Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

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SEPARACIÓN DE LOS GRUPOS MACERALES DEL CARBÓN EL USO DE FLOTACIÓN EN COLUMNA OLGA PATRICIA GÓMEZ ROJAS TESIS PRESENTADA A LA FACULTAD DE MINAS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE MAGISTER EN INGENIERÍA AREA DE MATERIALES Y PROCESOS DIRECTORES MOISES OSWALDO BUSTAMANTE RUA IMM, DCPME, MSc, DSc INES CARMONA LOPEZ IG, MSc CARBONES UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS MAESTRÍA EN INGENIERÍA AREA DE MATERIALES Y PROCESOS 2006

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SEPARACIÓN DE LOS GRUPOS MACERALES DEL CARBÓN EL USO DE FLOTACIÓN EN COLUMNA

OLGA PATRICIA GÓMEZ ROJAS

TESIS PRESENTADA A LA FACULTAD DE MINAS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL

TÍTULO DE MAGISTER EN INGENIERÍA AREA DE MATERIALES Y PROCESOS

DIRECTORES

MOISES OSWALDO BUSTAMANTE RUA IMM, DCPME, MSc, DSc

INES CARMONA LOPEZ IG, MSc CARBONES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS

MAESTRÍA EN INGENIERÍA AREA DE MATERIALES Y PROCESOS 2006

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CONTENIDO

Pág. LISTA DE TABLAS iv LISTA DE FIGURAS v RESUMEN 1 1. INTRODUCCIÓN 2 1.1 OBJETIVOS 4 1.1.1 Generales 4 1.1.2 Específicos 4 2. ANTECEDENTES 5 3. MARCO TEÓRICO 8 3.1 GENERALIDADES DEL CARBÓN 8 3.1.1 Grupo Maceral de la Vitrinita 10 3.1.1.1 Origen 11 3.1.1.2 Propiedades Físicas 11 3.1.1.3 Propiedades Químicas 12 3.1.1.4 Importancia 13 3.1.2 Grupo Maceral Liptinita 13 3.1.2.1 Origen 13 3.1.2.2 Propiedades Físicas 13 3.1.2.3 Propiedades Químicas 14 3.1.3 Grupo Maceral de la Inertinita 14 3.1.3.1 Origen 15 3.1.3.2 Propiedades Físicas 16 3.1.3.3 Propiedades Químicas 16 3.1.3.4 Importancia 17 3.2 FLOTACIÓN ESPUMANTE 18 3.2.1 Introducción General a la Flotación Espumante 18 3.2.2 Usos Industriales de Flotación Espumante 19 3.2.3 Variables Involucradas en el Proceso de Separación por Flotación

Espumante

19 3.3 FLOTACIÓN EN COLUMNA 21 3.3.1 Equipo de Flotación 21 3.3.2 Diseño 22

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3.3.3 Clase de reactivos de Flotación 23 3.4 FLOTACIÓN DE MACERALES 25 4. DESARROLLO EXPERIMENTAL 28 4.1 MATERIAL OBJETO DE ESTUDIO 28 4.2 EQUIPOS E INSTRUMENTACIÓN 28 4.3 METODOLOGÍA 31 4.3.1 Selección y preparación de muestras 31 4.3.2 Análisis petrográficos de carbones 32 4.3.3 Análisis manual de los componentes petrográficos 33 4.3.4 Análisis maceral automático 33 4.3.5 Análisis próximo largo 33 4.3.6 Análisis elemental del carbón 34 4.3.7 Análisis de microscopía electrónica de barrido 34 4.3.8 Análisis de liberación y separación de grupos macerales 34 4.3.8.1 Pruebas de liberación 34 4.3.8.2 Pruebas de flotación 34 4.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS 35 5. RESULTADOS 36 5.1 CARACTERÍSTICAS PETROGRÁFICAS Y FISICOQUIMICAS 36 5.1.1 Características Petrográficas 36 5.1.1.1 Macerales 36 5.1.1.2 Microlitotipos 39 5.1.2 Caracterización Química de los Carbones 41 5.1.2.1 Análisis próximo largo 41 5.1.2.2 Análisis elemental 42 5.1.3 Clasificación y Rango 42 5.2 ANÁLISIS DE LIBERACIÓN 45 5.3 RESULTADOS DE PRUEBAS DE FLOTACIÓN 58 5.3.1 Fase I 58 5.3.1.1 Análisis e Interpretación 60 5.3.2 Fase II 64 5.3.2.1 Análisis e Interpretación 64 5.3.3 Fase III 66 5.3.3.1 Análisis e Interpretación 67 5.3.4 Fase IV 71 5.3.4.1 Análisis e Interpretación 71 6. DISCUSIÓN 75 CONCLUSIONES 79 BIBLIOGRAFÍA 83

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LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 3.1 Subdivisión de los macerales de acuerdo al sistema de clasificación

Stopes-Heerlen

10 Tabla 3.2 Microlitotipos y su composición en grupos de macerales. 18 Tabla 3.3 Métodos y propiedades empleadas para separar partículas. 18 Tabla 4.1 Normas utilizadas para la determinación de los análisis próximos 33 Tabla 5.1 Datos del análisis de petrografía de las muestras originales. 36 Tabla 5.2 Datos del análisis de microlitotipos de las muestras originales. 39 Tabla 5.3 Análisis próximo largo de muestras de carbón en las zonas de

Antioquia, Guajira y Boyacá

41 Tabla 5.4 Análisis elemental de muestras de carbón de las zonas de Antioquia,

Guajira y Boyacá

42 Tabla 5.5 Clasificación Norteamericana para la determinación del rango 43 Tabla 5.6 Componentes de macerales libres y mixtos evaluados en el análisis

de liberación de las zonas de Antioquia, Guajira y Boyacá

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LISTA DE FIGURAS Pág Figura 3.1 Fotomicrografías de macerales del grupo de la vitrinita en luz

blanca reflejada.

12 Figura 3.2 Fotomicrografías de macerales del grupo de la liptinita en luz

blanca reflejada y fluorescente.

14 Figura 3.3 Fotomicrografías de macerales del grupo de la inertinita en luz

blanca reflejada.

16 Figura 3.4 Esquema básico de una columna de flotación 22 Figura 3.5 Efecto del potencial zeta sobre la energía total superficial resultante

de la interacción entre macerales individuales y burbujas de aire

27 Figura 4.1 Columna de flotación 29 Figura 4.2 Fotografías del generador de burbujas “sparger” 29 Figura 4.3 Distribución de los tamaños de granos del generador de burbujas

“sparger”

30 Figura 4.4 Microscopio petrográfico 30 Figura 4.5 Microscopio petrográfico y cámara CCD para adquisición de

imágenes

31 Figura 4.6 Esquema de preparación de muestras 32 Figura 5.1 Diagrama ternario que muestra la distribución maceral (libre de

materia mineral) de tres mantos de carbón de las zonas de Antioquia, Boyacá y Guajira

37 Figura 5.2 Fotomicrografías de macerales, microlitotipos y minerales en luz

blanca reflejada

37 Figura 5.3 Fotomicrografías de macerales, microlitotipos y minerales en luz

fluorescente

38 Figura 5.4 Fotomicrografías de macerales, microlitotipos y minerales bajo luz

reflejada

39 Figura 5.5 Frecuencia relativa de microlitotipos en las zonas carboníferas de

Antioquia, Boyacá y Guajira

40 Figura 5.6 Frecuencia relativa a) contenido de materia volátil, seca libre de

cenizas b) humedad libre de cenizas c) variación de la reflectancia de la vitrinita; en las zonas de Boyacá, Guajira y Antioquia

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Figura 5.7 Esquema de preparación de las muestras de carbón para el análisis de liberación

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Figura 5.8 Fotomicrografías de granos de carbón, en luz reflejada blanca y fluorescente elaboradas empleando diferente tipo de resina

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Figura 5.9 Fotomicrografías de grupos de macerales, en luz reflejada y fluorescente y frecuencia de distribución de tamaño de grano de los macerales de los grupos de liptinita e inertinita

50 Figura 5.10 Fotomicrografías de grupos de macerales, en luz blanca reflejada,

sometidas a diferentes grados de fragmentación.

52 Figura 5.11 Cantidad de componentes libres en función del tamaño de partícula

para cada grupo maceral presente en un manto de la zona de Antioquia.

53 Figura 5.12 Cantidad de componentes libres en función del tamaño de partícula

para cada grupo maceral presente en un manto de la zona de Boyacá.

54 Figura 5.13 Cantidad de componentes libres en función del tamaño de partícula

para cada grupo maceral presente en un manto de la zona de Guajira.

55 Figura 5.14 Comparación de la cantidad de componentes libres en función del

tamaño de partícula para cada grupo maceral presente en las zonas de Antioquia, Boyacá y Guajira.

56 Figura 5.15 Curvas comparativas para los DTP de las muestras de carbón de las

zonas de La Guajira, Boyacá y Antioquia.

57 Figura 5.16 Representación gráfica de la relación de las variables en el proceso

para la fase I

59 Figura 5.17 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en

función del tipo de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8.

60 Figura 5.18 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en

función del tipo de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 11.

60 Figura 5.19 Curvas de recuperación de los grupos macerales de la Guajira en

función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8.

62 Figura 5.20 Curvas de recuperación de los grupos macerales de la Guajira en

función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 11.

62 Figura 5.21 Curvas de recuperación de los grupos de macerales de Boyacá en

función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8.

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Figura 5.22 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 11.

63 Figura 5.23 Representación gráfica de la relación de las variables en el proceso

para la fase II.

64 Figura 5.24 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en

función de pH obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna utilizando colector C1.

65 Figura 5.25 Curvas de recuperación de los grupos macerales de La Guajira en

función de pH obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna utilizando colector C1

65 Figura 5.26 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en

función de pH obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna utilizando colector C1

66 Figura 5.27 Representación gráfica de la relación de las variables en el proceso

para la fase III.

67 Figura 5.28 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en

función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 3.

67 Figura 5.29 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en

función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8.

68 Figura 5.30 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en

función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 3

68 Figura 5.31 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en

función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8

69 Figura 5.32 Curvas de recuperación de los grupos macerales de La Guajira en

función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 3

69 Figura 5.33 Curvas de recuperación de los grupos macerales de La Guajira en

función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8

70 Figura 5.34 Curvas de recuperación acumulada del grupo de la vitrinita de

Antioquia variando la tensión superficial con metanol y NaCl obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna.

71 Figura 5.35 Curvas de recuperación acumulada del grupo de la liptinita de

Antioquia variando la tensión superficial con metanol y NaCl obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna.

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Figura 5.36 Curvas de recuperación acumulada del grupo de la inertinita de Antioquia variando la tensión superficial con metanol y NaCl obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna.

72 Figura 5.37 Fotomicrografías de grupos de macerales, en luz blanca y

fluorescente, resultado de las pruebas de flotación en columna.

74 Figura 6.1 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en

función de los diferentes colectores empleados en las pruebas de flotación en columna a pH 8.

77 Figura 6.2 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en

función de los diferentes colectores empleados en las pruebas de flotación en columna a pH 8.

77 Figura 6.3 Curvas de recuperación de los grupos macerales de la Guajira en

función de los diferentes colectores empleados en las pruebas de flotación en columna a pH 8.

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RESUMEN

El propósito de esta investigación fue determinar las condiciones para la producción de grupos de macerales concentrados, mediante el uso de flotación en columna, este método de separación toma la ventaja de las diferencias de hidrofobicidad reportadas para cada uno de los grupos; los productos de esta separación fueron caracterizados mediante la técnica de microscopia óptica de luz reflejada. Las muestras analizadas corresponden a carbones de las zonas de Antioquia, Guajira y Boyacá, los dos primeros carbones son térmicos y el último coquizable. La micropetrografia de estos carbones muestra que éstos son ricos en vitrinita; la liptinita e inertinita se presentan en proporciones variables en cada una de las muestras. El estudio de liberación determinó que entre 40-50 micras se da una liberación considerable, pero es necesario llevar las muestras a una granulometría por debajo de 5 micras para una completa liberación. Las pruebas de flotación se realizaron empleando diferentes colectores, manipulando el pH y la tensión superficial. El colector que mejores recuperaciones generó es cloruro de alkyl dimetil benzil amonio “flotigram 1123”. La vitrinita (con 80%) y la inertinita (con 90%) que mejor se recuperó fue la de Antioquia, a pH 8, variando la tensión superficial, mediante la adición de metanol; la liptinita, con un 80% alcanzó su máxima recuperación en las zonas de La Guajira y Boyacá a pH 8 y 10 respectivamente.

