El Caolín y sus aplicaciones industriales
Kaolin and its industrial applications
Resumen
En el presente ensayo se describe el significado del caolín, sus propiedades e importancia en México, las características que este debe cumplir de acuerdo a sus principales aplicaciones industriales, así como las limitaciones en cuanto a su uso debido a la existencia de algunas impurezas, principalmente hierro, contenido generalmente como óxidos e hidróxidos, los cuales le proporcionan una coloración cafe-beige, dependiendo del contenido de este elemento. Se hace énfasis en la necesidad de remoción del hierro por diversos métodos (físicos y químicos) entre ellos, la lixiviación reductiva, método implementado en el Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales del Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, para su blanqueo.
Palabras clave: Caolín, Aplicaciones industriales, Hierro.
Abstract
In the present essay we described the meaning of kaolin, their properties and importance in Mexico, its features according to their industrial applications as well as, the restrictions about its use due to some impurities, mainly iron, generally content as oxides and hydroxides, which give the brown-beige coloration, depending of the content of this element. We emphasize the need to removal iron for its bleaching, using several methods (physical and chemical) including reductive leaching, method implemented in The Earth Sciences and Materials Academic Area of Basic Sciences and Engineering Institute of Hidalgo University.
Key words: Kaolin, Industrial applications, Iron.
Introducción
México cuenta con un gran número de yacimientos de caolín, representando alrededor de 84% a nivel nacional. Los estados que cuentan con el mayor número de yacimientos son Hidalgo, Zacatecas y Veracruz (Véase Figura 1) (Secretaría de economía, 2007). El caolín es un mineral no renovable, es un silicato de aluminio hidratado, producto de la descomposición de rocas feldespáticas, principalmente. El término caolinita se deriva del chino Koa-ling, que significa “Cerro Alto”, nombre de la montaña de la que por vez primera se embarcó la caolinita a Europa para usos cerámicos. El caolín es la arcilla en la que predomina el mineral caolinita; de color blanco, aunque puede tener diversos colores debido a las impurezas; brillo generalmente terroso mate; es higroscópico (absorbe agua); su plasticidad es de baja a moderada. Otras propiedades importantes son su blancura, su inercia ante agentes químicos, es inodoro, aislante eléctrico, moldeable y de fácil extrusión; resiste altas temperaturas, no es tóxico ni abrasivo y tiene elevada refractariedad, facilidad de dispersión. Es compacto, suave al tacto y difícilmente fusible. Tiene gran poder cubriente y absorbente y baja viscosidad en altos porcentajes de sólidos (Secretaría de economía, 2004). Es uno de los minerales arcillosos más importantes; su estructura y composición son fundamentales ya que controlan las propiedades físicas y químicas que son importantes en la determinación de sus numerosas aplicaciones industriales (Véase Figura 2).
Figura 1. Principales estados productores de caolín en México.
Fuente: http://201.131.19.30/Estudios/Mineria/
Figura 2. Los usos del caolín en la industria del papel, caucho, pinturas, están en función de sus propiedades.
Fuente: http://www.arcichamotas.com/ESPAOL/arcicha2.gif
Aplicaciones industriales del Caolín
Papel. Una de las aplicaciones más importantes de esta arcilla es en la industria del papel, mejora la impresión, y hace que la superficie de la hoja sea más blanca y suave. El caolín es utilizado como relleno en los intersticios de la hoja y añade receptividad a la tinta y opacidad a la hoja de papel.
También es utilizado como recubrimiento en la superficie de la hoja haciendo posible una aguda ilustración fotográfica e impresiones de color luminosas. Las propiedades de mayor importancia de esta arcilla para la industria del papel son; su brillantez, baja viscosidad, no abrasiva, control del tamaño de partícula y su superficie plana en forma de platos hexagonales. Las propiedades de flujo o reología son muy importantes en el caolín utilizado principalmente para recubrimiento de papel ya que influencian el peso del recubrimiento, la suavidad, textura y otras propiedades de la hoja (Murray, 1961).
Pintura. La pintura es un mercado de gran importancia para el caolín, aunque menor que el mercado del papel. Alrededor de 600, 000 toneladas anualmente son utilizadas mundialmente para extensor de pigmentos en las pinturas. Entiéndase como extensor, uno de los componentes de las pinturas que modifica brillo, sus características de flujo, el manejo y las propiedades de la película.
El principal uso es como extensor de pigmentos de pinturas de látex de interiores a base de agua. Es también utilizado en primers industriales (pinturas base) exteriores a base de aceite. Es promovida la lavabilidad con el uso de esta arcilla, la cuál es la facilidad con que una mancha puede ser removida por lavado y la retención del esmalte (la habilidad de una sustancia para evitar la entrada de esmalte en el interior de su estructura) (Murray, 2007).
Cerámicos. Los cerámicos incluyen un amplio rango de productos en los cuales el caolín es utilizado. Estos incluyen vajillas, sanitarios, azulejo, porcelana eléctrica, cerámica y refractarios.
