Bentonita: aplicaciones con carbón como bentonita-arcilla en aplicaciones de fundición, y otros

Lejos de usarse únicamente para hacer ladrillos, la bentonita es una forma de arcilla que ha encontrado numerosos usos a lo largo de sus miles de años de uso , pero tal vez sobre todo en refractarios a partir de la década de 1900, junto con el carbón en polvo entre una gran cantidad de otras aplicaciones. Común entre ellos es la necesidad de arcilla bentonita de la mejor calidad y carbón de antracita - como los disponibles de pegmatita africana.

Introducción

Las bentonitas son arcillas filosilicadas de aluminio que se componen principalmente de montmorillonita. Montmorillonite en sí es un tipo de estectita dioctahedral - la estructura cristalina de la cual es una capa que lleva geometría octaédrica intercalada entre dos capas de geometría tetraédrica. Los tipos de bentonita están demarcados por el nombre del metal más prevalente en ellos, por ejemplo la bentonita sódica (Na-bentonita) y la bentonita de calcio (Ca-bentonita). La na bentonita es una de las más comunes, y es apreciada por su capacidad para hincharse, tolerancia a altas temperaturas y se considera generalmente como un mejor aglutinante(1). Na-bentonita se origina a partir de ceniza volcánica que fue depositada en ambientes marinos hace mucho tiempo. La ca bentonita, por otro lado, no es conocida por sus propiedades de hinchazón y se deriva de ceniza volcánica depositada en ambientes de agua dulce(2). Con respecto al agua, el agua estructural se elimina de los bentonitas calentando en el rango de 400 a 500 oC, y la estructura cristalina se cambia completamente más allá de los 900 oC. En comparación con el caolín químicamente similar, la bentonita se considera mucho más fácilmente moldeada y sinterizado.

Los bentonitas tienen una amplia variedad de usos, desde cosméticos hasta detergentes, y desecantes y fertilizantes. Aquí, nos centraremos principalmente en el uso de la bentonita en
aplicaciones de fundición,
especialmente cuando se ha mezclado con carbón. Típicamente con arcillas de bentonita, el carbón de elección es antracita. En sí mismo un material ampliamente utilizado, fuera de los combustibles que ha encontrado uso en fundiciones y otros ambientes de alta temperatura.

Las mezclas de bentonita y carbón son baratas, lo que además de su amplio uso detallado a continuación, aumenta su atractivo en entornos industriales.

Uso de bentonita en ambientes de fundición con carbón

Fundición de arena verde y seca

El uso más amplio y común para las mezclas de antracita de bentonita se encuentra en el sector de fundición de fundición. Se afirma que aproximadamente el 70% de las piezas fundidas ferrosas están hechas de arena de moldeo verde(3). En las fundiciones de arena verde, la arena se mantiene junto con la bentonita / arcilla y el agua como aglutinantes; se dice que es 'verde' ya que los moldes son en gran parte reutilizables y reciclables. Esta arena de moldeo verde contiene en la región de hasta un 10% en masa de arcilla de bentonita, hasta un dos por ciento de carbono (es decir, carbón), hasta un 5% de agua con el equilibrio de arena. Se dice que la montmorillonita es clave en el proceso de producción de fundición, particularmente con deferencia a la regeneración del molde(4).

Un estudio en el estudio sobre la fluidez de la arena verde para aplicaciones de fundición encontró que la bentonita es esencial para permitir un buen flujo de arena (y por lo tanto un mejor molde de fundición) y que la relación ideal de bentonita a material carbonáceo es 3:1(5) y un contenido de agua de no más del 3%. Otros estudios han encontrado cargas óptimas de bentonita de 5% en masa; dando una resistencia a la compresión de 53 kN/m² sin dejar de ser fácil de manejar(6).

La resistencia a la luz caliente y seca son requisitos clave para la fundición de arena verde, y por lo tanto la bentonita sódica es la iteración preferida de la arcilla(7). En el proceso de fundición, sólo se descomponen cantidades muy pequeñas de montmorillonita, y se prefiere la bentonita que contiene más del 70% de montmorillonita en masa para aplicaciones de fundición. Los materiales carbonáceos como el carbón se utilizan en la fundición de arenas de molde como aditivos, y en su mayoría se queman. La razón para utilizar el material carbonáceo (carbón) es asegurar un mejor acabado superficial en el metal evitando la mezcla de metal fundido con arena en un proceso llamado humectación. Típicamente para la arena verde, el carbón está en forma de polvo y se obtiene de la antracita - una de las formas de carbón con un mayor contenido de carbono y menor contenido de azufre.

