Compuesto Inorgánico

Para comenzar es necesario distinguir las diferencias entre compuestos orgánicos e inorgánicos:

- Compuestos orgánicos: Son las sustancias contenidas o provenientes de los organismos vivos, y se caracterizan por contener principalmente el elemento químico carbono (enlaces de carbono-carbono), como por ejemplo petróleo, combustibles, madera, alcohol, carbón, azúcar y otras, que son estudiadas por la Química orgánica. He aquí otros ejemplos de este tipo de compuestos: gas natural, alcohol etílico, ácido cítrico, cafeína, nicotina, glucosa, ácidos dos grasos (ácido esteárico), aminoácidos (valina, leucina, etc.), nucleótidos (timina, guanina adenina), fructosa, etc.

- Compuestos inorgánicos: Son sustancias inertes o muertas, y se caracterizan por no contener carbono, como por ejemplo la cal, la sal de cocina, acido de batería y otras, que son estudiadas por la Química inorgánica. Hay ciertos compuestos que contienen carbono y se consideran como inorgánicos, dado que no contienen enlaces carbono-carbono y que sus propiedades son semejantes a este tipo de compuestos, entre los cuales está el monóxido de carbono (CO) y el dióxido de carbono (CO2).

El compuesto inorgánico escogido es: La cal en metalurgia extractiva (CaO)

Proceso industrial

La cal se utiliza en los procesos de flotación; en la fundición de cobre, plomo y zinc; en la producción de magnesio (se pueden utilizar dos tipos de procesos de fabricación: proceso electrolítico o proceso de reducción térmica, en este último se utiliza cal viva); en la producción de aluminio; y como escorificante de la sílice evitando la formación de compuestos de aluminio y sílice.

En particular nos centraremos en tratar el uso de la cal en flotación.

El procesamiento de minerales de cobre sulfurado comienza con etapas de reducción de tamaño y clasificación que se llevan en circuitos de chancadores y harneros seguidos de molinos e hidrociclones para generar un aumento en cuanto al grado de recuperación del metal de interés una vez finalizado el proceso y la ley de cada una de las partículas de tamaño reducido.

Figura 1: Esquema del procesamiento de minerales de cobre sulfurados

La etapa de flotación es una técnica de concentración que trata la pulpa de mineral que ingresa (cabeza) para generar concentrado que corresponde a la pulpa de interés para los procesos posteriores y la cola que corresponde a la parte que no es de interés comercial (ganga).

La flotación consiste en la adhesión selectiva de partículas valiosas hidrofóbicas a burbujas de gas, producto de lo cual se forman agregados partícula-burbuja lo cuales por su baja densidad aparente respecto de la pulpa, flotan formando una corriente de alta ley en el elemento de valor llamada concentrado.

Reactivos utilizados en flotación:

El proceso de flotación requiere el uso de reactivos químicos: colectores, espumantes, modificadores (activadores, depresores, modificadores de pH).

-Colectores: permiten inducir hidrofobicidad en partículas minerales.-Espumantes: disminuyen tamaño de burbuja (aumenta área de contacto burbuja-partícula), estabilizan espuma y reducen el tiempo de inducción (adhesión partícula-burbuja).-Modificadores: permiten manejar las condiciones físico-químicas del sistema para mejorar la eficiencia del proceso de flotación.

La cal es un modificador que se utiliza para modificar el pH. En el procesamiento de minerales sulfurados de cobre las especies valiosas principales son la Calcopirita, Calcosina, Covelina, Bornita y Enargita. La ganga más abundante es la Sílice pero no la más complicada de separar. La ganga que presenta más dificultades de separación selectiva en la flotación es la pirita.

La forma más común de depresar la pirita es elevando el pH hasta valores básicos sobre 10, con la adición de cal, que aporta a la pulpa hidróxido de calcio que a su vez aporta los iones hidroxilos (OH-).

Figura 2: Descripción del proceso de flotación.

Luego de varios ciclos en que las burbujas rebasan el borde de las celdas, se obtiene el concentrado, en el cual el contenido de cobre ha sido aumentado desde valores del orden del 1% (originales en la roca) a un valor de hasta 31% de cobre total.

El concentrado final es secado mediante filtros y llevado al proceso de fundición.

