Reseña

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Aprovechamiento de minerales industriales cubanos en producciones de alto valor agregado

Use of Cuban industrial minerals in productions of high added value


RESUMEN

Se exponen los desarrollos alcanzados por el CIPIMM durante los últimos 5 años en el desarrollo de tecnologías y productos de alto valor agregado a partir de minerales industriales cubanos. Estos minerales incluyen entre otros zeolita, bentonita, paligorskita, turba, roca fosfórica, granate, etc. Estos resultados han permitido la transferencia de tecnología a empresas del grupo Geominsal por ejemplo de la tecnología para la obtención de Agromenas, producto fertilizante órgano-mineral que involucra en su composición varios de estos minerales. La obtención de productos de alto valor agregado de zeolita ha permitido su introducción en el sector del turismo para diversos usos. Actualmente se cuenta con centros demostrativos en los que se muestran los resultados de la aplicación directa de los productos de zeolita, cuya función es promocionar y dar a conocer las bondades de este importante mineral.

Palabras clave: 

Zeolita; bentonita; paligorskita; turba; roca fosfórica; granate.

ABSTRACT

The growths reached by the CIPIMM in the development of technologies and products of high added value from Cuban industrial minerals during the last 5 years are exposed in this work. These minerals include, among others, zeolite, bentonite, paligorskite, peat, phosphate rock, garnet, etc. These results have allowed the transfer of technology to companies of the Geominsal group, for example, the technology for obtaining Agromenas, an organo-mineral fertilizer product that involves several of these minerals in its composition. Obtaining high added value products of zeolite has allowed its introduction in the tourism sector for various uses. Currently there are demonstration centers that show the results of the direct application of zeolite products, whose function is to promote and publicize the benefits of this important mineral.

Keywords: 

Zeolite; bentonite; paligorskite; peat; phosphate rock; garnet.


INTRODUCCIÓN

Los minerales industriales son aquellos que, en función de sus características físicas principalmente, se utilizan en la fabricación de productos, ya sea directamente o con un tratamiento previo.

En Cuba dentro del Programa de Desarrollo de los Minerales Industriales perteneciente al Ministerio de Energía y Minas (MINEM), hasta el momento se han localizado en el país 22 tipos de minerales, los cuales cuentan con diferentes grados de estudio y prioridades diferentes en los programas y subprogramas con vista a elevar el valor agregado con la producción de nuevos productos en usos principales como la medicina, el medio ambiente, la química, etc.

Actualmente se explotan 9 minerales industriales y 6 de ellos por el MINEM y uno en estudio geológico detallado para entrar en explotación que alcanzarían la cantidad de 10, según referidos a continuación:

  • Zeolita

  • Magnesita

  • Bentonita

  • Carbonato de Calcio

  • Cal

  • Arena sílice

  • Fosforita

  • Abrasivos

  • Piedras semipreciosas

La política de GEOMINSAL y del país es potenciar sus producciones y sustituir importaciones, de forma de satisfacer las necesidades de la economía y de la población.

El CIPIMM durante años ha desarrollado la producción de nuevos productos que pudieran emplearse en la economía nacional, local y por la población. Este trabajo tiene como objetivo fundamental, lograr alternativas de utilización de estos minerales antes mencionados debido a sus diferentes propiedades.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Evaluación de la arcilla Paligorskita en la remoción de metales pesados en residuales

En la evaluación de la Paligorskita como posible material natural para tratar residuales con vista a su aplicación en los tratamientos medio ambientales para las salidas a las tecnologías limpias con tenores apropiados de vertimiento al medio, de acuerdo a las legislaciones vigentes. Se estudió su acción frente a metales pesados como Ni, Co, Cu y Pb inicialmente en un rango de concentraciones (25-100) ppm. Sin tratamientos costosos del mineral en la primera fase y de acuerdo a los resultados pasar a mayor complejidad tecnológica en el desarrollo por ello las condiciones valoradas en la etapa son las recogidas en la siguiente tabla.

Tabla 1. 