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1. INTRODUCCIÓN

Los carbones son rocas sedimentarias heterogéneas tanto en su composición orgánica (macerales) como inorgánica (minerales). (Ramírez, 1988). Los componentes orgánicos se clasifican en tres grupos, vitrinita, liptinita e inertinita, de acuerdo a sus propiedades físico-químicas. La fracción mineral está representada por carbonatos, arcillas, sulfuros, óxidos…etc. Los carbones, aún los de un mismo rango, pueden mostrar diferencias físicas, químicas y tecnológicas. Estas diferencias son marcadas en los carbones de bajo rango pero van disminuyendo a medida que aumenta el rango hasta casi desaparecer en la meta-antracita. (Ramírez, 1988) Tradicionalmente se han realizado estudios encaminados a la remoción de la materia mineral asociada al carbón, con fines de mejorar los procesos de combustión y disminuir la contaminación ambiental producida por la emisión de elementos traza (que produce la lluvia ácida como: CO y NOx) en orden de optimizar la utilización del carbón y minimizar las consecuencias ambientales de la combustión del carbón. Aunque estos primeros estudios benefician su valor agregado, éste sigue siendo muy inferior, si se tiene en cuenta el potencial y los diferentes usos que podría tener cada grupo maceral. Por ejemplo, las liptinitas son más aptas para los procesos de licuefacción (Barraza and Cloke, 1998) y las inertinitas dan mayor eficiencia en los procesos de activación y gasificación (Honakrer et al, 1995), en cambio estos macerales no son tan eficientes en la combustión y de acuerdo a Xinqian et al. (2002) disminuyen el poder de aglutinación de los carbones reduciendo su capacidad de coquización. Por lo anterior y dado que las oportunidades que más prometen necesitan de los procesos de refinación del carbón -entendiéndose por refinación los procesos que involucran tanto la separación de la materia mineral como la concentración de los componentes básicos del carbón- con miras de obtener productos con mayor valor agregado se justifica adelantar estudios de caracterización y beneficio de los carbones colombianos, llegando inclusive a incurrir en procesos de micro separación de los diferentes componentes o fases orgánicas del carbón, lo que va más allá de un simple

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enriquecimiento macroscópico, como tradicionalmente ha ocurrido en pro del desarrollo y consolidación de una minería más competitiva en el ámbito mundial. Además, se espera que los resultados de esta investigación sean la base para estudios en la parte de carboquímica relacionados con los productos derivados del carbón y desde el punto de vista académico, obtener información fundamental sobre la composición y características físico–químicas y petrográficas de los carbones, con especial énfasis hacia la separación de sus componentes y posteriores usos en un escenario de materiales energéticos de alto valor agregado y de fuerte interés tecnológico y científico. Esta investigación busca determinar condiciones para la recuperación de cada grupo maceral y establecer como estas separaciones se pueden ver afectadas. La metodología que se realizó involucra la caracterización fisicoquímica y petrográfica, los análisis de liberación y por último las pruebas de separación por flotación en columna (esta última técnica aprovecha las diferencias en la hidrofobicidad que reportan para cada grupo). Los productos del análisis de liberación y de separación por flotación se analizaron mediante la técnica de microscopia óptica. Cabe destacar además que la separación de los componentes orgánicos no se está llevando aun a nivel industrial, pero si son varios los esfuerzos que se están realizando con este fin a escala laboratorio, con miras de evaluar las características de este recurso y todo su potencial. La principal desventaja de este proceso es, llevar el carbón a una granulometría tan fina para su liberación y posterior separación. La pertinencia de la investigación en un escenario colombiano está basada en que es importante tener presente que cada carbón tiene un comportamiento particular y tiene características propias, por lo cual, no se puede extrapolar los resultados obtenidos en las investigaciones que se han realizado en otros países pero éstas si nos permitirán identificar algunas de las variables y de las dificultades que podemos tener en el proceso de separación.

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1.1 OBJETIVOS

1.1.1 Generales

Separar los componentes del carbón, enriqueciendo las corrientes en cada uno de los grupos macerales, mediante procesos de adsorción selectiva de tensoactivos en una columna de flotación a escala de laboratorio.

1.1.2 Específicos

• Seleccionar muestras a analizar

• Caracterizar petrográficamente los carbones, definiendo: macerales, microlitotipos y contenido mineralógico.

• Clasificar los carbones con base en rango y tipo.

• Implementar un método para la separación de los componentes del carbón.

• Determinar como los porcentajes de cada uno de los constituyentes del carbón y

su asociación afectan el proceso de separación.

• Evaluar la separación con adsorción específica de tensoactivos

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2. ANTECEDENTES

Los primeros reportes de investigaciones en el mundo sobre separación de macerales datan de 1959 por Goloushin, aunque en 1933 R. Thiessen discutía sobre la necesidad que había de llegar a un mejor conocimiento del carbón, el cual permitiera dilucidar los factores que lo hacían un material tan complejo, para lo cual proponía dividirlo en subunidades más simples o subsistemas que pudieran definirse y estudiarse. (Dyrkacz, G.R. et al 1982). Allan reportado por Dyrkacz, et al. (1982) intenta en Inglaterra la separación de los constituyentes del carbón por medio de trituración selectiva y medios densos; esta técnica era aplicada a carbones con un alto porcentaje en uno de sus constituyentes por ejemplo vitrinita en vitreno, fusinita en fuseno etc. El método es sencillo, pero era necesario realizar varios ciclos para obtener material puro; además, se obtiene recuperaciones bajas cuando se presenta una amplia distribución, en la proporción de cada grupo maceral en la muestra de carbón. Los aspectos relacionados con la separación y uso del carbón hasta 1980 son pobremente reportados, por lo tanto, muchos de los errores y parámetros para la separación son hasta entonces desconocidos. A comienzo de los 80 se crean programas orientados al estudio de la separación de los grupos macerales del carbón y así nace el programa de la división química de Argonne en Illinois, Estados Unidos; e inician sus primeras investigaciones utilizando técnicas de separación por centrifugación con medios densos aprovechando las diferencias de densidad de los componentes (ver capitulo 3). Este procedimiento ya había sido empleado para la separación de proteínas y componentes celulares. (Dyrkacz and Horwitz. (1982)). La separación con medios densos en primera instancia utiliza dos métodos para desmineralizar las muestras con el fin de obtener resultados más eficientes; uno químico, atacando con HF y HCl y otro físico empleando la técnica de medios densos “sink-float”. Dos obstáculos principalmente se presentaron, el reconocimiento de los macerales cuando se llegaba al límite del tamaño (debido a la molienda) que puede ser reconocido en el microscopio <10 µm; y la agregación de las partículas finas. Este programa concluye que la densidad es por si misma un buen parámetro para predecir el orden de separación de

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macerales pero se ve afectada por una serie de condiciones como son: el rango del carbón, la variación maceral, minerales residuales, el contenido de hidrógeno y nitrógeno en el carbón. Este método daba buenos resultados pero a muy pequeña escala. (Dyrkacz and Horwitz. (1982)) Hower, et al. 1984 y Tempelmeyer et al. 1990 intentan la separación de los macerales utilizando concentradores magnéticos y electroestáticos respectivamente, dando una recuperación de la vitrinita inferior al 30%. (Honaker, et al. (1995)) En 1989 Choi, et al. Estudian las propiedades superficiales de las partículas que afectan los procesos de separación cuando se utilizan métodos de floculación y flotación (técnicas que reemplazarían las existentes). Para su análisis, utilizaron carbones en rangos que van desde subituminosos hasta antracita, los resultados se examinaron utilizando Resonancia Magnética Nuclear (NMR). Estos autores concluyen que los tensoactivos son adsorbidos por los carbones y los macerales hasta que el área superficial es saturada o la concentración micelar es alcanzada; y la cantidad adsorbida es diferente para muestras de distinto rango, siendo mínima en carbones bituminosos altos en volátiles y mayor en carbones subituminosos o antracíticos. Miller, et al., (1992 y 1994 en Honaker et al., 1996) recupera resinitas de los carbones de Oeste de Estados Unidos aumentando la proporción de 7% a 80%, con una recuperación del 95% en un tamaño de -75 micras. Honaker, et al. (1995), aprovechando las grandes diferencias entre las propiedades superficiales de hidrofobicidad y de aspectos electroquímicos de los macerales, intentan la separación de sus grupos utilizando una columna de flotación. La producción de carbones enriquecidos en sus grupos de macerales usando flotación fue basada en las diferentes tasas de flotabilidad e hidrofobicidad de los macerales, los cuales son manipulados ajustando el pH del medio. Cuando el pH se incrementaba entre 8-11 se reducía la tasa de flotación de los macerales del grupo de la liptinita, mientras la reducción de la inertinita fue del 50% y la vitrinita no presentaba cambios. Este estudio les permitió concluir que la flotabilidad de los macerales es dependiente de los valores del pH y de la actividad química superficial de cada uno de ellos.

Cloke et al. 1997, mediante estudios a escala piloto, utilizando flotación espumante en celda convencional y columna de flotación, compara la muestra original y carbones enriquecidos en vitrinita durante la conversión de carbón en combustible líquido (licuefacción del carbón). Los resultados muestran un incremento en la conversión, lo cual indica que un enriquecimiento en este maceral es efectivo en la producción de combustible líquido.

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A comienzos del año 2000, la Universidad técnica de Estambul (Turquía) presenta un nuevo esquema de flotación en celda convencional, para la recuperación de partículas finas del carbón, utilizando un aditivo durante la molienda en seco. Estos autores afirman que los carbones aunque son de naturaleza hidrofobica, en algunos de sus rangos especialmente bajos (atribuido a la presencia de grupos que contienen oxígeno como OH y carboxil), son inherentemente hidrofílicos, lo cual concluyen a partir de la pobre flotabilidad de uno de sus carbones de la región de Soma. La flotabilidad de los carbones fue mejorada calentando el carbón en un intervalo de temperatura entre 300-600°C acompañado por el aditivo, lo cual permitió una recuperación de 22.1 a 89.9%. (Ateşok and Çelik, 2000) Shu et al. 2002, proponen mediante separación por flotación convencional o métodos químicos refinar los carbones de China, ya que el porcentaje de inertinitas en estos carbones oscila entre un 30-70% en volumen, y de acuerdo con las investigaciones realizadas, éstos componentes disminuyen su capacidad de coquización, limitando la utilización de estos carbones en el mercado del coque. Concluyen mediante los análisis realizados de FTIR, elementales, potencial zeta y de hidrofobicidad a carbones ricos en fuseno y vitreno que es posible separarlos mediante los procesos de flotación. En el ámbito nacional, Piñeres (2003) mediante una columna de flotación beneficia muestras de carbón provenientes de la cuenca del Cauca y Valle obteniendo una reducción significativa del contenido de ceniza y azufre, y una recuperación de las vitrinitas hasta un 90%.

