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CARACTERIZACIÓN DEL MINERAL DE HIERRO DEL SECTOR “LA YUCA” PARA SU EMPLEO EN DIVERSAS PRODUCCIONES NACIONALES Yelena Portal1, Abdel Casanova1, José A. Alonso1, Carlos Toledo2, Asor M. Martínez1, Emilio Montejo1, Rubén Alcalá1, Herminia Herrera3

1. Centro de Investigaciones para la Industria Minero Metalúrgica (CIPIMM), MINEM yelena@cipimm.minem.cu 2. Instituto de Geología y Paleontología (IGP), MINEM. carlos.ts@igp.minem.cu 3. Laboratorio Central de Criminalística (LCC), MININT

RESUMEN Se caracteriza, mediante la utilización de técnicas instrumentales combinadas de difracción de rayos-X (DRX), Microscopía Electrónica de Barrido- EDS y análisis térmico, una muestra representativa del Sector “La Yuca”, la que se ubica en el campo mineral Hierro Santiago del oriente del país, con vistas a evaluar su posterior uso como sustituto de polvos con propiedades magnéticas. Los resultados que se obtuvieron en esta etapa de investigación, la cual se determinó por DRX, muestran la presencia de cantidades significativas de la espinela de hierro magnetita, acompañada de hematita, cuarzo y granate -muy semejante a la andradita- fundamentalmente. Por su parte, por Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Espectrometría de Fluorescencia de rayos-X dispersiva en energía (EDS), se corrobora cómo en la textura del material abundan cristales de diferentes tamaños, y donde se aprecian cuatro tipos de minerales de diferentes pesos específicos, dada la intensidad (brillo) de los granos en la micrografía que se logra frente a la acción de los electrones retrodispersados, además el análisis microelemental por EDS no muestra presencia importante de elementos sustituyentes del hierro en la magnetita. Por último, los termogramas que se logran por Calorimetría Diferencial de Barrido (CDB), Termogravimetría (TG) y Velocidad de cambio de masa (D´DTG), muestran presencia de efectos térmicos de las fases identificadas, además de goethita, calcita y granate respectivamente. Palabras clave: Magnetita, concentrado magnético, caracterización mineralógica, concentrado de hierro. ABSTRACT

In this work characterises, by means of the use of instrumental techniques combined of X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy EDS and thermic analysis, a representative sample of the Sector La Yuca, which locates in the Hierro Santiago mineral field of the Orient of the country, with the purpose to evaluate its later use like substitute of powders with magnetic properties. The results that were obtained in this research stage, which determined itself for XRD, evidence the presence of significant quantities of Iron spinel Magnetite, accompanied of Hematita, Quartz and Garnet fundamentally - very similar to the andradite -. For his part, for Scanning Electron Microscopy ( MEB ) and Fluorescence Spectrometry of X-rays dispersive in energy ( EDS ), confirm how in the texture of the material the crystals abound with different sizes, and where they appreciate four types of minerals with different specific weights, given by the intensity ( brilliance ) of the grains in the micrography that turns out well in front of the action of the dispersed electrons, besides the microelemental analysis for EDS does not show important presence of substitutes elements of the iron in Magnetite. Finally, the thermograms are obtained by Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetry (TG) and mass change Velocity of (D´DTG), show presence of thermic effects of the phases identified, besides Goethite, Calcite and Andradite respectively. Key words: Magnetite, magnetic concentrate, mineralogical characterization, iron concentrate.

