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1- PROCESO DE FABRICACIÓN

Introducción:

La cal es un término genérico que incluye únicamente a los óxidos e hidróxidos fabricados mediante procesos industriales que implican la calcinación de rocas de alto contenido de calcio, dolomitas o magnésicas. Esta definición no incluye a la piedra caliza u otros carbonatos, simplemente triturados finamente, que comúnmente mucha gente denomina "cal".

Las fórmulas básicas involucradas en la producción de cal viva e hidratada son las siguientes:

Roca Caliza + Calor Cal Viva + Dióxido de Carbono Cal Viva + Agua Cal Hidratada + Calor (vapor)

a. Oxido de calcio o cal viva:

Producto resultante de la calcinación de la piedra caliza en hornos a temperaturas próximas a los 1000º C. Está compuesto principalmente de óxidos de calcio y magnesio. En base a sus análisis químicos, las cales vivas pueden ser divididas en tres grandes grupos:

Cal viva de alto contenido de calcio: Aquella que esta constituida por alrededor de 95% de óxido de calcio (CaO) y menos de 5 % de óxido de magnesio (MgO) La producción de cal viva de alto contenido de calcio requiere de una roca caliza de alto contenido de calcio y una eficiente calcinación. Su producción sigue la siguiente secuencia química:

CaCO3 + Calor CaO + CO2 (gas)

Cal viva de dolomítica: Aquella que está constituida por alrededor de 40 % de óxido de magnesio (MgO) y 57% de óxido de calcio (CaO) La producción de cal viva dolomítica requiere de una roca caliza dolomítica de alta pureza en calcio y magnesio. Su producción sigue la siguiente secuencia química:

CaCO3 MgCO3 + Calor CaO · MgO + 2CO2 (gas)

Cal viva magnésica: Aquella que está constituida por un 5 a 35% de óxido del magnesio y 60 a 90% de óxido de calcio. La cal viva de magnésica es relativamente escasa y sólo está disponible en muy pocos lugares.

a. Hidróxido de calcio o cal hidratada:

La Sociedad Americana para la Prueba de Materiales (ASTM) define al Hidróxido de Calcio como, "un polvo seco, blanco, obtenido del tratamiento de la cal viva con agua, hasta satisfacer su afinidad química con ésta, bajo un proceso denominado como hidratación".

La composición química de cal hidratada generalmente refleja la composición de la cal viva de que se deriva y de su método de hidratación. En general existen tres clases de cal hidratada:

Cal hidratada de alto contenido de calcio: Aquella que es producida partiendo de una cal viva de alto contenido de calcio. Contiene de 68 a 74% de óxido del calcio y 23 a 24% de agua en combinación química con el óxido del calcio.

CaO + H2O Ca(OH)2 + Calor (vapor)

Cal hidratada dolomítica tipo N: Aquella que es producida partiendo de una cal viva dolomítica e hidratada a presión atmosférica normal; en este caso, el contenido de óxido de calcio se hidrata completamente pero, el contenido de óxido de magnesio se hidrata parcialmente, por lo general, una fracción que oscila entre el 5 y 20%. Normalmente el hidróxido de calcio dolomítico tipo N está compuesto de 46 a 48% de óxido del calcio, 33 a 34% de óxido de magnesio, y 15 a 17% de agua en combinación química con ambos elementos.

CaO · MgO + H2O a presión atmosférica Ca(OH)2 · MgO + Calor (vapor)

Cal hidratada dolomítica tipo S: Aquella que es producida partiendo de una cal viva dolomítica e hidratada en autoclave o a presión atmosférica controlada. Este hidróxido de calcio contiene más del 92% de los óxidos de calcio y magnesio contenidos en la cal viva de la que proviene completamente hidratados.

CaO · MgO + 2H2O Ca(OH)2 · Mg(OH)2 + Calor (vapor)

Físicamente, la cal hidratada se clasifica mediante ciclones y despacha según los requisitos del cliente. El 75 a 95% del hidróxido de calcio de aplicaciones químicas debe pasar una malla 200. Algunas aplicaciones especiales requieren que el 99.5% pase una malla 325.

2- USOS ESPECIFICOS

a. La cal en la ecología:

Los usos medioambientales de la cal están vinculados al tratamiento de agua potable e industrial, tratamiento de las aguas del alcantarillado y sus lodos, recuperación de suelos contaminados con hidrocarburos y solventes químicos, desulfuración de los gases de la combustión, tratamiento de los residuos sólidos y sus lixiviados e indirectamente la estabilización o transformación de suelos inestables y expansivos en suelos aptos para servir de base de pavimentos. Su uso e importancia ambiental está creciendo rápidamente, pues constituye una respuesta efectiva a la necesidad de encontrar soluciones buenas y de bajo costo para los problemas medioambientales señalados.

La cal, a muy bajo costo permite aumentar el pH, precipitar los metales pesados y convertir los peligrosos lodos de las aguas del alcantarillado, en un valioso producto para la agricultura. Sus aplicaciones más sobresalientes en el campo sanitario y ambiental incluyen:

Producción de agua potable: Una buena parte de la cal producida en el mundo se destina a mejorar la calidad del agua que consumen las personas y utilizan las industrias. En este caso se emplea para suavizar, purificar, eliminar turbiedad, neutralizar la acidez y remoción de sílice y otras impurezas.