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3. MARCO TEORICO 3.1 GENERALIDADES DEL CARBÓN El carbón es un combustible orgánico no homogéneo, originado principalmente a partir de restos de materia vegetal en descomposición; compuesto químicamente por oxígeno, hidrógeno, carbono, nitrógeno, azufre y materia mineral. La materia orgánica se transforma durante el proceso de carbonificación con el incremento de la temperatura; el grado de transformación es lo que se conoce como rango y va desde turba hasta antracita. (Stach, et al,. 1982) Los ambientes de formación del carbón fueron escenarios compuestos por sistemas químicos y biológicos complejos, al interior de los cuales suceden diferentes procesos, regidos por los distintos factores interdependientes que lo caracterizan, éstos son: la flora, la hidrología, el clima, el régimen de depositación y la posición geográfica y estructural de la región, las cuales favorecen la generación de la turba y su posterior evolución termal. Por lo tanto las condiciones de formación de los carbones son específicas dentro de una cuenca de depositación y esto va a determinar las características propias de cada carbón. (Taylor et al,. 1998) Las facies del carbón (relacionadas con la génesis primaria) son representadas a través de los litotipos, microlitotipos, macerales y contenido mineralógico, así como también a partir de sus propiedades texturales y químicas. Estas facies dependen de los ambientes en los cuales se origino la turba; la mayoría de estas características son analizadas al microscopio; ciertas propiedades químicas, son independientes del rango (por ejemplo los contenidos de sulfuros, nitrógeno… etc.) mientras otras como las proporciones de H/C son muy dependientes. (Taylor et al,. 1998). El termino litotipo es usado para describir la apariencia macroscópica del carbón en una sección expuesta (mina, pila) la cual va a depender mucho de las proporciones de macerales que estén presentes en ella. Los componentes orgánicos que pueden ser reconocidos en el microscopio son llamados macerales, este término fue primero introducido por Stopes (1935) para referirse a los fragmentos de origen vegetal que son acumulados bajo el agua. La palabra maceral incluye unidades biológicas complejas, representadas por bosques, los cuales son

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depositados en pantanos acuosos y parcialmente descompuestos y macerados durante los procesos de formación del carbón. (Taylor et al,. 1998). Spackman (1958 en Scott 2002) define maceral como “sustancia orgánica o agregado ópticamente homogéneo de sustancias orgánicas, que tienen distintas propiedades físicas y químicas y ocurren naturalmente en materiales sedimentarios, ígneos y metamórficos de la tierra”; sin embargo Scott (2002) considera que además se debe tener en cuenta el material de origen animal que puede ser incluido en la turbera durante el proceso de depositación. Algunos macerales representan, al menos parcialmente, los remanentes de formas y estructuras de las plantas que han sido preservados en carbones y otras rocas; otros en cambio son productos de degradación, algunos de los cuales se encuentran tan alterados que su origen, no puede ser determinado. Como se dijo anteriormente, los macerales se identifican microscópicamente y por lo tanto es necesario caracterizarlos en términos de sus propiedades ópticas como reflectancia, fluorescencia, color y forma. De acuerdo a sus propiedades ópticas los macerales se dividen en tres grupos vitrinita, liptinita e inertinita (ver tabla 3.1) con características fisicoquímicas diferentes, las cuales permiten que estos grupos se comporten de manera diversa en varios procesos químicos y que puedan ser utilizados de manera selectiva. La vitrinita es el producto de carbonificación de sustancias húmicas, las cuales se originan esencialmente de lignina y celulosa de las paredes celulares de las plantas, se caracteriza por tener una fracción aromática alta, lo mismo que un alto contenido en oxígeno. (Taylor et al,. 1998). La liptinita está relacionada a remanentes de plantas ricas en hidrógeno como polen, esporas, resinas, ceras y grasas; se diferencian de las vitrinitas por que presentan un contenido mayor de hidrógeno y una relativa fracción alifática más alta. (Taylor et al,. 1998). La inertinita se caracteriza por tener un contenido alto de carbono y bajo en oxígeno e hidrogeno; debido al incremento del nivel de aromatización. Muchas de las inertinitas se han derivado de hongos o de las mismas sustancias de la planta original de la cual se forman los otros dos grupos, pero ellas han experimentado una transformación primaria (incendios forestales, oxidación primaria). (Taylor et al,. 1998).

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3.1.1 Grupo Maceral de la Vitrinita El término vitrinita fue introducido por Stopes (1935) para denotar a los constituyentes reconocibles microscópicamente de los carbones de rango medio. Este término equivale a huminita en carbones pardos (carbones de bajo rango). (ICCP 1994) Tabla 3.1 Subdivisión de los macerales de acuerdo al sistema de clasificación Stopes-Heerlen (ICCP 1971, 1975,1985)

GRUPO MACERAL

SUBGRUPO MACERAL MACERAL

VARIEDAD MACERAL

Telovitrinita Telinita Cordaitotelinita Colotelinita Fungotelinita Xylotelinita Detrovitrinita Vitrodetrinita Lepidofitotelinita Colodetrinita Sigilariotelinita Gelovitrinita Corpogelinita

VITRINITA

Gelinita Esporinita Tenuiesporinita Crasiesporinita Microesporinita Macroesporinita Cutinita Resinita Alginita Pila-alginita Reinschia-alginita

LIPTINITA

Liptodetrinita Fusinita Semifusinita Funginita* Secretinita* Macrinita Micrinita

INERTINITA

Inertodetrinita * modificado por ICCP 1994 (2002). La vitrinita incluye a un grupo de macerales de color gris y reflectancia media, conformado por tres subgrupos macerales y 6 macerales (tabla 3.1), derivada de material húmico de las plantas. La vitrinita ocurre en el carbón como:

a- Capas relativamente puras o lentes de variado espesor (desde diversos micrómetros a varios centímetros)

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b- Fases continúas de grandes masas de carbón.

c- Masas amorfas rellenando cavidades, poros y fisuras.

3.1.1.1 Origen La vitrinita se deriva de la parenquimia y tejidos finos de raíces, tallos, corteza y hojas compuestas de celulosa y lignina, originadas a partir de plantas herbáceas y arborescentes. (Taylor et al,. 1998). Dependiendo del nivel de descomposición, el grado gelificación (cambios físico-químicos de la turbera), y el rango, sus estructuras pueden ser preservadas o no; los macerales de este grupo son definidos por las diferentes estructuras que resultan de las diversas fuentes de esta materia orgánica y las vías de transformación dentro de los pantanos. (ICCP, 1994) 3.1.1.2 Propiedades Físicas Color y Reflectancia Ambas propiedades cambian progresivamente con el rango, el color es pardo grisáceo en carbones de bajo rango (lignitos) y sedimentos termalmente inmaduros; son de color gris claro (figura 3.1) a blancos en carbones de rango medio a alto. La medida aleatoria de la reflectancia sobre este rango de color es aproximadamente 0.5 a 1,6. El valor limite inferior ha sido tomado como el valor para separar carbones de rango medio (bituminosos) y bajo. La reflectancia también incrementa con el rango y puede variar debido a diferencias en el origen de los macerales, cambios en la diagénesis o influencias termales secundarias. En rangos del carbón mayores al rango medio la reflectancia de la vitrinita puede ser sobrepasado por la reflectancia de la liptinita, y en rangos más altos (› 4.0) la reflectancia de la vitrinita y la liptinita pueden exceder a la inertinita. ICCP, 1994) Fluorescencia El color y la intensidad varían entre los macerales de este grupo, aunque dependen también del rango y el grado de bituminización (absorción de sustancias como el petróleo). El rango de colores va desde anaranjado a rojo parduzco (ICCP, 1994)

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Dureza La vitrinita es blanda y no tiene relieve (excepto la corpogelinita); su superficie en sedimentos es lisa. Densidad Los rangos de densidad para la vitrinita oscilan entre 1.27 y 1.30 g cm-3 (Cloke, et al., 1997) 3.1.1.3 Propiedades Químicas La vitrinita es caracterizada por tener un contenido alto en oxígeno comparado con los macerales de los otros dos grupos. La composición elemental depende del rango y oscila así: Carbono: 77-96% Hidrógeno: 6-1% Oxigeno: 16-1% El contenido de carbono incrementa, y el oxígeno decrece durante la carbonificación; la vitrinita es rica en estructuras aromáticas (Given P. H., 1960 en ICCP 1994). La aromaticidad incrementa con el rango desde 70% C en cadenas aromáticas en carbones subbituminosos a 90% de C en antracitas. La concentración de heteroatomos (O,N,S) decrece con el incremento del rango, los grupos funcionales son –COOH, -OH, ›C=O, -C-O-C; N, ocurren muchas veces como aminas, y S como tioles y sulfuros en anillos heterocíclicos (Tissot, B. P. and Welte, D. H., 1984 en ICCP, 1994)

a) b) Figura 3.1 Fotomicrografías de macerales del grupo de la vitrinita en luz blanca reflejada; a) banda homogénea de vitrinita (V); b) banda homogénea de vitrinita asociada a inertinita (I).

V

V

L

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3.1.1.4 Importancia Siendo el componente mayoritario de muchos de los carbones, las propiedades de la vitrinita afectan los procesos en los cuales el carbón es utilizado. En carbones de rango medio son fácilmente fusibles durante la carbonificación, y estas propiedades influyen en los productos de hidrogenación y combustión. (Bengtsson, M. 1984 en ICCP, 1994). La oxidación durante el almacenamiento causa deterioro de la calidad de la vitrinita incluyendo la termoplasticidad en el caso de los bituminosos. La vitrinita es la mayor fuente de gas natural de origen primario. ICCP 1994 3.1.2 Grupo Maceral Liptinita Durante los procesos de transformación, los precursores de este grupo son relativamente estables (comparados con la vitrinita), es por ésto que los mismos nombres pueden ser utilizados para los macerales del grupo de la liptinita desde turba hasta bituminosos. (Taylor et al,. 1998). 3.1.2.1 Origen Teichmuller (1989 en Scott 2002) reconoce que las liptinitas no solamente son derivadas de órganos de las plantas ricos en hidrógeno – como polen, resinas, ceras, bálsamos, látex, grasas y aceites -, sino además de productos de descomposición a partir de la degradación bacterial de proteínas, celulosa y otros carbohidratos, este grupo se caracteriza por tener un amplio rango de características morfológicas y por originarse de varias partes de las plantas; algunas provienen de sus cutículas y capas cuticulares, originadas a partir de ácidos grasos y ceras; además se deben tener encuenta los restos de origen animal que pueden encontrase en el carbón y que rara vez es discutida sus características morfológicas (Scott 2002). 3.1.2.2 Propiedades Físicas Color y reflectancia Ambas propiedades permanecen iguales durante casi todo el proceso de carbonificación, este grupo se caracteriza por ser de color gris oscuro a negro y por tener la más baja reflectancia de los tres (Taylor et al,. 1998).

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Fluorescencia Esta es la principal característica que diferencia este grupo de los demás, las mediciones de fluorescencia van disminuyendo con el rango. (Taylor et al,. 1998).

a) b) Figura 3.2 Fotomicrografías de macerales del grupo de la liptinita (L). (a) En luz reflejada y (b) En luz fluorescente embebida en una matriz de vitrinita (V). Densidad Para Dyrkactz, et al., (1984) los rangos de variaciones de densidad de este grupo son debido a la diferente naturaleza de su fuente y al rango del carbón. Este grupo se caracteriza por presentar los valores mas bajos de densidad, los cuales se encuentran según Cloke, et al., (1997) alrededor de 1.23 g cm-3 algunas veces con valores de 1.06 a 1.15g cm-3 dentro de un mismo tipo de maceral (por ejemplo resinitas). 3.1.2.3 Propiedades Químicas Las liptinitas contienen comparativamente grandes cantidades de constituyentes alifáticos y bajas proporciones de grupos OH y enlaces C-O. Dyrkactz, et al., (1984). 3.1.3 Grupo Maceral Inertinita El término inertinita se debe a que los constituyentes son más inertes que los de los grupos de la vitrinita y liptinita, particularmente en procesos de carbonificación; sin embargo en los últimos años se ha logrado comprobar que no todos los macerales de

L

L

V

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este grupo son totalmente inertes ya que algunos contribuyen significativamente a la fusión del carbón (ICCP, 2001). A diferencia de los macerales del grupo de la vitrinita, los macerales de este grupo pueden ser definidos utilizando la misma nomenclatura durante todo el proceso de carbonificación, desde turba hasta meta antracita. (Taylor et al,. 1998). La inertinita es un grupo maceral que se caracteriza por presentar una reflectancia mayor en carbones de rango bajo y medio en comparación a los otros dos grupos del carbón; no obstante, el grupo de la vitrinita puede llegar a excederlo cuando se alcanza una reflectancia cercana a 5%. Respecto a la fluorescencia, la inertinita también se caracteriza por una baja o ausencia total de esta propiedad. La forma y el grado de preservación de la estructura celular varían con el origen y con su historia pos-depositacional. (ICCP, 2001). 3.1.3.1 Origen Su origen ha sido controversial, se cree que sus precursores químicos y botánicos son los mismos que originaron el grupo de la vitrinita –lignina y celulosa de los tejidos de las plantas- sin embargo estos constituyentes experimentaron una historia diferente, denominada fusinitización, lo cual se define como el proceso de producción de sustancias con alto contenido de carbono y bajo hidrogeno (ICCP, 2001). A partir del estudio de estos componentes se han dado importantes debates en los últimos años (Scout (1989, Jones et al., 1991, Taylor et al. 1998) para tratar de comprender el papel que realiza el fuego sobre los tejidos de las plantas. Scout (1989 en Scott 2002) señala que el litotipo fuseno (rico en inertinita) de los carbones, probablemente representa el carbón de leña fósil formado por la quema de los tejidos de la planta durante incendios forestales. Por otro lado, Jones et al., (1991) demuestra que el aumento de la temperatura causa un incremento en los resultados de la lecturas de reflectancia; mientras que otros estudios han propuesto que la diferencia de las características de este grupo maceral se debe a que los tejidos sufren ataque de fuego, ataques bacteriales y desecación antes de su depositación o sobre la superficie de la turba oxidación Taylor et al. (1998). Otra fuente de inertinita, reconocida por Taylor et al. (1998) son las paredes celulares de hongos y de sus productos de degradación.