 

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INTRODUCCIÓN En la actualidad con el incremento de las investigaciones y el desarrollo de productos de avanzada, la nanociencia y la nanotecnología; ha cobrado mayor interés la elaboración de dispositivos magnéticos, así como se ha venido trabajando en la obtención y estudio de concentrados magnéticos y ferritas (Alfonso et al, 2011; Casanova et al, 2013) como materias primas que pudieran ser usadas en la biomedicina, diagnóstico y tratamiento de cáncer, biología molecular, bioquímica, en tecnología de ferrofluidos, y otras (López J. et al, 2012; Alonso J. et al 2010 ). En trabajos anteriores de especialistas del CIPIMM se logró la obtención de ferritas (o concentrados magnéticos) partiendo de productos de desechos (colas de la tecnología CARON) de la industria del níquel (Alfonso E. et al, 2011) con muy buenos valores de magnetización. Estos concentrados eran portadores de una elevada concentración de hierro, además portaban otros metales que ocasionaban problemas en la respuesta magnética como era el caso del magnesio y el aluminio. Estos concentrados fueron obtenidos por la coprecipitación (con solución básica de carbonato amoniacal de níquel) de las disoluciones ácidas de las colas y sales de metales divalentes y posterior tratamiento térmico de los precipitados. Cada una de estas ferritas fueron analizadas y muchas presentaron una marcada respuesta magnética. Uno de los inconvenientes de la materia prima utilizada fue la elevada presencia de diversos metales, que pudieran catalogarse de impurezas en esta síntesis. El campo mineral Hierro Santiago que se localiza en el oriente del país, cuenta para su explotación, con varios sectores o yacimientos de interés que pueden utilizarse como fuente de materia prima para la producción de concentrados de hierro. Dentro de estas áreas se encuentra el sector “La Yuca”, el cual cuenta con una reserva de hierro superior al 70%, rica en el mineral tipo espinela magnetita, según diversos estudios realizados con anterioridad lo que le da a este material la condición de sólido magnético. Este mineral no presenta concentraciones notables de aluminio y magnesio que son impurezas presentes en las colas de la tecnología CARON. A pesar de estos contados recursos naturales, el país no dispone de un material comercializable de uso nacional, que sustituya importaciones y que clasifique como concentrado magnético para diversos usos en producciones tales como: imanes, ferritas, dispositivos electrónicos, nanopartículas para usos biomédicos y como polvo para impresiones dactilares, entre otras, teniéndose que importar diferentes materias primas y productos que reúnan tales propiedades físicas. En este trabajo se pretende seleccionar una muestra representativa en el depósito “La Yuca” para sus correspondientes estudios: Identificar la composición cualitativa y cuantitativa de fases de la muestra seleccionada mediante técnicas instrumentales como: análisis mineralógico, DRX, Análisis térmico, MEB-EDAX. Este sería el primer paso de estudio de esta muestra para su evaluación y posterior concentración magnética para su uso como materia prima en la obtención de ferritas. MATERIALES Y MÉTODOS Preparación de la muestra Se pretende obtener mineral de magnetita que sirva de base para la síntesis de ferritas para diversos usos. Se partió de una muestra de rajón, existente en el CIPIMM procedente del yacimiento de hierro de “La Yuca”, ubicado en la provincia de Santiago de Cuba en la zona de la Gran Piedra. Cinco kilogramos del mineral se trituró en un molino de bolas para producir un grado de molienda de 80 % bajo malla 200 (0,074 mm).

 

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Microscopía electrónica de barrido Los análisis de Microscopía Electrónica de Barrido se realizaron en un equipo de la firma TESCAN que posee a su vez un analizador de rayos- X dispersivo en energía y un detector de electrones secundarios y retro dispersados. Las imágenes fueron realizadas a 1000x. Difracción de rayos X La muestra fue analizada por difracción de Rayos X mediante el uso de un equipo marca Philips modelo PW–1710. El difractograma se registró según variante de medición punto a punto; paso angular de 0,020 (2), a un tiempo de medición en cada posición angular de 5 segundos propio de condiciones de Rietveld para el ajuste de perfil. Los datos fueron procesados con el programa “Origin 8.0”. Las distancias entre planos se determinaron con el programa Ttod para PC. El análisis cualitativo de fases se realizó con la utilización de la base de datos PCPDFWIN; versión 1.30, JCPDS-ICDD / 2003, compatible con Windows 98 para Office 2000. Con el uso del programa fullprof de Rodríguez Carvajal se refinó el difractograma del material estudiado en la variante de ajuste de perfil para obtener los valores de contenido de cada fase mineral. Análisis térmico Los termogramas simultáneos CDB y TG, se obtuvieron en un equipo de la firma alemana NETZSCH, modelo STA 449 F3, empleando para ello los siguientes parámetros de operación: Régimen de calentamiento Dinámico Masa de muestras 83 mg Masa del material de referencia 60.20 mg (Al2O3) Tipo de crisoles Al2O3 (tamaño estándar) Material del horno SiC (T.amb. – 15000C) Gas utilizado en la cámara de calentamiento