Reacción química

La reacción involucrada para la cal en el proceso es:

Respecto a la generación de la cal tenemos la siguiente imagen. Además he considerado pertinente agregar un poco de información respecto de la formación de cal.

Fabricación de la cal

La cal es un reactivo que se obtiene por descomposición, mediante calcinación, del carbonato contenido en las calizas.

MCO3 (s) + Calor MO(s) + CO2 (g)

Carbonato del metal Oxido del metal Anhídrido carbónico

Si al óxido obtenido se le agrega agua, en cualquier estado, o se deja expuesto al medioambiente, ocurrirá:

MO(s) + H2O(s,v,l,) M(OH)2 (s,l)

Oxido del metal Hidróxido del metal

La cantidad de agua requerida por la reacción química anterior, es la necesaria para obtener un polvo químico seco, si se agrega más agua hasta lograr la total solubilidad del hidróxido metálico, es factible lograr la disociación del catión (M+2) y los aniones (OH- ), siendo estos últimos los que permiten medir la concentración de alcalinidad del sistema y expresarlo finalmente como pH.

M(OH)2 (s) + H2O(l) M+2(l) + 2OH

Donde:

M = elemento metálico, calcio, magnesio, etc.

CO3 = compuesto carbonato

OH- = compuesto hidroxilo

(s) = sólido (g) = gas (l) = líquido (v) = vapor

Las calizas son rocas sedimentarias en forma de calcita, magnesita o dolomita mineral.

Para la obtención de la cal viva, ya sea calcítica, dolomítica o magnesítica, es necesario sobrepasar la presión de disociación que ejerce el carbonato correspondiente, mediante reacción endotérmica (calcinación), para liberar el anhídrido carbónico (CO2) y lograr el monóxido metálico correspondiente.

En el caso del carbonato de calcio puro ocurre la siguiente reacción química para obtener la cal viva calcítica:

CaCO3 + Calor CaO + CO2

Importancia de la estequiometria

Una pregunta básica que surge en el laboratorio químico es: “¿qué cantidad de producto se obtendrá a partir de cantidades específicas de las materias primas (reactivos)?” O bien, en algunos casos la pregunta se plantea de manera inversa: “¿qué cantidad de materia prima se debe utilizar para obtener una cantidad específica del producto?” Para interpretar una reacción en forma cuantitativa necesitamos aplicar el conocimiento de las masas molares y el concepto de mol. La estequiometría es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una reacción química.

Independientemente de que las unidades utilizadas para los reactivos (o productos) sean moles, gramos, litros (para los gases) u otras unidades, para calcular la cantidad de producto formado en una ecuación utilizamos moles. Este método se denomina método del mol, que significa que los coeficientes estequiométricos en una reacción química se pueden interpretar como el número de moles de cada sustancia.

Si la ecuación en principio no está bien balanceada no se estaría respetando el principio elemental de conservación de la masa. Ello podría naturalmente generar determinaciones erradas respecto a

las cantidades de reactivos y productos con el agregado de generar pérdidas para la empresa por el hecho de no ser eficiente.

La reacción involucrada para la cal en el proceso es:

Estados de oxidación

Se nos pide determinar los estados de oxidación del compuesto elegido teniendo en consideración la ecuación de la reacción.

-Respecto a los reactivos tenemos que:

CaO: Ca posee un estado de oxidación de +2 mientras que O de -2.

H+: Posee un estado de oxidación de +1.

-Respecto de los productos:

Ca+2: Ca posee un estado de oxidación +2.

H2O: H posee un estado de oxidación de +1 mientras que el O de -2.

Situaciones de riesgo y medidas de seguridad

Manejo y almacenamiento de la Cal

Disposiciones Legales:

El Decreto Supremo Nº 745 del Ministerio de Salud, sobre condiciones sanitarias y ambientales básicas en lugares de trabajo, publicado el 8 de junio de 1993, define una concentración de 1,6 mg/m3, como el límite máximo ponderado permisible para el óxido de calcio promediado en un turno de 8 horas.