Los caolines como principal ingrediente en los principales productos cerámicos. El término cerámico se refiere a la manufactura de productos de materiales de barro mediante la aplicación de altas temperaturas. Las propiedades de los cerámicos de los materiales arcillosos son variables dependiendo de la composición de la arcilla mineral y sus propiedades como son distribución de tamaño de partícula, presencia de materia orgánica y la composición del mineral no arcilloso. La composición de la arcilla mineral es el factor más importante, determina las propiedades del cerámico. La caolinita es la arcilla mineral más utilizada en las aplicaciones cerámicas debido a sus propiedades físicas y químicas que son impartidas al procesamiento de los cerámicos y a los productos finales. Las propiedades más importante que imparten el caolín a los cerámicos es la plasticidad, resistencia en verde, resistencia en seco, resistencia a la cocción, color, refractariedad, fácil vaciado o colada en los sanitarios, baja o cero absorción de agua y control en el encogimiento o contracción (Murray, 2007).
Caucho. El caolín es utilizado en el caucho como pigmento por su relativamente bajo costo y blancura en comparación con otros. Además, se utiliza como relleno, dando a los productos resistencia, abrasión y rigidez, tanto a productos de caucho sintético o natural, los productos se extruden mejor después de que el relleno de ésta arcilla ha sido agregada. Se estima que las toneladas anuales de caolín utilizadas para relleno de caucho son alrededor de 600,000 T (Murray, 1961).
Plásticos. El caolín es utilizado como relleno de plásticos ya que ayudan a producir un acabado superficial liso, reduce el agrietamiento y la contracción durante el curado, obscurece el patrón de fibra de vidrio cuando se utiliza como refuerzo, mejora la estabilidad térmica, contribuye a una alta fuerza de impacto, mejora la resistencia al ataque químico y al desgaste y ayuda al control de las propiedades de flujo. El uso más importante del caolín es en el cloruro de polivinilo (PVC) recubrimientos sobre alambres y cables. Generalmente, entre más fino sea el tamaño de partícula del caolín, será mejor el refuerzo de las propiedades físicas de todos los polímeros (Murray, 2007).
Tinta. El principal pigmento inorgánico utilizado en las tintas es el caolín. El más importante uso del caolín en las tintas es para mejorar la retención de la tinta y para extender tanto el color como el pigmento blanco. Para conservar el brillo en la película de tinta, el extensor caolín no debe ser de tamaño de partícula tan grueso, su tamaño oscila entre 0.2 y 0.5 µm. El caolín es un buen extensor ya que tiene baja abrasión, fácil dispersabilidad y baja absorción de aceite, que minimizan el desgaste de la plancha de impresión. Además, la forma de plaquetas hexagonales de la caolinita reduce la permeabilidad de la película, la cual ayuda en la retención del vehículo en la superficie (El vehículo de tinta es la parte líquida de la tinta que, como su nombre implica, transporta el pigmento sobre el sustrato) (Murray, 2007).
Limitantes de las aplicaciones industriales del Caolín
Estas aplicaciones requieren de un caolín blanqueado. Sin embargo, los depósitos de caolín están contaminados (Ambikadevi & Lalithambika, 2000). La presencia de impurezas, particularmente el hierro, imparte color al caolín, afectando su utilidad para sus diversas aplicaciones (Saikia et al., 2003). Generalmente, la calidad del caolín esta medida en términos del contenido de hierro y regularmente el caolín está acompañado de algunos minerales de hierro como son hematita, magnetita, goethita, maghemita, pirita, etc. (González & Ruiz, 2006). Estos óxidos e hidróxidos disminuyen el índice de blancura del caolín, dando como resultado arcillas de coloración café-amarillo (beige), dependiendo del contenido de hierro (Véase Figura 3) (Cameselleet al., 1995).
Figura 3. Diversidad de caolines.
Fuente: http://www.cmaprin.com/attachments/Image/
Por lo anterior, es necesaria la remoción del hierro del caolín. Se han hecho considerables esfuerzos para eliminar el hierro del caolín por medios físicos y químicos. Mientras los procesos físicos utilizan la flotación, separación magnética de alta intensidad (HGMS), floculación selectiva o un conjunto de estos procedimientos, los tratamientos químicos emplean la disolución de hierro en soluciones ácidas (lixiviación). En la eliminación de hierro las técnicas físicas de separación, generalmente son menos efectivas que las químicas (Veglio et al., 1996).
Concluyendo
Existe una gran necesidad de consumo de este mineral en México para sus diversas aplicaciones industriales, no obstante ha sido necesario importar caolín de alta pureza debido a la ausencia de investigación y desarrollo al respecto (Véase Figura 4). La empresa Freedonia Group dedicada al estudio de la investigación de negocios en base a materia prima, realizó estudios estadísticos del consumo de caolín, y ha calculado que para el año 2013 serán necesarias, aproximadamente, 24.8 millones de toneladas para satisfacer las necesidades de consumo de este mineral a nivel mundial (Freedonia, 2012). Es importante ahondar sobre esta investigación con procesos innovadores que sean el comienzo de un nuevo camino para el estudio de la purificación del caolín (remoción de hierro). En este sentido, actualmente en el Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales del Instituto de Ciencias Básicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo se estudia el blanqueo de arcillas caoliníticas procedentes de Huayacocotla Veracruz, México, por medio de lixiviación reductiva (Olvera et al., 2012; Olvera et al., 2013).
Figura 4. Importaciones Mexicanas del caolín en el 2002 por país de origen.
Fuente: http://201.131.19.30/Estudios/Mineria/
Referencias
(s.f.). Obtenido de http://www.cmaprin.com/attachments/Image/
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[a]Estudiante Doctorado en Ciencias de los Materiales
[b]Profesora Investigadora del Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales