaladas.
tratamiento térmico, correspondiente a una amplificación de 1 000 veces; la del lado derecho representa la vitrificación que ocurrió a los 1 200 °C de la arcilla Pomoca a una amplificación de 10 000 veces.
La gráfica de color rojo muestra el análisis térmico gravimétrico derivativo. La gráfica en color azul exhibe los cambios de fases ocurridos a las temperaturas indicadas; esto explica la variación de los componentes analizados por medio de DRX en la arcilla Pomoca, desde temperatura ambiente hasta los 1 400 °C.
Discusión
De acuerdo con los datos mostrados, se determinó que a menor tamaño de partícula, fue necesario mayor cantidad de agua para alcanzar la plasticidad. Para los porcentajes de la contracción y grado de expansión, los tamaños menores de partícula fueron los más altos. El análisis para la caracterización por medio de difracción de rayos X mostró presencia de quarzo, kaolinita, 2 formas de montmorilonita y ortoclasa, en el menor tamaño de partícula.
Finalmente, a temperaturas elevadas, 1 000 °C, se dan cambios estructurales, porque algunos componentes cambian de fase, y por que también se dan reacciones químicas en estado sólido, de lo que resultaron sanidina y silimanita, en tanto, el
Fig 6 Análisis térmico de la arcilla Pomoca. En negro (TG), pérdidas de peso en las temperaturas señaladas. En guinda, análisis térmico gravimétrico derivativo. En azul cambios de fases
ocurridos a las temperaturas indicadas.
quarzo no cambia, por su alta temperatura de transición a otras fases, y es el único componente que se mantuvo. Esto confirma que a partir de los componentes de baja temperatura pueden obtenerse otros como la silimanita, y que llevada a 1 200 °C, hasta mullita, la cual es uno de los componentes en los materiales de alta refractariedad.
El comportamiento de este tipo de arcilla mostró capacidad de resistencia al choque térmico, ya que no se mostraron fracturas en las barras de arcilla elaboradas. La estabilidad y refractariedad, principalmente, son dadas por el SiO2 y el Al2O3. A partir del presente estudio, queda abierta la posibilidad de realizar un estudio mediante diagramas de fases de los principales componentes encontrados para observar las transformaciones de fases.
Conclusiones
• Previa preparación de muestras, se caracterizó la arcilla en la mina de Pomoca de diferentes tamaños de partículas, con la utilización de varios métodos de caracterización, fundamentalmente rayos X.
• Se precisaron los componentes principales en las muestras de arcilla caracterizadas en diferentes condiciones experimentales.
• Se realizaron pruebas físicas a la arcilla estudiada que permitieron avalar su calidad.
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