Condiciones del estudio de remoción de metales en solución

Tiempo contacto, hRelación Sol/sólidoGranulometría mm

  • Concentración de metales. Ppm

  • Ni, Co, Cu, Zn y Pb,

Temp. oC TPN

  • Estático

  • (72 horas )

5

  • -1,25 +0,6 mm, Palyg.

  • -3,0+1.0 mm,

  • zeolita

100,50 y 25 25

  • Dinámico

  • 2m/min

20/1IdemIdem25

Figura 1. 

Eficiencia de remocion de metales en dinámico y estático con Palygorskita

Figura 2. 

Contenido de los metales removidos en la Palygorskita para soluciones 100ppm

Como puede observarse en las gráficas anteriores la remoción de metales (Zn, Cu, Pb, Ni y Co) en concentraciones iniciales de 100 ppm con vista a uso en tratamiento de residuales para un vertimiento en los niveles de concentración adecuados, es de alta eficiencia con un mínimo de 98% para el níquel, lográndose un contenido en el sólido mínimo de 0,03% en el caso del cinc y máximo de 0,062% en el caso del níquel.

El orden de remoción de los metales presentes en igualdad de condiciones fue: Ni>Co>Cu>Pb>Zn.

Es significativo el hecho de la capacidad de intercambio de la arcilla Paligorskita comparada con la zeolita, si tenemos en cuenta que la capacidad de intercambio de las arcillas es prácticamente la mitad de la capacidad de intercambio de la zeolita natural.

El rango de concentraciones estudiadas fue de 100,50 y 25 ppm y el comportamiento de la remoción es directamente proporcional a mayor concentración mayor carga del metal tanto en las condiciones dinámicas como estáticas.

Las condiciones de remoción dinámicas garantizan eficiencias de remoción ligeramente superiores a las condiciones de carga estáticas.

Evaluación de la arcilla Paligorskita en la formulación de jabones rústicos

Se trabajó de conjunto con la Empresa Súchel en las formulaciones de jabón rústico para empleo en aseo en talleres mecánicos o en la industria en general.

El CIPIMM preparó por molienda fina 100 % bajo 200 mesh, la fracción residual del procesamiento del mineral Paligorskita en granulometría inferior a 0,6 mm con vista a utilizarla como relleno en la confección de jabones destinados a eliminación de grasas y suciedad.

Estos aspectos brindan una alternativa de empleo de este mineral con sus características y propiedades en la formulación de jabones y pastas limpiantes para usos que no exijan alta calidad y apariencia.

Se estudiaron las formulaciones sustituyendo el carbonato de calcio en un 5% con la arcilla. A continuación podemos apreciar el jabón obtenido con la Paligorskita molida con alto grado de detergencia y limpieza, útil para pastas de limpieza.

Figura 3. 

Jabón elaborado con Paligorskita como material relleno sustituto del carbonato

Empleo de la Paligorskita como aditivo a las dietas de animales (mascotas)

Las arcillas naturales son ampliamente utilizadas como base de desarrollo de productos secuestrantes de micotoxinas, empleados en la alimentación de diferentes especies animales, significando protección a la eclosión de bacterias en los alimentos almacenados por el calor y por su porosidad adsorber las toxinas generadas en la descomposición de los alimentos en su proceso digestivo. Se emplean en las formulaciones de las dietas alimentarias en dosis de hasta 5%, logrando con ello abaratar la dieta, mejorar las condiciones del proceso digestivo en pH y tiempo de permanencia en el estómago para un mayor aprovechamiento de los nutrientes y vitaminas presentes en el alimento.

Combinar la masa verde rica en vitaminas y minerales de una planta conjuntamente con el mineral, representa un complemento nutricional como aditivo a la dieta normal que se les da a los animales, en este caso lo valoramos en mascotas.

Empleamos la planta Moringa Oleifera por su riqueza nutricional y el grado de estudio de la misma como fuente de alimento valioso en diferentes países desde tiempos remotos como en la india que aprovecha el árbol en su totalidad.

El procedimiento de formulación desarrollado con la Paligorskita micronizada 100% bajo 0,074 mm comprende su combinación con una planta verde portadora de nutrientes, vitaminas y compuestos de alto valor energético la moringa. El procedimiento consistió en secar por oreo la planta y pulverizarla, a partir de la cual se formuló el producto con un 50 % moringa y un 50 % de la arcilla, debidamente mezclada y homogenizada. A continuación se muestran imágenes del alimento con aditivo o sin él y de la mascota (canario).