En
los refractarios castables, donde se ha utilizado bentonita-carbón,
se ha visto que se han mejorado las propiedades de expansión térmica. También se ha aumentado la resistencia al choque térmico(8) en un refractario calcinado.

Con respecto a las fundiciones de arena seca, los principios son en gran medida los mismos, excepto que la reciclabilidad no se prioriza. La bentonita de calcio se puede utilizar en aplicaciones de fundición de arena, pero son más susceptibles a la erosión y son más propensas a la costra y otros defectos causados por la expansión(9). En general, se puede decir que la adición de bentonita a los moldes de fundición de arena verde y seca aumenta su fluidez y resistencia a la compresión, manteniendo al mismo tiempo una alta tolerancia al calor. Se estima que la fundición industrial utiliza más del 25% del suministro de bentonita a nivel mundial cada año(10). La resistencia a la compresión húmeda (es decir, el precurado o el reposo del molde) es mayor con mayores cantidades de bentonita y carbón(11) - que es una propiedad útil en caso de que cualquier tipo de extrusión o proceso de compactación mecánica se emplee en la formación de moldes.

Tanto la arena como la arcilla de bentonita se pueden reclamar de los procesos de fundición(12). Mediante un proceso de "oxidación avanzada", se mejora la recuperación y el reciclaje de la bentonita usada(13). El proceso toma la bentonita gastada y la arena del proceso de fundición, la trata oxidativamente y el uso de esta metodología elimina la bentonita térmicamente destruida en el canal de residuos. En comparación con un sistema tradicional, este tratamiento avanzado de oxidación envía sólo 3% de bentonita (en peso) a los residuos, en comparación con 30-50%. Tal proceso es ventajoso, ya que reduce la cantidad de bentonita fresca necesaria para "maquillaje" al formar un nuevo molde de fundición.

Otros usos de bentonita-carbón

En la literatura de patentes, la bentonita junto con el polvo de carbón se ha utilizado para reparar revestimientos de alto horno(14) y porciones dañadas de corredores a través de hornos o cúpulas(15). Ambos métodos, en esencia, utilizan bentonita-carbón junto con otros materiales como el grafito y el cloruro de calcio para producir una masilla que se aplica a la rotura, y se cura rápidamente in situ. Estas reparaciones están diseñadas para ser a pequeña escala.

Uso de bentonita en entornos refractarios sin carbón

La peletización del mineral de hierro es uno de los usos clave para las arcillas de bentonita en refractarios sin carbón. La bentonita se emplea como un flujo, haciendo que la cocción sea un proceso menos intensivo de energía, y permite la oxidación de la magnetita a la hematita antes del alto horno(16). La peletización hace que el proceso de fusión sea más eficiente debido a una mayor relación superficie-volumen, y tiene lugar en un horno de túnel, lo que conduce a pellets en forma de bola. Se ha informado de que la proporción de aditivos (es decir, bentonita y antracita) tienen un profundo impacto en el proceso general de formación de pellets, informando propiedades como la fuerza de compresión fría y la porosidad entre otros(17).

En la producción de ladrillos de arcilla de fuego, sólo un 1,5% en peso de adición de bentonita a los materiales habituales aumentó significativamente la fuerza de compresión - se cree que la bentonita aumenta la coagulación de la mezcla. El aumento de la porosidad y la superficie interior conduce a un mejor rendimiento refractario(18).

bentonita utilizado para hacer estos ladrillos

Además, en la producción de ladrillos refractarios predominantemente a base de kaolina, se ha demostrado que la adición de bentonita en proporciones del 2% aumenta tanto la resistencia como la densidad de los ladrillos producidos, al tiempo que se reducen los costes(19). Ya en la URSS de la década de 1970, las instalaciones de producción de ladrillo habían estado experimentando con la sustitución parcial de arcilla convencional y arena en kaolín que contenía ladrillos para aplicaciones de alto rendimiento y decorativas. Los autores informaron que los aumentos de densidad y fuerza en los ladrillos producidos estaban en el orden del 19%, todo ello reduciendo el costo total en cientos de miles de rublos, un valor significativo en ese momento. Hoy en día se siguen aplicando los mismos principios.

Otros usos de la bentonita y el carbón

Bentonita-antracita (donde la antracita es un tipo superior de carbón) mezclas se han utilizado durante mucho tiempo para la separación de aceite y la eliminación de líquidos. Un concepto clave que hace de la bentonita un material viable para esta zona es que es un excelente sorbente en sí mismo(20). La naturaleza sorbente se apoya en la sustitución del contraión Na o Ca con el nitrógeno en una amina cuaternaria. Esto mejora la organofilia (ver más adelante). Se dice que la bentonita es moderadamente selectiva para materiales orgánicos como benceno, petróleo crudo y productos petrolíferos. Como la antracita tiene una densidad similar a la arcilla bentonita, se mezclan bien, con la antracita evitando cualquier absorción avanzada en la arcilla bentonita ya hinchada. La absorción de líquidos del sistema, sin embargo, disminuye significativamente a altas temperaturas(21).