La cal remueve por sí misma la dureza temporal (bicarbonatos) del agua. Cuando la dureza temporal es acompañada de la dureza permanente (sulfatos) la cal debe combinarse con cenizas de sosa o zeolita para remover dichos componentes. El procedimiento que utiliza sosa se conoce como método suavizador cal-sosa y el que utiliza zeolita se conoce como proceso de tratamiento dividido de cal-zeolita. Las reacciones químicas que ocurren cuando se le agrega cal a las aguas que contienen componentes de calcio y magnesio (aguas duras) son:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 MgCO3 + CaCO3 + 2H2O

MgCO3 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaCO3

MgCl2 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaCl2

Mg(NO3)2 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + Ca(NO3)2

MgSO4 + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CaSO4

Las reacciones que involucran el uso de cenizas de sosa son:

CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4

CaCl2 + Na2CO3 CaCO3 + 2NaCl

Ca(NO3)2 CaCO3 + 2NaNO3

Agregando cal hasta obtener y mantener un pH de 10.5 a 11.0 durante 24 a 72 horas es posible abatir virus y bacterias y remover la dureza temporal del agua. Este proceso es especialmente utilizado cuando el agua cruda contiene fenol, pues, en este caso, el cloro produce una agua no potable. Este proceso, el cual se conoce como tratamiento por exceso de alcalinidad, también remueve la mayoría de los metales pesados.

La cal es utilizada conjuntamente con sales de hierro o aluminio para la coagulación de sólidos suspendidos incidentalmente a fin de remover la turbiedad de las aguas. En este caso su función es la de mantener un apropiado pH para ayudar en la floculación y facilitar la eliminación por filtración de los sólidos suspendidos causantes de la turbiedad del agua cruda.

La cal es usada para neutralizar las aguas ácidas y en consecuencia evitar la corrosión de los conductos y tuberías. Las aguas corrosivas contienen excesivas cantidades de dióxido de carbón (ácido carbónico) el cual es atrapado por la cal para formar carbonato de calcio.

Uno de los métodos más comunes para remover sílice del agua es el empleo de cal dolomítica. El componente de magnesio de esta cal es el reagente activo en la remoción de la sílica. También es utilizada para remover manganeso, fluoruros y taninos orgánicos del agua.

Tratamiento de aguas residuales: En las plantas de tratamiento biológico de aguas de desecho, usualmente se añade cal al digestor con el objeto de lograr el pH apropiado a una eficiente oxidación biológica de las aguas de desecho. En las plantas que utilizan un proceso combinado químico-biológico más avanzado se agrega cal en la corriente de aguas negras para precipitar el fósforo como un complejo de fosfato de calcio, separar el nitrógeno y precipitar otros sólidos suspendidos o disueltos. La remoción de fósforo y nitrógeno previene el crecimiento de algas y por ende el estancamiento de las aguas en la superficie.

Estabilización de lodos residuales: Constituye una de las más recientes aplicaciones ambientales de la cal. Añadiendo cal a los lodos residuales para lograr y mantener el pH a 12.4 por un mínimo de dos horas se eliminan los estreptococos fecales, se seca la torta y elimina el mal olor propio de estos residuos. Una dosis común implica agregar de 500 a 600 libras de cal viva por tonelada de lodos. Este proceso es tan efectivo como la digestión aeróbica, anaeróbica e incineración, pero a un costo mucho menor. Con este método se obtienen biosólidos tipo A y B, cuya utilización como acondicionador de suelos agrícolas esta regulado y aceptado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) en el capítulo 40, parte 503 del Código de Regulaciones Federales.

Tratamiento de basura y sus lixiviados: Actualmente son muchos los países que utilizan la cal viva e hidratada en el tratamiento de la basura. Es fundamental en la preparación y estabilización de las bases y entrecapas de los suelos de los rellenos sanitarios a fin de evitar y degradar sus lixiviados. En cantidades adecuadas no suprime la propia biodegradación de la basura, evita la proliferación de organismos nocivos (alimañas) y los malos olores. Algunos países utilizan la cal junto con la basura industrial para fabricar un combustible de alto poder calorífico para generar vapor o energía eléctrica sin la contaminación por ácido sulfúrico que caracteriza al quemado de combustibles fósiles azufrados.