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3.1.3.2 Propiedades Físicas Nivel de gris y reflectancia Los colores de este grupo maceral van desde gris, blanco grisáceo a amarillo blancuzco en los más altamente reflectantes (› 6%). Los niveles de grises mostrados por los macerales de la inertinitas son más una expresión de las condiciones de depositación que del grado de carbonificación. La reflectancia depende primero de la composición química de sus diferentes componentes (ICCP, 2001). Fluorescencia Pueden algunas veces mostrar una débil fluorescencia, aunque comúnmente se caracteriza por no presentarla. Densidad Los intervalos de densidad para este grupo según Cloke, et al. (1997), se ubican entre 1.40 y 1.55 g cm-3. 3.1.3.3 Propiedades Químicas. en relación a los otros grupos de macerales la inertinita se caracteriza por un alto contenido de carbono y un bajo contenido de hidrogeno y oxigeno. Van Krevelen DW, (1993 en ICCP, 2001). El contenido de carbono depende del origen del maceral específico y/o de los procesos de disecación/redox que los macerales sufren durante la turbificación.

a) b) Figura 3.3 Fotomicrografías de macerales del grupo de la inertinita (I) en luz blanca reflejada. a) tejido parcialmente preservado del grupo de la inertinita (I), en una matriz de vitrinita (V); b) Inertinitas (I) y liptinitas (L) en una matriz de vitrinita (V).

I I

I

LV

V

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3.1.3.4 Importancia La inertinita es común en muchos carbones, aunque algunos son muy pobres en este componente, una proporción alta puede promover la formación de polvo durante la minería. (ICCP, 2001). Durante la coquización, la inertinita reactiva depende de las características de los diferentes macerales y del rango. La heterogeneidad de los diferentes macerales, el tamaño de grano e intercrecimiento influyen sobre la reactividad (Rentel, 1987 y Varma, 1996). La baja reflectividad y fluorescencia la hace parcial o totalmente fusible durante la carbonificación, mientras la ausencia de fluorescencia la hace infusible (Diessel, 1987, Kruszewska, 1989, ICCP, 2001). Por otro lado, la inertinita parcialmente fusible e infusible ayuda en las mezclas de carbón mejorando la coquización cuando son finamente dispersados (ICCP, 2001). Un óptimo contenido de inertinita es benéfico en la obtención de un coque resistente y estable (ICCP, 2001). Por otro lado, la resistencia del coque es también afectada por el tamaño de la inertinita en la mezcla. El coque generado a partir de carbones con alta proporción de inertinita da alto índice de reactividad (ICCP, 2001). Contrario a lo anterior Shu et al. (2002), concluyen que un alto contenido de inertinita puede disminuir el poder de aglutinación de los carbones, generando una gran limitación en la utilización del carbón en el mercado del coque. A la asociación de estos grupos de macerales se les denomina microlitotipos. Los microlitotipos pueden ser divididos en tres, monomaceral, bimaceral o trimaceral, dependiendo de si se asocian con uno, dos o tres grupos de macerales. (Taylor et al,. 1998). Cada microlitotipo se divide en grupos de microlitotipos según el predominio de uno u otro grupo maceral (tabla 3.2). Las mezclas de minerales en los microlitotipos se denominan carbomineritas; si la proporción de minerales es mayor al 60% (en el caso de arcillas, carbonatos, cuarzo) o pirita superior al 20%, las asociaciones reciben el nombre de mineritas. (Taylor et al,. 1998).

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Tabla 3.2 Microlitotipos y su composición en grupos de macerales. *

COMPOSICIÓN MACERAL (Libre Materia mineral)

COMPOSICIÓN GRUPO MACERAL MICROLITOTIPO

Monomaceral Vitrinita (V) V > 95% Vitrita Liptinita (L) L > 95% Liptita Inertinita (I) I > 95% Inertita Bimaceral Vitrinita + Liptinita V + L> 95% Clarita (V, L) Vitrinita + Inertinita V + L > 95% Vitrinertita (V, L) Inertinita + Liptinita L + I > 95% Durita (L, I) Trimaceral Vitrinita + Liptinita + Inertinita V + L + I > 95% Trimacerita (V, L, I) Composición Maceral + Mineral Carbominerita Mineral Minerita

* modificado de Taylor et al,. 1998. 3.2 FLOTACIÓN ESPUMANTE 3.2.1 Introducción General a la Flotación Espumante Para generar cualquier separación es necesario emplear una propiedad diferencial entre las especies a separar. Las propiedades diferenciales (Bustamante, 1992) que se usan tecnológicamente se listan en la tabla 3.2 Tabla 3.3. Métodos y propiedades empleadas para separar partículas.

MÉTODO DE SEPARACIÓN PROPIEDAD DIFERENCIAL

Gravitacional Velocidad de sedimentación

Magnética Susceptibilidad magnética

Eléctrica Conductividad eléctrica

Flotación espumante

Aglomeración y dispersión selectiva

Propiedades físico-químicas de superficie

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Aprovechando las propiedades superficiales de los minerales, se disponen tecnológicamente de al menos tres métodos como son: la aglomeración (floculación o coagulación), la dispersión selectiva y la flotación espumante; siendo este último el más usado y estudiado. La flotación espumante es un método de separación que usa fuertemente el control de la interacción de las superficies minerales con los grupos iónicos del agua, de tal manera que se desarrolle una hidrofobicidad selectiva que favorezca la separación de uno o varios componentes a partir de una mezcla de minerales. El término superficie de hidrofobicidad se refiere a la tendencia de la superficie de una partícula de asociarse o no con el agua (Klimpel, 1998). Los procesos de flotación espumante son basados en la simple idea de usar burbujas de aire para proveer un mecanismo de escape de esas partículas que son hidrofobicas. (Klimpel, 1998) La adsorción de un tensoactivo genera una disminución de la energía libre (y por ende de la tensión superficial) de las partículas, induciendo la hidrofobicidad en el medio acuoso, por lo que éstas prefieren la interacción con la fase gas de las burbujas. Las burbujas pueden transportar estas partículas a la superficie de una mezcla sólido-agua en un sistema constantemente agitado en una celda convencional, o por flujo convectivo generado por diferencias de gravedad específica en celdas de columna. La espuma puede ser estabilizada y removida, por consiguiente el material es recuperado, mientras el material hidrofílico permanece sumergido en la pulpa y es posible precipitarlo y retirarlo. (Klimpel, 1998). 3.2.2 Usos Industriales de Flotación Espumante La flotación espumante fue originalmente desarrollada para la separación de minerales a comienzos del siglo XX y el uso de este proceso ha sido extendido en los últimos 20 años a muchas otras aplicaciones industriales como son la remoción de sólidos de aguas negras en el mercado del papel, la recuperación de bitumen de arenas, la remoción de aceite y contaminantes orgánicos del agua, etc. (Klimpel, 1998) 3.2.3 Variables Involucradas en el Proceso de Separación por Flotación Espumante El proceso de separación involucra una serie de pasos como son: la preparación de un apropiado tamaño de partícula, la creación de condiciones favorables para la adherencia

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de los sólidos a las burbujas de aire y la estabilización de la espuma, que permita la recuperación del material.

a- La influencia del tamaño de partícula y grado de liberación:

Para que ocurran los procesos de separación selectiva de los componentes es absolutamente necesario, que las partículas se encuentren liberadas físicamente; la probabilidad de que las partículas se liberen es mayor si disminuimos su tamaño. Además, la fragmentación es necesaria para mejorar los sistemas de transporte ya que si las partículas son muy grandes, la habilidad de las burbujas para levantarlas es físicamente limitada; no obstante, existe un tamaño límite inferior, ya que es difícil mantener separados los componentes debido a factores de heterocoagulación (partículas finas que pueden tienden a asociarse. (Klimpel, 1998)

b- Hidrofobicidad selectiva:

Para obtener la adherencia de los sólidos a las burbujas, es necesario desarrollar una superficie hidrofóbica de la partícula; ésto se logra utilizando reactivos químicos, llamados colectores (bibliografía). Algunos materiales como el carbón, poseen determinado grado de hidrofobicidad natural lo que permite el uso de colectores apolares en el proceso de flotación espumante, ya que se requiere mejorar las condiciones de hidrofobicidad solamente a expensas de que estos materiales disponen de poca o casi nula energía superficial asociada a los enlaces químicos y sólo disponen de una energía de interación generada por fuerzas débiles de interacción de London. Sin embargo, la compleja estructura química de los carbones y de sus grupos macerales permite asumir absolutamente que las superficies son más complejas y por ende la existencia de energía superficial generada por la componente de enlaces en la interface es factible, lo que implica la determinación de analizar la posibilidad del uso de colectores polares que permitan la separación diferencial entre los grupos macerales.

c- Formación y estabilidad de la espuma: El tercer paso en el proceso de flotación es el control de la tensión superficial de la interfase entre las burbujas, la solución acuosa. Esto se logra cuando se combina un buen diseño de la maquina de flotación (bien sea en celda convencional y/o columna) y el uso de una segunda clase de tensoactivos conocidos como espumantes.

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Las burbujas en la columna de flotación permiten mantener un nivel de mezcla, debido al ascenso de las éstas desde la parte más inferior y segundo las burbujas se estabilizan mecánicamente con la fase acuosa para formar un lecho de espuma en la parte superior, en el cual las partículas de carbón se localizan. El mayor inconveniente resulta cuando las burbujas en la celda tienden a la coalescencia generando dos problemas:

1- Debilidad mecánica de la burbujas, induciendo relativa debilidad, lo que origina que ellas se rompan con facilidad bien sea por la agitación o por colisión con ellas mismas; y

2- Disminución de la probabilidad de una colisión entre las burbujas y las partículas,

por lo tanto causa una disminución en la eficiencia del proceso de recuperación. El control de la coalescencia se efectúa normalmente mediante la utilización de tensoactivos no-iónicos llamados espumantes. Los espumantes controlan la dinámica de la tensión superficial que envuelve a las burbujas y de esta forma se puede prevenir su coalescencia. La escogencia apropiada del espumante deja una diferencia en la distribución del tamaño de burbuja presente en la celda. (Klimpel, 1998) 3.3. FLOTACIÓN EN COLUMNA 3.3.1 Equipo de Flotación Los canadienses Pierre Boutin, Remy Tremblay y Don Wheeler introdujeron el concepto de celda-columna los primeros años de la década del 60 con el objeto de procesar minerales finos y aplicarlos en las etapas de limpieza de los circuitos de flotación. Con cierta cautela, varias compañías mineras productoras de cobre y molibdeno lo adoptaron para la etapa de separación y limpieza con resultados muy alentadores, y posteriormente se probó en las etapas de relimpieza y rougher, en algunos casos con éxito, como por ejemplo, con plomo, zinc, oro y carbón. (Ortiz, et al., 2002) Su forma puede ser rectangular, cuadrada o redonda con poco diámetro y una gran altura. Un esquema de una columna de flotación se muestra en la figura 3.4. Los tamaños de una columna comercial pueden oscilar entre los 9 a 15m de altura y 0.5 a 3.0m en diámetro.