Figura 4. 

Alimento alpiste, agregado de paligorskita+moringa, mascotas canarios

Resultados de la evaluación en las dietas con canarios

Los canarios son pájaros muy activos, y con la aplicación del producto ningún dueño refiere haber alterado su forma diaria.

A los machos el alimento se les suministró poco a poco hasta alcanzar la dosis de 5% de la dieta diaria, según recomendaciones de los dueños, debido a que un cambio o adición brusca de la comida implica que dejan de cantar y mudan fuera de temporada. De esta forma paulatina de incorporar el alimento se evitaron estas consecuencias, por lo que no se observaron.

El peso reportó cambios sustanciales, solos en un ejemplar cobre donde se ha visto un aumento ligero del peso pero en incremento.

La socialización con los demás pájaros es un parámetro relativo en la especie dado que entre los machos y hembras es normal el acercamiento no siendo así entre machos y machos, aunque en aquellos que están en una misma jaula no se observaron cambios.

En cuanto a la excreta sí se observa cambio de coloración de carmelita oscuro a carmelita-verde oscuro producto del color propio de la moringa. Las excretas se observaron, al inicio, más secas en tres de los 5 ejemplares.

Los pajaritos llevan consumiendo la formulación desde octubre de 2012 y hasta la fecha octubre del 2013 ninguno murió.

Evaluación de la zeolita natural como absorbente de etileno

Se estudió la efectividad de las mezclas del mineral zeolita proveniente de Tasajera (Villa Clara) en su forma natural, así como modificada con NaCl y HCl+KMnO4y +K2Cr2O7 respectivamente, como de la abertura, abscisión de flores y la abscisión de hojas durante su almacenamiento.

Nota: A las soluciones residuales de KMnO4 y K2Cr2O7 se les añadió ZN para que fueran absorvidas, luego la zeolita cargada se sometió al secado ambiental para que perdiera la humedad y se resepcionó para utilizarla en futuras investigaciones.

Los resultados mostraron que la ZN; ZNa+ + KMnO4 y ZH+ + KMnO4; compiten con la muestra PATRÓN luego de trascurridas 72 horas, la ZN + KMnO4 no mostró buenos resultados, ya que la flor sumergida en donde se encontraba esta mezcla, comenzó a abrirse a partir de las 48 horas.

En las figuras 5, 6, y 7 se muestran las imágenes de las flores a las 24, 48 y 72 horas, observándose que las que mejores resultados presentaron en cuanto a no abrirse rápidamente, fueron las que estaban sumergidas con la mezcla de ZNa+ + KMnO4.

Figura 5. 

24 horas

Figura 6. 

48 horas

Figura 7. 

72 horas

Modificación de la zeolita con Zn, Cu y Ag para su evaluación en las industrias médico-farmacéuticas

Se realizaron las modificaciones estructurales de la zeolita con los iones de Cu, Zn y Ag, según los procedimientos desarrollados en el CIPIMM.

La zeolita modificada fue enviada al Departamento de Investigaciones Médico Militares (DIMM), perteneciente al Hospital Militar Central “Dr. Luis Díaz Soto”. De las muestras entregadas han sido evaluadas, para ensayos preclínicos, en el Centro de Estudios para las Investigaciones y Evaluaciones Biológicas (CEIEB) perteneciente al Instituto de Farmacia y Alimentos (IFAL) las zeolitas modificadas con cinc y cobre.

A las muestras de zeolita cinc se les evaluó la toxicidad dérmica aguda, irritabilidad oftálmica y efecto sensibilizante, los resultados indicaron que no es toxica para la piel, siendo ligeramente irritante para los ojos. Además se le realizó el ensayo de cicatrización mostrando resultados negativos. A la zeolita cobre además de los ensayos mencionados anteriormente se le realizó fototoxicidad, toxicidad aguda oral, cicatrización y actividad hemostática mostrando en todos excelentes resultados.