Un estudio utilizó una mezcla de 30% en peso arcilla de bentonita y 70% polvo de carbón para eliminar el aceite de aceites sintéticos y emulsiones de aceite / agua con eficiencias de hasta 98%. Tales propiedades se deben al perfil de porosidad de la bentonita, y el hecho de que es organófilo(22). La antracita tiene una densidad a granel similar a la arcilla de bentonita y ralentiza la absorción prematura de aceites en la arcilla hinchada. Tal absorbancia sólo es eficaz a bajas temperaturas - la capacidad de absorber líquidos cae rápidamente después de calentar incluso más allá de un modesto 100 °C(23). Esto tiene aplicaciones potenciales en derrames de petróleo y limpieza industrial general.

El hecho de que las mezclas de antracita de bentonita sean altamente organófilas explica su amplia eficacia y eficiencia en la separación de aceite y el espacio de limpieza. La facilidad de uso también entra en juego, con los tamaños de partículas a escala macro de 0,85 a 2,36 mm pre-hinchados, lo que significa que una vez hinchado y lleno de contaminantes, la filtración de exclusión de tamaño simple es más que suficiente para eliminar todo(24).

A gran escala, las mezclas de bentonita y carbón se utilizan como revestimientos y toppers de vertederos. Siguiendo con el comportamiento absorbente antes mencionado de las mezclas de bentonita-antracita, en un vertedero, se aprecia por su capacidad para absorber materiales dañinos que se lixivian fuera de la pila de basura, como metales pesados(25) incluyendo cadmio, plomo y níquel. En este estudio, la bentonita se utilizó en una proporción de 2:1 al carbón, y se utilizó junto a la arena. Crucial en este tipo de aplicaciones es la resistencia del material general a la presión, y se ha encontrado que el carbón de bentonita de arena exhibe una buena resistencia a la compresión y alta densidad cuando los tres componentes se utilizan juntos(26). En otros estudios similares, se ha demostrado que la bentonita y el carbón son buenos sorbents para una variedad de contaminantes basados en líquidos derivados de flujos de residuos y vertederos, pero los autores señalaron que no hay ningún efecto del material de tipo carbono por sí solo, más bien requiere que la bentonita esté presente para absorber eficazmente los contaminantes(27). Este comportamiento se ha adoptado en otros lugares con resultados eficaces contra el plomo de lixiviación que muestran la eficacia del sistema de carbón bentonita(28).

En términos de limpieza industrial y minera, las mezclas de bentonita-antracita encuentran usos extensos especialmente en el área del drenaje de minas ácidas - un problema común que enfrenta el sector de la minería mineral. Las aguas subterráneas pueden contaminarse fácilmente con varios relaves y escorrentías de las operaciones mineras y deben evitarse que entren en cursos locales de agua. Se ha demostrado que las aguas subterráneas cercanas a las minas de carbón en el África subsahariana alcanzan concentraciones tóxicas y dañinas de 1.300 mg L^-1 de hierro. Se ha demostrado que la filtración simple del agua utilizando arcilla de bentonita, antracita y ceniza de mosca reduce drásticamente los niveles de hierro en el agua(29).

Sin embargo, los relaves de las minas no se limitan a relativamente fáciles de tratar con hierro. Otros iones de metales pesados -incluidos los sulfuros- son contaminantes conocidos y también deben eliminarse. La investigación ha demostrado que la filtración de antracita de bentonita es eficaz para eliminar más del 80% de las especies de hierro (incluidos los sulfuros) en un estudio utilizando una columna de filtro de antracita de bentonita(30). Aunque no funcionó tan bien como los filtros de zeolita de grado comercial, las aguas residuales industriales fueron en gran parte despojadas de contaminantes cuando se utilizó una columna de filtro de bentonita-antracita combinada que llevaba una superficie de aproximadamente 1 m² g^-1. Los autores observaron un rendimiento particularmente bueno en términos de eliminaciones de cualquier material orgánico residual, donde superó a la zeolita.

Para tales instalaciones, la adición de tan sólo 10% de arcilla de bentonita en peso a una mezcla de arena y carbón es eficaz para mejorar los niveles de absorbencia del sistema de arcilla-arena-carbón. Se observó que la antracita presente limitaba las capacidades de hinchazón de la mezcla - que se consideró beneficiosa(31).