La Norma Chilena NCh 382 oficializada el 2004 establece una clasificación general de las sustancias peligrosas en Clase y División, y presenta dos listados de las sustancias peligrosas. En ambos aparece mencionado el óxido calcico (cal) clasificado de acuerdo al riesgo más significativo que presenta en el transporte terrestre en Chile, en su manipulación y almacenamiento, Clase o División 8, Grupo de embalaje / envase III y número de guía GRE 157. Sólo en el listado de sustancias ordenadas alfabéticamente indica que las disposiciones especiales corresponden al N° 106, el que en el apéndice E de la misma norma no aparece definido. En las versiones anteriores esta disposición estaba referida a que “Esta sustancia no está clasificada como peligrosa, excepto para el caso de transporte aéreo”, lo que ahora ha sido eliminado.

Por otro lado, en la Norma Chilena NCh 2120/8, oficializada en el 2004, también está la cal en el listado de las sustancias peligrosas de la Clase 8, definida en la NCh 382 y señala que la norma se aplica al transporte terrestre en territorio nacional, almacenamiento y manipulación asociados al transporte de todas las sustancias corrosivas de la Clase 8 que aparecen en el listado, indicado anteriormente, con la finalidad de propender a la seguridad personal, la seguridad colectiva, la seguridad de la propiedad y del medio ambiente

Según esta norma el óxido cálcico (denominación química) o la cal (denominación comercial), tiene el número de referencia de Naciones Unidas de 1910, la clase de riesgo y la división dentro de la clase es la N° 8, “Sustancias corrosivas”. Para el grupo de embalaje/envasado de la sustancia, en función de su grado de peligrosidad, la clasifica en el grupo III: “Sustancia y preparados poco peligrosos” que corresponde a dos tipos de observación:

a. Sustancias que causan la destrucción de un tejido cutáneo intacto en todo su espesor antes que transcurra un período de observación menor o igual a 14 días contados tras un período de exposición mayor de 1 hora pero menor o igual a 4 horas.

b. Sustancias respecto de las cuales se consideran que no causan la destrucción de un tejido cutáneo intacto en todo su espesor, pero que al ser aplicadas sobre superficies de acero o de aluminio, a una temperatura de ensayo de 55 °C, causan una corrosión de más de 6,25 mm por año. Para los ensayos con acero, el metal utilizado debe ser del tipo P 325 (ver ISO 9328-2) o de un tipo análogo, y para los ensayos con aluminio de los tipos no revestidos 7075-T6 o AZ5GU-T6. Se indica un ensayo aceptable en ASTM G31-72 (prorrogada en 1990)

Por lo tanto, la cal es sustancia peligrosa para el transporte terrestre, y debe cumplir con las exigencias de la normativa nacional.

Peligros y Riesgos para la Salud

Los peligros para la salud se refieren a que puede afectar al organismo por las vías de inhalación, del contacto con la piel o los ojos y por la ingestión.

Los riesgos a la exposición de corto plazo son de:

• Irritación a los ojos, nariz, garganta y piel, debido a la alcalinidad de la cal. Sin embargo, la deshidratación y los efectos térmicos pueden ser factores constituyentes de quemaduras intensas, bronquitis y neumonía.

Los riesgos a la exposición de largo plazo o repetitivas veces son de:

• Dermatitis• Úlceras• Perforaciones al tabique nasal.

Toxicidad

La cal es atóxica y no existen antecedentes que indiquen lo contrario, no obstante es necesario usar equipos de protección adecuados y proveer de ventilación donde sea necesario, por lo tanto, en el manejo de la cal, especialmente cuando se trata de cal viva, hay que evitar el contacto con zonas húmedas del cuerpo, sobre todo las articulaciones, cuello, ojos, vías respiratorias y otras, ya que al tomar ésta contacto con la humedad, se produce la hidratación y el calor liberado debido a esta reacción, produce quemaduras químicas de distintos grados, dependiendo del tiempo de exposición de la zona afectada y de la cantidad y tipo de cal involucrada.

Protección

En lugares donde exista alta concentración de polvo, como las zonas de carga y descarga, alimentadores abiertos, polvo en el ambiente y zona de manipulación, se debe usar:

• Cremas protectora aplicada al cuello, puños, tobillos, cintura y manos. Esta crema debe lavarse fácilmente, como la gelatina de aceite mineral.• Respirador adecuado.• Protección visual. Mono visor de una pieza de cierre hermético.• Capucha con suministro de aire en lugares de trabajo fijo.• Pantalón que descienda hasta cubrir la bota.• Camisa manga larga de exudación abotonada en cuerpo y cuello.• Guantes.