Procesamiento de desechos industriales: Tanto la cal viva, como la cal hidratada, son utilizadas para abatir la contaminación que pueden generar muchas fábricas o plantas industriales; entre ellas:

o Plantas fabricantes de acero y metales: Se utiliza para neutralizar los desechos de ácido sulfúrico y sales de hierro derivadas de la fabricación del acero. También se utiliza para neutralizar y precipitar los residuos de cromo, cobre y metales pesados contenidos en los efluentes resultantes de los procesos de niquelado.

o Plantas Químicas y de Explosivos: Los procesos de muchos productos químicos y farmacéuticos producen desechos muy ácidos que deben neutralizarse con cal antes de tirarlos al ambiente. Las fábricas de explosivos y municiones consumen enormes cantidades de cal para neutralizar los concentrados de ácido sulfúrico contenidos en sus desechos.

o Minería: Los drenajes altamente ácidos de las minas de carbón activas o abandonadas, las soluciones acuosas con cianuro de los procesos de extracción por dilución de metales no ferrosos, entre otros se neutralizan y estabilizan con cal para evitar la contaminación ambiental de suelos, aire y mantos acuíferos.

o Fábricas de papel y fibras: La cal junto con otros coagulantes de apoyo, remueve el color de los efluentes de estas plantas y coadyuva a abatir la contaminación, mediante la recuperación de valiosos sub-productos, que de otra manera serían contaminantes, como son los lignosulfatos, levaduras, azúcares y el alcohol de los desechos sulfitados. La cal también es empleada en la neutralización de los desechos de ácido sulfúrico de las plantas de rayón y los sólidos disueltos en las descargas de las plantas fabricantes de telas de algodón estampadas a color.

o Plantas empacadoras de alimentos: Los desechos líquidos del enlatado de vegetales y frutas pueden clarificarse con cal sola, o con coagulantes de apoyo, antes de descargarse al ambiente. En el procesamiento de cítricos, la cal permite clarificar las aguas residuales de este proceso, aprovechar la pulpa como un sub-producto para la alimentación animal y neutralizar la acidez y corrosión de los equipos del proceso. En los centrales azucareros el tratamiento de sus residuos, sólidos y líquidos, requiere de la cal como agente neutralizador de los residuos químicos contenidos en sus descargas.

Abatimiento del ácido sulfúrico y sulfito: La cal está siendo empleada cada vez más para abatir la contaminación del aire causada por el quemado de combustibles con altos contenidos de azufre. Mediante el uso de la cal en suspensión acuosa es posible eliminar entre el 99 y 100% del ácido sulfúrico contenido en los gases generados por el quemado de combustibles muy azufrados. El hidróxido de calcio también neutraliza el sulfito generado por muchos procesos industriales siguiendo la siguiente secuencia química.

o Neutralización del ácido sulfúrico:

Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 · 2H2O (yeso)

o Neutralización del sulfito:

Ca(OH)2 + SO2 = CaSO3 + H2O

CaSO3 + ½O2 + 2 H2O = CaSO4 · 2H2O (yeso)

En los sistemas húmedos de remoción de azufre, la cal se emplea como una lechada conteniendo de 10 a 15% de sólidos de cal. Estos depuradores húmedos producen un lodo de sulfito de calcio que con media molécula de oxígeno libre más dos de agua, producen un sulfato de calcio hidratado (yeso) utilizable como material de construcción.

Recuperación de suelos contaminados por hidrocarburos y otros desperdicios peligrosos: Constituye uno de los más recientes usos descubiertos de la cal. Mediante un proceso que involucra cal viva y otros aditivos se pueden restaurar superficies, estanques o pozos de desechos de petróleo para salvaguardar el ambiente, recuperar suelos contaminados y utilizarlos en actividades productivas, incluyendo la agricultura y selvicultura. Este procedimiento permite secar los residuos de petróleo, convirtiéndolos en un lodo seco, que puede ser transportado, soterrado, compactado y cubierto con una nueva de tierra útil para actividades agrícolas. Una experiencia elocuente de este proceso se efectuó hace poco en Vickery, Ohio, Estados Unidos, donde un lodo ácido altamente tóxico y peligroso fue recuperado y estabilizado utilizando 3 partes de cal por 1 de cemento para 20 partes de lodo

contaminado. Estos productos fueron mezclados con el lodo húmedo mediante excavadoras, produciéndose, una hora después del mezclado, un material estable y sólido que fue removido y transportado en camiones hasta sitio de depósito provisional, a fin de esperar la impermeabilización del sitio de dónde salió; luego de tal impermeabilización, el material tratado fue soterrado y cubierto con nueva tierra dónde ha florecido una vegetación saludable.

Estabilización de arcillas: En el campo de la construcción de vías, terraplenes, patios, vías férreas, puertos, etc., las acciones medioambientales de la cal se dan a través del aprovechamiento de suelos inestables y expansivos (arcillas) mediante la técnica de estabilización de suelos utilizada desde hace 4,000 años por los romanos y chinos y retomada en Estados Unidos, Europa, Asia y América Latina hace cincuenta años.

Mediante este procedimiento, suelos inapropiados para servir de bases, se transforman en suelos duros, resistentes a la penetración de agua y estables, ello le da durabilidad a la obra que sustenta y evita los daños al paisaje que implica el almacenaje de los suelos inapropiados que se encuentran en la obra y la extracción de rocas y gravas provenientes de ríos o canteras. La dosis de cal que deben aplicarse depende de las características del suelo a tratar, en todo caso debe ser suficiente para lograr un pH en la masa suelo-cal-agua de mínimo 12.4, bajo estas condiciones se da la reacción puzzolánica que estabiliza el suelo y permite su aprovechamiento como base y sub-base.