En la producción de briquetas de carbón, se ha encontrado que la adición de arcillas de caolina y especialmente bentonita eleva la temperatura de fusibilidad de ceniza, haciendo que la gasificación fuera más eficiente(32). A veces pasado por alto como una arcilla convencionalmente comportada, la bentonita se puede formar en ladrillos y monolitos como cualquier otro material de tipo arcilla. Cuando se combina con residuos de producción de ferrocromo y una fuente de carbono (por ejemplo, polvo de antracita), se pueden producir materiales refractarios cerámicos que son capaces de soportar temperaturas entre 200 y 300 °C más altas que cuando se utilizan arcillas "normales" - esto es más probable debido al efecto de la bentonita y los materiales cromados residuales de los residuos ferrocromos(33).

En muchos casos, una configuración que combina filtración de bentonita-antracita junto con otro método (como una zeolita o un vidrio molido) puede ser la más adecuada.

Consultoría de óxido de manganeso

La bentonita es un tipo de arcilla que es apreciada por su porosidad, viabilidad y naturaleza no tóxica
En aplicaciones de fundición, se utiliza con carbón (bentonita-carbón) en moldeo de arena/arena verde para fundiciones metálicas; donde mejora las propiedades refractarias del molde, al mismo tiempo que aumenta la resistencia y la fluidez
La bentonita y el carbón se pueden utilizar juntos para la reparación de hornos a pequeña escala
Para aplicaciones refractarias sin carbón, la bentonita se utiliza en la peletización de mineral de hierro y en la producción de ladrillo de arcilla contra incendios para aumentar la resistencia
Otras aplicaciones con carbón incluyen procesos de separación de petróleo en derrames de petróleo y limpieza industrial; revestimientos de vertederos y mejorar la producción de briquetas de carbón

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Referencia

1 S. Pa'et al. Arco. Eng de fundición., 2019, 19, 35

2 G. Alther, Env. Eng. Geosci., 2004, 10, 347

3 A. Bobrowski et al., J. Molecular Struct., 2008, 880, 109

4 Z. Radojevic y A. Mitrovic, J. Eur. Ceram. Soc., 2007, 27, 1691

5 Y. Chang y H. Hocheng, J. Mat. Proc. Tecnología., 2007, 113, 238

6 C. Saikaew y S. Wiengwiset, Appl. Clay Sci., 2012, 61, 26

7 Departamento Técnico de la Sociedad Americana de Fundición, Modern Casting, 2016, 106, 42

8 W. Zhang et al., World Iron and Steel, 2010, 4, 1

9 J. R. Brown (ed.), Foseco Ferrous Foundryman's Handbook, 11a ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 2000

10 D. D. Eisenhour y R. K. Brown, Elementos, 2009, 5, 83

11 W. Zhenqing, Barbilla. J. Mech. Eng., 2000, 8, 1

12 Patente de LOS Estados Unidos US6554049B2, 2001

13 J. C. Furness et al. Env. Sci. Tecnología., 2005, 39, 7712

14 US Patent US3600480A, 1969, expiró

15 US Patent US4102694A, 1976, expiró

16 H. H, Murray, Applied Clay Mineralogy: Ocurrencias, Procesamiento y Aplicaciones de Kaolins, Bentonitas, Palygorskite-sepiolite, y Common Clays, Elsevier, Amsterdam, 2006

17 P. Prusti y K. Barik, Mater. Hoy: Proc., 2020, en prensa, DOI: 10.1016/ j.matpr.2020.03.118

18 M. E. H. Shalabi et al., J. Ore Dressing, 2009, 11, 25

19 V. V. Zaikova et al., Refractories, 1974, 15, 673

20 G. R. Alther et al., Gestión de residuos (Ámsterdam), 1996,15, 623

21 R. E. Grim, Mineralogía de arcilla, 2º ed, McGraw-Hill, Nueva York, 1968

22 H. Moazed y T. Viraraghavan, Energ. Fuentes, 2005, 27, 101

23 R. E. Grim, Mineralogía de arcilla, 2º ed, McGraw-Hill, Nueva York, 1968

24 H. Moazed y T. Viraraghavan, Energ. Fuentes, 2005, 27, 101

25 J. Sobti y S. K. Singh, Int. J. Geotech. Eng., 2017, 411, 1

26 J. Sobti y S. K. Singh, IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2017, 225, 12091

27 J. Sobti y S. K. Singh, Int. J. Geotech. Eng., 2019, 13, 411

28 Y.-G. Chen et al., Adv. Civ. Eng., 2019, 1