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Aparte de la forma, dos características distinguen la columna de otras maquinas de flotación que son: el sistema de generación de microburbujas, la ausencia de agitación forzada y el uso de agua de lavado.

Figura 3.4 Esquema básico de una columna de flotación (tomado de Finch and Dobby, 1990). 3.3.2 Diseño Los mismos principios de fisicoquímica de superficie que se aplican a flotación en celdas convencionales son válidos para la flotación en celda en columna. Sin embargo, las celdas en columna favorecen fuertemente el enriquecimiento de los concentrados, lo que hace que ellas apliquen favorablemente a líneas de flotación de limpieza, donde la razón de enriquecimiento es de vital importancia metalúrgica, debido a condiciones más bien hidrodinámicas que el mismo diseño propone, lo cual está basado fundamentalmente en operar a bajos números de Reynolds en escenarios hidrodinámicos que favorecen la laminaridad, ósea que las condiciones de mezcla son relativamente bajas. A diferencia de las celdas convencionales, las celdas en columna no usan agitadores mecánicos, la pulpa entra a una altura aproximadamente de 2H/3, respecto a la región inferior de la celda y siendo H la altura total.

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La contracorriente de flujo de gas se opone a la sedimentación de las partículas y el concentrado rebosa por la parte superior. Simultáneamente un spray de agua colocado en la parte superior lava las espumas removiendo el material hidrofílico, que se descargo por la parte inferior. (Ortiz, et al., 2002) El aire a presión es introducido mediante generadores (“sparger”) internos o externos de burbujas y son los inyectores de aire los que reciben mayor atención en toda instalación antigua o nueva. Se puede afirmar que los generadores de burbujas son el "corazón" de la celda-columna; este sistema es diferente a la celda convencional la cual genera condiciones de alta turbulencia. (Finch and Lobby 1990). Se distinguen dos zonas básicas en la celda (figura 3.4): zona de recuperación o colección y zona de limpieza así: 1. Zona de limpieza: fase espuma, región que se extiende hacia arriba desde la tobera de inyección del material de alimentación hasta el rebalse de la columna. 2. Zona de colección: región que se extiende hacia abajo desde la tobera de inyección o alimentación hasta los difusores. La celda de flotación en columna, ha resuelto dos asuntos desde el punto de vista hidrodinámico: a. Disminuyó la turbulencia a niveles del orden de 10-2 (Las condiciones de alta turbulencia, considerando el Número de Reynolds, es del orden de 106 (Schubert & Neese, 1974)) lo que implica unas condiciones laminares estables. b. La coalescencia es disminuida por lo anterior, lo que implica un incremento en la estabilidad de las burbujas individualmente. Lo anterior unido a una fuerte reducción del tamaño de burbuja en el difusor en la parte inferior de la columna, permitirá que durante un buen periodo del ascenso de las burbujas su tamaño sea relativamente pequeño y la consideración de que sean las burbujas las que se adsorban sobre las partículas se cumplirá. Estos dos aspectos posibilitan el uso de este quipo en la separación de minerales finos y ultrafinos (menores a 44 micrones y 10 micrones, respectivamente), logrando niveles de recuperación que históricamente no se había logrado con las celdas convencionales. 3.3.3 Clase de Reactivos de Flotación a- Agentes colectores: Los colectores son generalmente sustancias heteropolares.- compuestos que en su misma molécula tienen una parte polar y otra no polar.- el extremo no polar es casi siempre una cadena larga o hidrocarburo cíclico que es hidrofobico. El colector debe siempre adherirse al sólido y esto lo hace a través de su

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extremo polar, el cual es típicamente un grupo iónico, cuando este grupo iónico se pega a la superficie de la partícula por quimiadsorción o enlace iónico, la terminación no polar del colector se orienta hacia fuera de la superficie sólida formando una envoltura química no polar alrededor de la partícula, induciendo un comportamiento hidrofobico sobre una superficie hidrofilica. (King, 1982) Son muchos los diferentes tipos de colectores, y estos están clasificados en cuanto al tipo de ión (catiónico o aniónico)

Colectores catiónicos: El colector catiónico más comúnmente usado en la industria es la amina. Este reactivo ioniza en solución acuosa por protonización. Las aminas son clasificadas como primarias, secundarias, terciarias o cuaternarias dependiendo del número de radicales de hidrocarburos enlazados a átomos de nitrógeno. Si solamente un grupo de hidrocarburo está presente con un átomo de hidrogeno, la amina es llamada amina primaria. Así mismo con dos, tres o cuatro grupos de hidrocarburos son llamadas secundarias, terciarias o cuaternarias respectivamente. (Fuerstenaun en King, 1982) Las aminas primarias, secundarias y terciarias son bases débiles, mientras las cuaternarias son bases fuertes; estas últimas son completamente ionizadas en todos los valores de pH, mientras que las demás aminas dependen del pH.

Colectores aniónicos: Los colectores que se encuentran en esta categoría son los carboxilatos (ácidos grasos), sulfonatos, alquil sulfatos. Todos los ácidos grasos son ácidos débiles; ellos están disponibles en una variedad de pesos moleculares y configuraciones. Las cadenas de hidrocarburos pueden ser rectas y saturadas o rectas con uno, dos o tres enlaces dobles. En otros casos los ácidos grasos pueden comprender estructuras de anillo hexagonal, a los cuales otras cadenas de alquil son adheridos. (Fuerstenaun en King, 1982)

b- Agentes espumantes: Son reactivos que controlan principalmente la interface líquido-gas y estabilizan la formación de burbujas en e proceso de flotación. Los espumantes al igual que los colectores tienen los dos grupos, polares y no polares. La terminación no polar hidrofobica se orienta dentro la fase de aire. La fuerza de las paredes de la burbuja es reforzada por las fuerzas simultáneas de la reacción del grupo polar y dipolo del agua (hidratación) sobre la interfase aire-líquido, resultando una mayor estabilidad de la burbuja debido a un incremento en la tensión superficial. (Klimpel, 1998).

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Los espumantes son generalmente clasificados por sus grupos polares los más comunes son los grupos hydroxyl (–OH), carboxyl (–COOH), carbonyl (=C=O), amino (–NH3), y sulfo (– OSO2OH y –SO2OH). Los espumantes efectivos típicamente contienen cinco o seis átomos de carbono en su cadena. Los grupos no polares obtienen una suficiente y estable interacción con la fase del aire. Para hidrocarburos de cadena ramificada, el número de átomos de carbono en el grupo no polar puede extenderse hasta dieciséis. Sin embargo, un espumante debe ser por lo menos levemente soluble en medio líquido e incrementar la longitud del hidrocarburo de cadena larga. (Klimpel, 1998). Los espumantes son productos químicos activos de superficie cuya función es proveer una amplia superficie de aire-agua con la suficiente estabilidad para asegurar la eliminación de las partículas hidrófobas de la masa de flotación. Al contrario que en el caso de los Colectores, es difícil asociar un cierto tipo de Espumantes con algún sistema mineral particular. Los Espumantes también se pueden clasificar en grupos en función de su tipo molecular.

c- Agentes modificadores: se usan para modificar la superficie de minerales (depresantes) o para modular el entorno de flotación (activador y modificador) (Klimpel, 1998).

Los depresantes son sustancias orgánicas o inorgánicas que previenen la absorción del colector en la superficie del mineral o previenen la adición de burbujas de aire en la superficie del mineral. Ejemplos de estos reactivos son las sales de cianuro, sodio, sulfuro/ hidrosulfuro y sulfuros que depresan sulfuros. Silicatos sódicos líquidos como almidón, carboximetil celulosa y cuarzo se pueden usar para depresar el talco y otros minerales silícios.

Los activadores son esencialmente compuestos inorgánicos que promueven la adsorción de los colectores sobre las superficies de mineral que se le desea inducir la hidrofobicidad. El mejor ejemplo de ésto es la activación de esfalerita con sulfato de cobre y la sulfidización de los minerales oxídicos.

Por otro lado, los reguladores de pH son bases o ácidos que regulan el ambiente de flotación respecto a los potenciales de los grupos ionicos del agua (H+ y OH-).

3.4 FLOTACIÓN DE MACERALES Hoy día no se están realizando a nivel industrial procesos para concentrar los componentes orgánicos del carbón. En general la producción de estos macerales concentrados se ha llevado siempre a escala laboratorio, con miras de evaluar sus

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

características y propiedades y la forma en que éstas puedan favorecer o no determinado proceso. Honaker et al., 1996 aprovechando las diferencias de hidrofobicidad y las diferentes propiedades electrocinéticas entre los macerales, considera que la flotación espumante puede ser un proceso más efectivo para la producción de concentrados macerales que el empleo de métodos gravimétricos. Arnold and Aplan (1988 en Honaker et al., 1996) llevan acabo un exhaustivo estudio con carbones de Estados Unidos para la lectura del ángulo de contacto, con el fin de cuantificar la hidrofobicidad de los macerales individuales del carbón. Ellos encuentran un decrecimiento en el orden de hidrofobicidad así: liptinita, vitrinita e inertinita, con ángulos de contacto que oscilan entre 90°-130°, 60°-70, 25°- 40°, respectivamente. Estos valores de los ángulos de contacto representan promedios para cada grupo maceral, ya que los valores varían enormemente entre los diferentes macerales del mismo grupo, por ejemplo en el grupo de la liptinita, el maceral esporinita es conocido por presentar un ángulo de contacto de 90°, el cual indica un valor más bajo que el de la resinita que posee un ángulo de 120°. (Honaker et al., 1996) En la figura 3.5 se observa que la energía total superficial entre una partícula de liptinita y una burbuja de aire permanece baja cuando el potencial Zeta es de 100mV; por lo tanto, el maceral liptinita es fuertemente hidrofobico. La energía de interacción hidrofobica anula ambas energías, la repulsiva electrostática y la de dispersión cuando el potencial Zeta alcanza un valor muy alto. (Honaker et al., 1996) Para la interacción vitrinita-burbuja, la energía total superficial permanece baja cuando el potencial Zeta es menos de 33mV, sin embargo más allá de 33mV, la energía electrostática y de dispersión supera los efectos de la interacción hidrofóbica, las cuales podrían generar la vitrinita no flotable. Por la baja hidrofobicidad la inertinita podría separada a un potencial Zeta inferior de 10mV. Las diferencias significativas en los valores del potencial Zeta indican el importante papel que tiene la superficie de hidrofobicidad y las propiedades electrocinéticas en la flotabilidad de los grupos de macerales. (Honaker et al., 1996) Puede concluirse que variando el potencial Zeta y la energía total superficial en la interacción de un maceral específico con una burbuja, puede controlarse su flotabilidad. (Honaker et al., 1996). El potencial Zeta de las superficies del carbón puede ser controlado a través de la manipulación del pH, como resultado uno puede también esperar variaciones similares

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

en las propiedades electrocinéticas entre los diferentes grupos (Campbell y Sun 1970, reportado por Honaker et al., 1996)

0

1

2

0 40 80 120

Potencial Z (mv)

Ener

gía

Tota

l Sup

erfic

ial (

103

kT)

Inertinita

Vitrinita

Liptinita

Figura 3.5 Efecto del potencial zeta sobre la energía total superficial resultante de la interacción entre macerales individuales y burbujas de aire producidas usando como espumante polyglicol en un medio acuoso; concentración electrolitica = 10-3 M, diámetro de partícula y burbuja = 100 y 5 micras respectivamente. (Tomado de Honaker et al., 1996). Shu, Wang, and Xu, 2002 reportan en su investigación cambios en el potencial zeta de los litotipos de negativo a positivo con el cambio de pH así: para el vitreno el zpc se da a pH 3.35 y 3.32; y para el fuseno se da a pH 2.08 y 2.10. Es asi como controlando el pH se puede separar uno de los constituyentes del carbón. Estos mismos autores (Shu, Wang, and Xu, 2002) sugieren que el alto contenido de oxígeno funcional en el litotipo fuseno y su mayor área específica, hace que éste presente más grupos hidrofílicos que los demás.