Evaluación de la zeolita como polvo para huellas dactilares

Según los resultados emitidos por el Laboratorio de Criminalística, del empleo de los polvos de ciclón como polvo para detectar huellas dactilares, muestra ser un producto idóneo para este fin, ya que presenta las mencionadas características físicas que deben tener este tipo de polvos.

Este trabajo generó una patente conjunta entre el CIPIMM y el Laboratorio de Criminalística, ya que anterior a este estudio, la zeolita natural pulverizada, no se empleaba como polvo para detectar huellas dactilares.

Empleo de la zeolita modificada para el ablandamiento de agua

La zeolita natural es modificada a la forma sódica mediante el mecanismo de intercambio iónico con una solución de cloruro de sodio. Al ponerla en contacto con el agua dura, esta intercambia los iones sodio por el calcio y el magnesio presentes en el agua, lo que disminuye su dureza considerablemente. El agua blanda obtenida puede ser utilizada por ejemplo, para el lavado doméstico de ropas, lo que garantiza una disminución en el consumo de detergente durante el lavado.

A nivel de lavado se realizó una cinética de ablandamiento de agua, que permitió realizar un escalado para obtener las dimensiones de una columna semindustrial para lo que se utilizó criterios de escalado.

Las condiciones asumidas para el escalado se muestran en la tabla VIII.

Tabla 2. 

Condiciones establecidas para el escalado

Flujo de entrada de agua a la columna (l/h)5
Tiempo de saturación de la zeolita a escala semindustrial (h)12h/día * 3 días = 36

Los resultados de las expresiones matemáticas del escalado son los siguientes:

 

(3) Bal=Bap0,629
(4) Dcolumna (m)0,101
(5) τ (h)0,461
(6)ρzeolita = Mz/Vz (kg/m3)1084,619
(7) Hz=τ*Bap (m)0,2901
(8) Vc= Hz*Ap (m3)0,0041
(9) Hl (nueva altura del lecho) (m)0,5221
(10) Hcolumna industrial (m)0,6265
(11) Mzeolita industrial (kg)4,5

Las dimensiones de la columna escalada se pueden observar en la tabla 3.

Tabla 3. 

Principales resultados del escalado

Dimensiones columna semindustrialDiámetro Interior (cm)Altura de zeolita (cm)Altura columna (cm)Masa zeolita (kg)
1052634,5

En el funcionamiento de la columna se utilizó 5 kg de zeolita sódica como margen de error para garantizar la obtención del agua blanda. En la figura 8 se muestra la instalación donde se obtuvieron 120 l de agua blanda.

Figura 8. 

Instalación para ablandamiento de agua escala semindustrial.

Se determinó la dureza del agua a la salida de la columna y en el tanque de almacenamiento. Los resultados aparecen en las figuras 9 y 10 respectivamente.

Figura 9. 

Cinética de ablandamiento de agua salida columna.

Figura 10. 

Cinética de ablandamiento de agua almacenada en tanque.

Se muestra cómo de una dureza inicial de aproximadamente 400 mgCaCO3/l catalogada, según los criterios de clasificación del agua, como agua muy dura al cabo de las tres horas de iniciada la corrida se logra obtener un agua completamente blanda manteniendo la misma hasta que se detiene la prueba a las 26 horas operación.

Pruebas de lavado en lavandería

Se ejecutaron pruebas de lavado de ropas muy sucias en una lavandería particular en la que se lavaron 2 kg de ropa y se empleó un 60% de la dosis del detergente que normalmente emplea el propietario. El lavado se realizó en una lavadora automática con las siguientes condiciones de lavado

Tabla 4. 

Condiciones del lavado de ropa a escala ampliada

CONDICIONESPATRÓNPRUEBA DE LAVADO
Cantidad de ropa2 kg2 kg
Cantidad de detergente107 g64 g
Tiempo de lavado25 minutos25 minutos
Volumen de agua de lavado36 litros de agua común36 litros de agua blanda

El enjuague de la ropa se realizó con agua común. En la figura 11 se muestran imágenes de la ropa sucia empleada en el estudio y la ropa lavada, donde se observa el efecto del uso del agua blanda en el lavado de la misma.