Aire

Flujo del gas protector de la termobalanza

20.0 ml/min (Ar)

Velocidad de calentamiento 10.0 K /min Sensibilidad de la termobalanza 0.001 mg – 35.0 g Sensibilidad de las curvas DSC y TG -0.001 - 5000 µV/mg Tiempo total de medición 1h 37 min y 10 seg Rango de temperatura de trabajo 27-10000C Los datos de las curvas calorimétricas de barrido (CDB) y termogravimétricas (TG), se convirtieron en termogramas continuos con el empleo del programa “Proteus” para el procesamiento de datos de Análisis Térmico, en su versión 5.2.1/07.04.2001, el cual suministra el fabricante del equipo, compatible a su vez con Windows para Office, obteniéndose además por esta misma vía los termogramas D1TG de la primera velocidad de cambio de masa (dm/dt). Los resultados de por cientos de pérdidas de masa así como los termogramas que se logran, se muestran en los correspondientes anexos gráficos. El error del análisis cuantitativo TG que se reporta es del ± 2.00 %.

 

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RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Microscopía electrónica de barrido (MEB)

A través de este análisis observamos a un material homogéneo donde las micrografías, obtenidas con un detector de electrones secundarios (figura 1), muestran cuatro tipos de componentes atendiendo a la luminosidad de las distintas micropartículas, lo cual corresponde a cuatro tipos diferentes de compuestos con densidades electrónicas diferentes.

Figura 1. Micrografía del mineral La Yuca donde muestra un material con cuatro componentes fundamentales.

A cada micropartícula señalada en la anterior micrografía se le realizó un análisis microelemental de los electrones retro dispersados (imágenes tomadas a 1000X) y los mismos se presentan en la figura 1.

Figura 2. Espectros fluorescentes de las cuatro micropartículas en estudio

Puede observarse en esta figura que las micropartículas 1 y 2 son silicatos de hierro y calcio y que presenta magnesio sustituyendo el calcio del silicato. Se comprobó que las micropartículas 3 y 4 son

 

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óxidos de hierro. La tabla I muestra el análisis microelemental del material en su conjunto y la figura 3 exhibe el espectro fluorescente dispersivo de energía. Tabla I Contenido elemental de las micropartículas observadas a 1000X

Composición O Mg Si Ca Fe Total

Mineral La Yuca 36,72 1,03 11,3 3,26 47,69 100 partícula no 1 41,45 10,74 15,93 31,88 100 partícula no 2 42,15 2 13,13 14,42 28,3 100 partícula no 3 32,49 2,33 0,72 64,46 100 partícula no 4 15,72 2,38 1,18 80,72 100

Figura 3. Espectro de fluorescencia de Rayos-X Dispersivo de Energía tomado del mineral.

Difracción de rayos X El análisis cualitativo de fases realizado por DRX informa la presencia cuatro fases. La muestra, cristalina en su totalidad, presenta las señales características de Magnetita (Fe3O4), Hematita (Fe2O3), Cuarzo (SiO2) y el granate Andradita (Ca3Fe2(SiO4)3) que confirma al silicato visto por microscopía electrónica de barrido. La figura 4 exhibe el difractograma de rayos x de este material. Comprobamos a través de DRX que los óxidos visto por MEB son la Hematita y la Magnetita; mientras tanto, como no difracta alguna especie de magnesio, podemos afirmar que este se encuentra sustituyendo al calcio en el granate Andradita.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Q QQQQQ

Q

Q

M A MM

M

M

M

A Andradita

HH

H

H

HH

Q

M

H

Q CuarzoM Magnetita

LeyendaH Hematita

INT

EN

SID

AD

RE

LA

TIV

A (

No

. DE

CO

NT

EO

S)

DISPERSIÓN ANGULAR (2)

Mineral La Yuca

 

 

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Figura 4. Difractograma de mineral sector La Yuca.