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

4. DESARROLLO EXPERIMENTAL

4.1 MATERIAL OBJETO DE ESTUDIO Los carbones seleccionados para esta investigación se caracterizan por presentar diferencias en la proporción de sus componentes macerales (vitrinita, liptinita e inertinita) y por su bajo contenido de cenizas; e igualmente, se distinguen entre si, por proceder de diferentes regiones del país como son: Antioquia, La Guajira y Boyacá, los dos primeros carbones son térmicos y el último coquizable. En el capitulo 5 se da la descripción y caracterización completa de cada uno de los carbones. 4.2 EQUIPOS E INSTRUMENTACIÓN Los principales equipos utilizados en la investigación son: una columna de flotación a escala de laboratorio y el microscopio petrográfico de luz reflejada. La columna de flotación utilizada para las pruebas consta de una celda de 5 cm. de diámetro y 100 cm. de longitud (figura 4.1), fabricada en acrílico, un dispositivo utilizando como generador de burbujas “sparger” (figura 4.2), elaborado en bronce (90% cobre y 10% estaño). Con un tamaño promedio de grano de 96 micras, figura 4.3. La presión de aire a la cual se efectuaron todas las pruebas fue de 69 kPa. Como equipos de soporte se tiene un molino de disco y de bolas para llevar las muestras a las diferentes granulometrías requeridas en cada uno de los análisis, tamices de diferente tamaño; en la preparación de las pulpas se utilizó un agitador mecánico, medidores de pH, agua destilada, balanza de precisión.

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Figura 4.1 Columna de flotación Figura 4.2 Fotografías del

generador de burbujas “sparger”

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Figura 4.3 Distribución de tamaños de grano del generador de burbujas “sparger” Para el análisis petrográfico se utilizó un microscopio petrográfico de luz reflejada, marca Leitz (ver figura 4.4) con objetivo de inmersión de 320X aumentos y glicerina; adicionalmente se empleó la retícula de Kötter’s de 20 puntos para el análisis de microlitotipos.

Figura 4.4 Microscopio petrográfico

Variable Tamaño(Micras)

Media 92 desv. estándar 21 min. 2 Máx. 183 N° Datos 670

0 20 40 60 80 100 120 1400

10

20

30

40

50

Frec

uenc

ia %

Tamaño (micras)

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

La medida de la reflectancia se realizó en un microscopio marca Leitz, utilizando aceite de inmersión con un índice de refracción de 1.55. Los macerales liptiníticos se reconocieron bajo luz azul en este mismo microscopio con objetivo de 200X; a éste se le adaptó la cámara CCD, que es una cámara digital que convierte la información visual en señales eléctricas, conocidas como cámara en estado sólido (Charge Couple Device o CCD). Esta cámara no introduce distorsiones geométricas a las imágenes y es altamente resistente a las vibraciones, tanto externas como internas del sistema. La cámara CCD es una cámara digital, marca Pixera, con tamaño de sensor 1/2, sensibilidad ASA400. Para trabajar la digitalización fue necesario un monitor de video, compuesto a color de 17 pulgadas, el cual recibe la señal analógica de la imagen y la despliega; para el control de la captura de las imágenes, se uso un microcomputador equipado con un procesador Pentium IV, que opera a 1GHz, 512 de Ram, disco duro de 40GB, al cual se le adaptó además una tarjeta de memoria, necesaria para el procesamiento digital de imágenes. Adicionalmente, se utilizó el software Leyca que permite adquirir, editar, procesar y analizar imágenes, además trabaja con imágenes de formato BMP y TIFF existente en el Laboratorio de Petrografía del Carbón de la Universidad Nacional Sede Medellín.

Figura 4.5 Microscopio petrográfico y cámara CCD para adquisición de imágenes 4.3 METODOLOGÍA 4.3.1 Selección y Preparación de Muestras En esta fase inicialmente se hizo una revisión preliminar de los trabajos de caracterización realizados en las diferentes cuencas carboníferas del país, con el fin de

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

seleccionar algunos mantos de carbón que cumplieran con las siguientes características: La primera y condición más importante, que el porcentaje de macerales fuera lo más diferente posible en cada una de las muestras seleccionadas, y además que su fracción mineral fuera pequeña; para ésto se contó con un trabajo titulado “obtención de carbón activado a partir de carbones colombianos. (Chejne, et al., 2001) Las zonas seleccionadas fueron: Guajira, Boyacá y Antioquia. Una vez seleccionadas las zonas se procedió a la toma y recolección de las muestras para las diferentes pruebas. Para la realización de tales análisis se requirió de una fase inicial de preparación de las muestras de carbón recolectadas (Figura 4.6)

Figura 4.6 Esquema de preparación de muestras (Modificado de ECOCARBÓN – INGEOMINAS, 1995) 4.3.2. Análisis Petrográficos de Carbones. efectuados en el Laboratorio de Carbones de la Universidad Nacional Facultad de Minas, según las normas ASTM Se efectúo el análisis petrográfico a las muestras de los carbones de las tres cuencas para su caracterización inicial, a las distintas fracciones productos de la molienda efectuada para el análisis de liberación y a los productos de cada prueba de flotación (concentrado

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y colas) con el fin de hacer la identificación, descripción y conteo de grupos de macerales y microlitotipos; 4.3.3. Análisis Manual de los Componentes Petrográficos. Mediante secciones pulidas de granos de carbón correspondientes a los carbones de las muestras seleccionadas (3 en total), según metodología propuesta por Taylor et al. (1998) (modificación de Stach, 1982) con el fin de determinar mediante un análisis combinado los componentes del carbón (macerales y minerales) y su asociación (microlitotipos); los macerales se definieron indicando grupo y los minerales en términos de su naturaleza, tamaño de grano, forma y asociación con macerales y microlitotipos. Para tal propósito se realizó un conteo de al menos 1000 puntos por cada sección 4.3.4. Análisis Maceral Automático. El análisis de las tres muestras fue realizado empleando el mismo microscopio que se utilizó en el análisis manual. Se capturaron al menos cien imágenes en luz fluorescente y blanca para cada una de las muestras de carbón, se midieron la distribución de tamaño de grano de cada uno de los macerales; los macerales del grupo de la liptinita se midieron a partir de las imágenes bajo luz fluorescente. 4.3.5. Análisis Próximo Largo (constituido por próximo corto y varios), efectuados en el Laboratorio de Carbones de la Universidad Nacional Facultad de Minas. Las normas utilizadas se encuentran resumidas en la siguiente tabla: Tabla 4.1 Normas utilizadas para la determinación de los análisis próximos (ECOCARBON – INGEOMINAS, 1995) ANÁLISIS DETERMINACIÓN UNIDAD NORMA OBSERVACIONES

Humedad residual (HR) ASTM D3173-00 Método gravimétrico

Cenizas (Cz) ASTM D3174-00 Método gravimétrico

Materia volátil (MV) ASTM D3175-01 Método gravimétrico

PRÓXIMO CORTO

Carbono Fijo (CF)

% en peso

ASTM D3172-00 Deducido

Poder Calorífico (PC) Cal/g ASTM D2015-96Equipo: Bomba

Calorimétrica marca Parr VARIOS

Azufre (S) % en peso ASTM D4239-02 Método de alta temperatura

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

4.3.6. Análisis Elementales del Carbón. Mediante el analizador elemental CHN-600 marca Leco se obtuvo el contenido en porcentaje en peso de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, este último determinado por diferencia. Este análisis fue efectuado en el Laboratorio de Carbones de la Universidad Nacional Facultad de Minas. 4.3.7. Análisis de Microscopía Electrónica de Barrido para la caracterización del generador de burbujas “sparger” y con el objeto de definir el tamaño de grano y la distribución de tamaño de poros, se capturaron 40 imágenes haciendo un recorrido por toda la superficie del “sparger”, variando la escala. Estos análisis fueron realizados en el Laboratorio de Carbones de la Universidad Nacional Facultad de Minas y en el Laboratorio de Microscopía Electrónica de la Sede. 4.3.8 Análisis de Liberación y Separación de Grupos Macerales 4.3.8.1. Pruebas de Liberación. Con el objeto de evaluar el comportamiento de los diferentes grupos de macerales del carbón, en los procesos de separación mediante flotación espumante es importante garantizar que los componentes se encuentren liberados; esta fase estaba encaminada a valorar mediante las metodologías que usualmente se han empleado para el conocimiento de la liberación mineral en rocas (reducción de tamaño y cuantificación petrográfica de la fracción liberada y de sus mixtos), el mecanismo de liberación mediante la aplicación de procesos de fragmentación. Esto permite determinar el comportamiento de los componentes durante la molienda, y permite hallar la granulometría a la cual se deben llevar las muestras antes de la flotación y caracterizar el porcentaje de material libre que ingrese a cada prueba de flotación. La metodología se muestra en forma mas detallada en el capitulo 6. 4.3.8.2 Pruebas de Flotación: Cada prueba se realizó con un porcentaje de sólidos del 10%, la granulometría empleada fue seleccionada con una distribución de tamaño con una moda entre 50 y 40 micras. Las pulpas fueron preparadas, utilizando un sistema de agitación mecánica. El control de pH para cada prueba fue realizado utilizando hidróxido de sodio a 0.5 M y ácido acético. Las pruebas fueron realizadas a temperatura ambiente. Los reactivos y los niveles en los cuales se lleva a cabo cada prueba se seleccionaron a partir de las recomendaciones dadas por la literatura (Choi, Bloomquist, and Dyrkactz,. 1998). Los productos obtenidos de cada prueba (concentrado y colas) se secaron a 90°C durante

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

24 horas y posteriormente se elaboraron secciones pulidas con la misma metodología empleada para los demás análisis de petrografía. 4.4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Incluye el estudio e interpretación de la información obtenida en los análisis de caracterización y pruebas experimentales, desarrollada en cuatro partes importantes. Primera parte. Involucra las características macro y micropetrográficas de los carbones, analizadas e interpretadas de acuerdo con los conceptos de Taylor et al. (1998) e ICCP 2002 (comité internacional de petrografía del carbón). Segunda parte. Comprende los análisis físicos y químicos que permitieron caracterizar los carbones en estudio; para la presentación y evaluación de los datos se emplearon histogramas para cada sección, gráficas y las tablas de clasificación de rango Norteamericana, cada parámetro fue referenciado en la base de cálculo más adecuado y de uso más general (p.e. Humedad residual en base como se analizó (CSA), materia volátil en base seca libre de cenizas (SLCz)). Tercera parte. Incluye la valoración del grado de liberación de los componentes del carbón la cual fue representada a través de diagramas que muestran el grado de liberación alcanzado para las diferentes granulometrías a las que fueron llevadas las muestras; asimismo, mediante análisis estadístico de su distribución de tamaño de grano original con el fin de determinar la granulometría necesaria para conseguir una liberación mayor. Cuarta parte. Mediante cálculos de recuperación, empleando índices metalúrgicos y gráficos se evalúan los diferentes resultados obtenidos durante las pruebas de flotación.

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5. RESULTADOS

5.1 CARACTERÍSTICAS PETROGRÁFICAS Y FISICOQUIMICAS 5.1.1 Características Petrográficas 5.1.1.1 Macerales. En general los carbones de las tres zonas seleccionadas están constituidos principalmente por macerales del grupo de la vitrinita (>70%), los demás grupos se encuentran en proporciones variables, encontrándose que la zona de Antioquia se caracteriza por tener la más alta proporción de liptinita (11%) y las zonas de Boyacá y Guajira por su alto contenido de inertinitas entre un 11 y un 20% (ver Figura 5.1).

Tabla 5.1 Datos del análisis de petrografía de las muestras originales.