En general la ropa de seguridad que se utiliza no debe ser ceñida al cuello, puños, cintura y tobillo, ya que el roce resultante con la cal puede causar irritaciones en la piel.

Higiene

Las recomendaciones de higiene en la utilización de la cal en faena son:• No usar lentes de contacto.• No fumar ni comer.• Lavarse las manos para manipular alimento y/o usar instalaciones sanitarias.• Tomar una ducha al término de la jornada usando un jabón suave.• Lavar la ropa si se encuentra saturada de polvo (recomendable usar ropa limpia para cada turno).• Mantener llaves de agua cerca del lugar donde se manipule la cal y al sentir una ligera picazón, lavarse con abundante agua corriente.

Almacenamiento

La cal no es combustible cuando se mezcla con agua, no obstante, desprende un calor considerable cuando entra en contacto con ella, o con ácidos u otras sustancias químicas que contengan agua de cristalización.

El calor resultante de la hidratación puede ser suficiente como para encender materiales combustibles cercanos.

En el almacenamiento, debido a que la cal es un material altamente higroscópico, es conveniente mantener un stock pequeño y en zonas libres de humedad, en lo posible en envases impermeables y ojalá sobre madera a una distancia de al menos 10 cm del suelo, para evitar contacto con la humedad del piso.

Derrames

En casos de peligro de derrame de cal, se debe restringir el acceso de personas que no usen lo equipos y la ropa de protección adecuada hasta completar la limpieza.En los sectores de derrames se debe:• Ventilar la zona• Recoger el material derramado• Depositarlo en tambores herméticamente cerrados, para recuperarlo o vaciarlos en un relleno de tierra sanitario adecuado.

Respetar y seguir las instrucciones que se entregan en el Anexo 1 Punto 21.2 referido al plan de contingencia frente a derrames.

Conclusión

El desarrollo y economía chilena están ligados profundamente a la minería, en particular, a la producción de cobre. Es por ello que la actividad que desarrollan los ingenieros civiles metalúrgicos respecto al procesamiento de minerales oxidados o sulfurados de cobre tiene mucha importancia.

En particular en este trabajo se expuso la importancia que tiene la cal en el procesamiento de minerales de cobre sulfurado, en particular, en la etapa de flotación.

Como expusimos la cal es un reactivo químico que se utiliza para la regulación del pH de la pulpa mineral con el objeto de obtener un concentrado final de alrededor de un 30% de cobre. El rol de este compuesto químico es uno de los tantos de la cadena productiva, pero resulta ser trascendental para lograr los objetivos de una adecuada cantidad de producción y eficiencia del proceso global. Justamente dadas las condiciones actuales de la minería es trascendental buscar mejoras respecto a los procesos utilizados actualmente para reducir los costos de producción.

Como hemos podido apreciar el hecho de ser capaces de dominar los conceptos, las definiciones, tener el cuidado pertinente respecto del uso de las ecuaciones, del balanceo de la misma y naturalmente de la interpretación de los resultados juega un papel clave a la hora de cumplir con el objetivo final. Esta demás decir lo que ocurriría en el caso de que esto no se haga como se debe.

Este tipo de trabajos resulta siempre útil para ver la aplicación de los conceptos a los procesos industriales y para tomar la importancia debida a los conocimientos que uno adquiere para hacer el trabajo de la manera correcta. Si la cadena productiva (cada uno de sus elementos) funciona de forma eficiente los resultados saltarán a la vista de forma natural. Si falla un eslabón en la cadena las consecuencias quizás no son desastrosas a corto plazo, pero si a largo.

Referencias y bibliografía

1. Química, décima edición, capítulos 3 y 4, Raymond Chang.

2. Apuntes del curso metalurgia extractiva para ingeniería civil de minas, UdeC 2015 – 2.

3. La cal es un reactivo químico, Guillermo Coloma Álvarez, primera edición.

4. https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/escolares_flotacion.asp

5. La cal en metalurgia extractiva, UCN, varios autores, primera edición.

6. www.revistaingenieria.uda.cl/Publicaciones/180009.pdf