El análisis cuantitativo de fases se desarrolló a través del ajuste de perfil con el programa Fullprof de Rodríguez Carbajal. Los resultados indican que estamos en presencia de un material en su mayoría de óxidos de hierro, cerca de un 80%. La tabla II muestra los contenidos de cada componente en el mineral. Para mejorar el ajuste se recomienda continuar con un refinamiento más detallado de las posiciones atómicas y de la ocupación. Tabla II. Contenido de fases calculadas en el ajuste de perfil.

Mineral del yacimiento La Yuca

Contenidos (%) Hematita Magnetita Cuarzo Andradita Chi 2 = 3.10 51.7 28.2 14.0 6.1

Figura 5. Ajuste de perfil del difractograma del mineral La Yuca.

Análisis térmico El análisis térmico realizado nos brindó la información de la existencia de dos fases presentes por debajo del límite de detección de la técnica de DRX. Así se pudo detectar un 1% de Calcita (CaCO3) y 6% de Goethita (FeOOH), componentes que por su concentración no mostraron señal en el difractograma. El termograma de la figura 6 muestra una pérdida de masa a la temperatura de 272 oC correspondiente al agua hidroxílica de la Goethita para una concentración másica de 6%. Mientras que se ve una pérdida de CO2 a 710 oC correspondiente a un 1% de Calcita. De esta manera haciendo un recálculo general de los contenidos y teniendo en cuenta que el resto de las fases son térmicamente estables a este intervalo de temperatura (25 a1000 oC) podemos decir que este material presenta 48% de Hematita, 26% de Magnetita, 13% de Cuarzo, 6% de Andradita y de Goethita, y un 1% de Calcita.

 

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Figura 6. Termograma con las pérdidas de masas a lo largo del calentamiento.

CONCLUSIONES Se logró una caracterización completa a través de DRX, TG y MEB de una muestra del

yacimiento hierro Santiago del sector La Yuca, la cual resultó ser de una elevada calidad para la obtención de un concentrado magnético.

La combinación de las técnicas analíticas utilizadas determinó que el contenido de fases presentes en este material es de: 48% de Hematita, 26% de Magnetita, 13% de Cuarzo, 6% de Andradita y de Goethita, y un 1% de Calcita.

Se comprobó que la composición microelemental de la magnetita no tiene presencia de algún otro metal sustituyendo al hierro lo cual conlleva a la obtención de un concentrado magnético de óxidos de hierro puro de alta calidad para la síntesis de ferritas, menos complejo que en el caso del uso de colas.

La composición de fases resultó muy conveniente para la separación de las fases magnéticas de las no magnéticas.

BIBLIOGRAFÍA

Alfonso, E.; Bercoff, P. G.; Alonso J.A., et. al. 2011. Procesamiento para obtener ferritas a partir de materiales de desecho de la industria del níquel. INFOMIN. Vol.3, no.2. p 43-51.

Alonso , J. 2010. Síntesis y caracterización de nanofluidos de ferritas de Co(1-x)ZnxFe2O4 (0≤ x ≤0.75). Tesis de maestría. Univ. del Valle, Santiago de Cali.

Casanova, A.; Alfonso, E. et al. 2013. Caracterización estructural de ferritas obtenidas a partir de materiales de desecho de la industria del níquel. Memorias de la 5ta Convención Cubana de Ciencias de la Tierra, ISSN 2307-499X, MIN 5-O8.

López, J.; Espinoza Beltrán, F.J.; Zambrano, G.; Gómez, M.E.; Prieto, P. 2012. Caracterización de nanopartículas magnéticas de CoFe2O4 y CoZnFe2O4 preparadas por el método de coprecipitación química. Revista Mexicana de Física. No.58. p 293-300.