ANÁLISIS PETROGRÁFICOS (% VOLUMEN)

Antioquia Boyacá Guajira Vitrinita 84 84 75 Liptinita 11 3 2 Inertinita 2 11 20 Materia mineral 3 2 3 Total 100 100 100 Reflectancia de la vitrinita 0,4 1,1 0,6

Grupo de la Vitrinita. Grupo maceral más abundante, sus contenidos oscilan entre 75 (en Guajira) y 84% (en Antioquia y Boyacá). Está representado principalmente por bandas homogéneas de color gris claro, de tamaños variables (que sobrepasan en algunos casos hasta las 300 micras) y reflectancia media (tabla 5.1), aunque también se puede encontrar este grupo representado por fragmentos finos de este material con tamaños hasta de dos micras; está íntimamente asociado con los demás macerales y los minerales presentes en las diferentes muestras (Figura 5.2 a y b)

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Inertinita (%)

Liptinita (%)

AntioquiaBoyacáGuajira

Vitrinita (%)

Figura 5.1 Diagrama ternario que muestra la distribución maceral (libre de materia mineral) de tres mantos de carbón de las zonas de Antioquia, Boyacá y Guajira.

a)

b)

Figura 5.2 Fotomicrografías de macerales, microlitotipos y minerales en luz blanca reflejada: (a) banda homogénea de vitrinita (V) con fragmentos finos de inertinita (I); en vitrita; muestra Boyacá y (b) vitrinita (V) asociada con fragmentos finos de liptinitas (L) e inertinitas (I); en trimacerita V; muestra Cerrejón.

V

L

V

I

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Grupo de la Liptinita. El material liptinítico presente en los carbones oscila entre 2% (en la Guajira) y 11% (en Antioquia) (Figura 5.1). Este grupo está constituido principalmente por fragmentos finos de variado tamaño (algunas veces hasta de una micra) y de forma ovalada o elongada; en algunos casos se presenta como cuerpos filiformes que alcanzan hasta 300 micras de longitud; son de color gris oscuro a negro en luz blanca (Figura 5.2b) y de color amarillo o pardo rojizo en fluorescencia (Figura 5.3)

a) b) c)

Figura 5.3 Fotomicrografías de macerales, microlitotipos y minerales: (a) y (c) partículas finas y ovaladas de liptinitas (L) bajo luz fluorescente; muestra Antioquia; (b) cuerpos filiformes y alargadas de liptinitas, muestra Antioquia. Grupo de la Inertinita. En los carbones de la muestra de Antioquia existe muy poca concentración de este grupo maceral, alcaza un porcentaje inferior al 2%; para las muestras de Boyacá y la Guajira los porcentajes son 11 y 20% respectivamente (Figura 5.1); este grupo se presenta de variado tamaño, algunas veces se puede apreciar su estructura celular poco o moderadamente preservada, sus cavidades son de diferentes formas (redondeadas, ovaladas o elongadas) (figura 5.4); los tamaños de este grupo pueden ser superiores a las 300 micras o tan pequeñas que solo alcanzan pocas micras, los tamaños finos tienen formas alargadas a redondeadas. Materia Mineral. Como se resaltó en la metodología la fracción mineral en estos carbones no es muy representativa, los valores son inferiores al 3%, los minerales más frecuentes son carbonatos, piritas, arcillas y óxidos de hierro. Los carbonatos son de color gris, se encuentran rellenando lúmenes celulares y grietas; las piritas pueden observarse diseminadas o agrupadas, de forma framboidal o masiva, algunas veces reemplazando tejidos celulares; los minerales arcillosos son de color pardo oscuro a negro, de apariencia granular fina, se distribuyen de forma diseminada; mientras que los óxidos de hierro son de color rojizo y se observan rellenando cavidades celulares.

L L L

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

a) b) c)

Figura 5.4 Fotomicrografías de macerales, microlitotipos y minerales bajo luz blanca reflejada: (a) tejidos de inertinita (I), de reflectancia media, con lúmenes celulares parcial o totalmente cerrados, asociados a bandas de vitrinita y fragmentos finos de este grupo; vitrinertita I; muestra Boyacá; (b) típico tejido de inertinita con sus cavidades celulares rellenas por minerales (I); inertita I; muestra Guajira; (c) fragmentos detríticos de inertinita, con tejidos parcialmente preservados, en una matriz de vitrinita; vitrinertita V; muestra Guajira. 5.1.1.2 Microlitotipos. De acuerdo a las asociaciones de macerales y minerales en estos carbones, los microlitotipos que están presentes en proporciones considerables en las tres cuencas son vitrita, clarita V, vitrinertita V. (tabla 5.2, figura 5.5).

Tabla 5.2 Datos del análisis de microlitotipos de las muestras originales.

Microlitotipos (% volumen)

Antioquia Guajira Boyacá Grupo monomaceral Vitrita 55,3 38,2 42,8 Liptita 0 0 0 Inertita 0 8,3 7,4 Grupo Bimaceral Clarita V 27,4 4,8 2,8 Clarita L 3,1 0 0 Durita L 0 0 0 Durita I 0 0 0 Vitroinertita V 0,4 26 32,4 Vitroinertita I 0 7,4 5,6 Grupo trimaceral Trimacerita V 10 11,6 2,6 Trimacerita L 0,2 0 0 Trimacerita I 0 0 0 Carbominerita 1,2 1,2 3,8 Carbopolimerita 0 0,2 0 Minerita 2,4 2,3 2,6

I

I

I

I

V

V

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

0

10

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0FR

ECU

ENCI

A R

ELA

TIV

A %

1

MICROLITOTIPOS

ANTIOQUIA

0

5

10

15

20

25

30

35

40

FREC

UEN

CIA

REL

ATI

VA %

1MICROLITOTIPOS

GUAJIRA

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

FREC

UEN

CIA

R

ELA

TIV

A %

1

MICROLITOTIPOS

BOYACÁ

Vitrita Liptita Inertita Clarita V

Clarita L Durita L Durita I Vitroinertita V

Vitroinertita I Trimacerita V Trimacerita L Trimacerita I

Carbominerita Carbopolimerita Minerita

Figura 5.5 Frecuencia relativa de microlitotipos en las zonas carboníferas de Antioquia, Boyacá y Guajira.

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Grupo Trimaceral. La presencia de trimacerita (asociación de los tres grupos de macerales) en estas muestras analizadas es relativamente alta, alcanza un valor de 11% en la Guajira y Boyacá, mientras en Antioquia se encuentra en fracciones inferiores al 3%. (Figura 5.5) Carbomineritas y Mineritas. En conjunto son los constituyentes que se encuentran en fracciones poco significativas en las muestras de carbón de las tres zonas (Figura 5.5), debido a que como se menciona anteriormente el contenido de materia mineral es muy pequeño. Las carbomineritas son compuestas por materia mineral y materia orgánica y las mineritas corresponden a la asociación de minerales. 5.1.2 Caracterización Química de los Carbones

5.1.2.1 Análisis Próximo Largo A cada una de las muestras se le realizaron los análisis próximo largo correspondientes a las determinaciones de humedad residual, cenizas, materia volátil y carbono fijo (conocidos como análisis próximo corto); además, poder calorífico y azufre (análisis varios). Los resultados de estas pruebas se muestran en la tabla 5.1. En general los resultados de este análisis muestran diferencias en cada uno de los parámetros en las tres zonas de estudio, indicando que estos carbones se encuentran en diferentes grados de carbonificación.

Tabla 5.3 Análisis próximo largo de muestras de carbón en las zonas de Antioquia, Guajira y Boyacá

ANÁLISIS PRÓXIMO LARGO ANTIOQUIA GUAJIRA BOYACÁ

Humedad residual (%) 8,8 5 0,6

Cenizas (%) 4,2 1,6 5,9

Materia volátil (%) 40 37,1 29,1

Carbono fijo (%) 47 56,3 64,4

Poder calorífico (Kcal./Kg.) 6333 7677 8048

Azufre (%) 0,28 0,41 0,48

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

5.1.2.2 Análisis Elemental: los resultados de éste análisis se muestran en la siguiente tabla. Los resultados muestran poca diferencia en el contenido de hidrogeno entre las diferentes muestras de carbón, al contrario se puede apreciar grandes diferencias en los porcentajes de carbono, nitrógeno y oxigeno. Tabla 5.4 Análisis elemental de muestras de carbón de las zonas de Antioquia, Guajira y Boyacá. 5.1.3 Clasificación y Rango Para establecer el estado de carbonificación alcanzado por los diferentes carbones utilizados en este estudio, se empleo la clasificación Norteamericana, en la cual la estimación del rango se hace con base en parámetros físicos, químicos y petrográficos. Así de acuerdo al contenido de materia volátil (slcz), reflectancia de la vitrinita, y humedad residual (lcz), se determina que éstos corresponden a subbituminosos B en Antioquia, bituminosos alto en volátiles C en Guajira, y bituminosos alto en volátiles A en Boyacá.

ANÁLISIS ELEMENTALES (% en peso) CARBÓN C H N O

Antioquia 64,52 5,69 1,30 24.01 Boyacá 81,36 5,18 5,25 1.83 Guajira 76,11 5,80 1,39 14.69

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Tabla 5.5 Clasificación Norteamericana para la determinación del rango (Simplificada de Taylor, 1998)

Nota: los valores de la muestra de Boyacá quedan por fuera de esta tabla, por tal motivo no aparecen ubicados.

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.6 Frecuencia relativa a) contenido de material volátil, seca libre de cenizas (slcz), b)Humedad, libre de cenizas (Hulcz), c) variación de la reflectancia de la vitrinita; en las zona de Boyacá, Guajira y Antioquia

0

10

20

30

40

50

% M

ater

ia v

olát

il (

slcz

)

Antioquia Guajira Boyacáa)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

% H

umed

ad li

bre

de

ceni

zas

(Hul

cz)

Antioquia Guajira Boyacá

b)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Ref

lect

anci

a V

itri

nit

a

Antioquia Guajira Boyacác)

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

5.2. ANÁLISIS DE LIBERACIÓN

Partiendo de la idea que los grupos macerales constituyen el carbón como microcomponentes identificables plenamente, se puede hacer un paralelo entre la liberación de minerales que forman una roca y los macerales en el carbón. En este sentido se puede definir la liberación de macerales como una etapa necesaria para la separación, en un proceso de concentración de cada uno de ellos. En los estudios de liberación de los macerales del carbón deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones. Los macerales en el carbón se encuentran íntimamente asociados. En una matriz de naturaleza vitrinítica se encuentran agrupados o diseminados los macerales del grupo de la liptinita, de la inertinita o de ambos (figura 5.2, 5.4, 5.9 a y d, 5.10), definiendo los distintos microlitotipos. Los macerales del carbón se caracterizan por presentar una amplia distribución de tamaño y una gran variedad de formas y texturas (figura 5.9), especialmente los macerales de los grupos de la liptinita e inertinita. Estas características juegan un importante papel en los procesos de liberación de los macerales, para definir su grado de liberación. El estudio de liberación de los macerales se basó fundamentalmente en el análisis petrográfico de las distribuciones de tamaño de grano de los macerales, obtenidas después de ser sometidos los carbones a diferentes procesos de trituración; con el objeto de definir la granulometría a la que sería necesario llevar los componentes para obtener un grado de liberación adecuado que favorezca una separación significativa y adecuada de los diferentes grupos macerales. Las diferentes granulometrías, fueron obtenidas por trituración de las muestras en un molino de bolas, según los procedimientos presentados en la figura 5.7. De cada una de las granulometrías obtenidas, pasante malla 230, 270, 325 y 400 se elaboró una sección pulida para el análisis petrográfico. El análisis petrográfico se enfocó en la determinación del porcentaje de macerales liberados y de partículas con composición mixta según la distribución definida en la tabla 5.4, así como del análisis de tamaño de las partículas tanto de composición homogénea como de las de composición mixta.

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Vitrinita V Liptinita ** L LIBRES Inertinita I Vitrinita+ Liptinita V+L Liptinita+Inertinita L+V Liptinita+ Inertinita L+I

MIXTOS

Vitrinita+Liptinita+Inertinita V+L+I ** Porcentaje calculado

Trituración malla No. 4

Testigo Trituración malla No. 230

Muestra para petrografía

Trituración malla No. 270

Análisis de Liberación Trituración malla

No. 325

Análisis de Liberación

Análisis de Liberación

2 Kg

Cuarteo

Cuarteo

Cuarteo

Cuarteo

Muestra para petrografía

Muestra para petrografía

Muestra para petrografía

Trituración malla No. 400

Análisis de Liberación

Análisis de Liberación

Figura 5.7 Esquema de preparación de las muestras de carbón para el análisis de liberación.

Tabla 5.6 Componentes de macerales libres y mixtos evaluados durante el análisis de liberación de las zonas de Antioquia, Guajira y Boyacá.

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

La determinación microscópica bajo luz reflejada blanca, del porcentaje de la fracción de liptinitas liberadas no fue posible porque los macerales de este grupo se observan bajo este tipo de iluminación de color oscuro, no siendo posible diferenciarlos de las resinas que se probaron, y en la que éstos componentes se encuentran inmersos, porque éstas también se observan oscuras (figura 5.8a). Por lo tanto se procedió a la estimación del número de liberados utilizando luz fluorescente. Al comparar la muestra hecha con la resina comercial en la granulometría pasante malla 18 (muestra para análisis petrográfico original) con la pasante malla 270, la proporción visual de este grupo en la muestra fue menor (figura 5.8 b y c) posiblemente se deba como se mencionó anteriormente a que esta resina presenta fluorescencia quedando enmascarado los componentes ó tal vez debido a que tiene una densidad 1.35g/cm3 y este grupo según la bibliografía es de 1.2g/cm3 aproximadamente (ver capitulo 3), por lo tanto la resina actuaría como un medio denso y durante el proceso de desbastado y pulido serían eliminadas. En la figura 5.8 d y e, se puede apreciar la intensa fluorescencia de la resina “Araldit-D” (resina de densidad 0.95g/cm3) y la forma en que puede ocultarse la presencia de este componente maceral en la muestra. Para solucionar el problema de la fluorescencia de la resina, se utilizó en el montaje, “eukitt”, resina importada, de densidad 0.95g/cm3, que tiene una característica especial, y es que ésta es inerte a la luz fluorescente. Como puede observase en la figura 5.8 f si bien la resina no fluorece, los límites de los bordes de grano no pueden apreciarse; por lo tanto, se ven los macerales del grupo de la liptinita, pero no se puede determinar, si están libres o sobre los granos.

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.8 Fotomicrografías de granos de carbón, en luz reflejada blanca y fluorescente elaboradas empleando diferente tipo de resina: (a) – (c) resina comercial. (a) En esta imagen puede verse fragmentos de vitrinita e inertinita libres, pero no liptinitas; (b) muestra original, malla 18; (c) muestra pasante malla 270; (d) y (e) montaje en resina Araldit-D, bajo condiciones de iluminación diferentes en la captura de la imagen, en éstas se observa que su fuerte fluorescencia enmascara algunos granos de liptinita y (d) Eukitt, resina no fluorescente la cual no permite diferenciar los limites de grano.

50µm

50µm

50µm

50µm

a) b) c)

d) e) f)

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Considerando lo anterior, la cuantificación del grupo de la liptinita se calculó por medio del siguiente balance:

xyzxyzxzxzxyxyxx fNfNfNNNT *** +++= (1)

Siendo: NTx: Número de especies contadas de maceral tipo x Nx: Número total de partículas del maceral tipo x liberado Nxy: Número de especies mixtas formadas por dos macerales x y y Nxyz: Número de especies mixtas formadas por tres tipos de macerales fxy: Fracción volumétrica del maceral x en una partícula mixta formada por los

macerales xy fxyz: Fracción volumétrica del maceral x en una partícula mixta compuesta por los tres

grupos macerales Por lo tanto el grado de liberación se puede determinar por conteo siguiendo la ecuación:

T

xyzxyzyzyzxyxyy N

fNfNfNN

*** ++= (2)

Donde NT Número total de puntos contados. Para la determinación de una granulometría óptima para la separación, se procedió en primera instancia a efectuar el estudio de la distribución de tamaño, mediante petrografía y análisis de imagen de las liptinitas y las inertinitas de los carbones, por ser éstos los macerales que se presentan como inclusiones claramente diferenciables en la matriz vitrinítica; lo anterior con el fin de definir la granulometría a la que sería necesario llevar la muestra para obtener una liberación adecuada. En las figura 5.9 b y c. Se presenta las gráficas de distribución de tamaño para las liptinitas y las inertinitas respectivamente. En general se observó que la liberación no esta acotada fuertemente a intervalos de tamaño, como suele suceder en el caso de los minerales, pues los tamaños oscilan entre 5 y 350 micras para el grupo de la liptinita; entre 5 y 504 micras para el grupo de la inertinita, como se observa en la figura 5.9 b y c; además, se puede apreciar que el mayor porcentaje se encuentra en 32 y 46 micras respectivamente

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.9 (a) y (d) Fotomicrografías de grupos de macerales, en luz reflejada y fluorescente, en estas imágenes se puede apreciar la gran variedad en los tamaños de los macerales de cada grupo y su diferente textura; (b) y (c) frecuencia de distribución de tamaño de grano de los macerales de los grupos de liptinita e inertinita

Variable Tamaño Media 32 desv. Estándar 37 Máx. 349 mín. 5

N° Datos 511

Variable Tamaño Media 46 desv. estándar 70 Máx. 504 mín. 5

N° Datos 287

50 100 150 200 250 300 3500

5

10

15

20

25

30

35

40

% F

recu

enci

a

Tamaño (micras)

GRUPO LIPTINITA 50µm

50µm

50µm

50µm

a) b)

50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

5

10

15

20

25

30

35

40

% F

recu

enci

a

Tamaño (micras)

GRUPO INERTINITA

50µm

50µm

50µm

50µm

d) c)

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

A partir de los resultados obtenidos del análisis petrográfico efectuado a las muestras correspondientes a las distintas granulometrías obtenidas por trituración, figuras 5.10 – 5.14 se pueden hacer los siguientes planteamientos: Como producto de la amplia distribución de tamaños y formas (redondeadas, elongadas, filiformes) de los distintos macerales, no es posible establecer un solo límite de tamaño de grano (figura 5.10). Las diferentes formas de los componentes hacen que durante la pulverización sea más probable la generación de partículas mixtas (figura 5.10), que de partículas libres, a no ser que se lleven a tamaños muy finos, de pocas micras. La liberación de los macerales del carbón muestra un comportamiento similar al de la liberación mineral, en el sentido de que se produce un incremento en la liberación de los componentes a medida en que reduce el tamaño (figura 5.10). El grupo maceral liberado en mayor proporción es la vitrinita (figura 5.11, 5.12, 5.13), esto se debe a su carácter mayoritario en los carbones estudiados, también a que son de mayor tamaño y a su menor variedad en cuanto a textura. El grupo de la liptinita aumenta débilmente su liberación con la reducción del tamaño y solo alcanza un 11 % a 38 micras en la zona de Antioquia (figura 5.11), como se habló anteriormente en el capitulo 3 y la sección 5.1, este grupo maceral presenta una distribución muy amplia de tamaños y formas; en la zona de Antioquia se aprecia una marcada asociación de este grupo con el grupo de la vitrinita (dominio del bimaceral clarita V) como se referencia en la sección 5.1 este representa el componente mixto que se encuentra en mayor proporción para esta zona.

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.10 (a) – (d) Fotomicrografías de grupos de macerales, en luz blanca reflejada, sometidas a diferentes grados de fragmentación; en estas imágenes se puede apreciar como afecta el tamaño y la textura su liberación; (a) – (c) imagen pasante malla 18, se puede observar los tres grupos de macerales asociados, predominando la proporción de vitrinita (V) e inertinita (I); (b) – (d) pasante malla 325, se puede apreciar vitrinita e inertinita libre y la mezcla de ambos (V-I) y (e) – (g) se aprecia los grupos macerales de la liptinita e inertinita embebidos en una matriz vitrinitica; (f) se observa que a granulometrías muy finas aun se conserva partículas mixtas de vitrinita y liptinita (V-L)debido a su textura; (f) se puede apreciar que algunas formas de el grupo de la inertinita se pueden desprender de la matriz vitrinitica conservando su forma, como en este caso la funginita (Fu) del grupo de la inertinita.

a) b) c)

g)f)e)

d)

h)

50 µm

V-I V-I

V-I

V-LV-L-I V-L-I

V-L-I

Fu

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.11 Cantidad de componentes libres en función del tamaño de partícula para cada grupo maceral presente en un manto de la zona de Antioquia. El grupo de la inertinita, no varía durante la reducción de tamaño, lo cual se debe a que en este carbón el porcentaje de este grupo maceral es inferior al 4% y los tamaños de granos no superan las 10 micras. En las zonas de Boyacá y Guajira (figura 5.12, 5.13) se observa la misma tendencia, una mayor liberación del grupo de la vitrinita; mientras la liptinita no presenta cambios

35 40 45 50 55 60 650,1

1

10

100

EFECTO DEL TAMAÑO DE MOLIENDA SOBRE LA LIBERACIÓN DE LOS GRUPOS DE MACERALES

ZONA ANTIOQUIA

MIXTOSVitrinita-Liptinita Vitrinita-Inertinita Vitrinita-Liptinita-Inertinita

Inertinita liberada

Liptinita liberada

Vitrinita liberada

%

Tamaño (micras)

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

significativos; esto se debe, igualmente a que este grupo maceral está en una proporción inferior al 3 %.

Figura 5.12 Cantidad de componentes libres en función del tamaño de partícula para cada grupo maceral presente en un manto de la zona de Boyacá.

35 40 45 50 55 60 65

0,1

1

10

100

EFECTO DEL TAMAÑO DE MOLIENDA SOBRE LA LIBERACIÓN DE LOS GRUPOS DE MACERALES

ZONA BOYACÁ

Inertinita liberada

Liptinita liberada

Vitrinita liberada

%

Tamaño (micras)MIXTOS

Vitrinita-Liptinita Vitrinita-Inertinita Vitrinita-Liptinita-Inertinita

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.13 Cantidad de componentes libres en función del tamaño de partícula para cada grupo maceral presente en un manto de la zona de Guajira. El grupo de la inertinita alcanza una liberación del 10%, como se observa en la figura 5.9c la distribución de tamaño en promedio se encuentra en una granulometría muy fina, por debajo de 46 micras. En la figura 5.14 se compara el grado de liberación de los grupos de macerales en las tres zonas, la vitrinita alcanza el mismo grado de liberación a 38 micras, para las tres zonas, los demás grupos presentan variación y ésta depende fuertemente de las diferentes proporciones de cada uno de los grupos en el carbón, es así como se aprecia

35 40 45 50 55 60 65

1

10

100

EFECTO DEL TAMAÑO DE MOLIENDA SOBRE LA LIBERACIÓN DE LOS GRUPOS DE MACERALES

ZONA GUAJIRA

Inertinita liberada

Liptinita liberada

Vitrinita liberada

%

Tamaño (micras)MIXTOS

Vitrinita-Liptinita Vitrinita-Inertinita Vitrinita-Liptinita-Inertinita

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

que el mayor grado de liberación del grupo de la liptinita se obtuvo en la zona de Antioquia, para las demás regiones el porcentaje liberado no fue significativo; contrario a esto, el porcentaje de liberados del grupo de la inertinita fue mayor en las zonas de Boyacá y Guajira, que se caracterizan por presentar una mayor proporción de estos componentes. Se debe resaltar que la liberación de los grupos de la liptinita e inertinita es muy pobre ya que como se ha resaltado, su textura y la manera en que se presenta (embebida en una matriz, generalmente de vitrinita) hace muy difícil su liberación, a no ser que se reduzca a tamaños inferiores a su granulometría original (figura 5.10).

Figura 5.14 Comparación de la cantidad de componentes libres en función del tamaño de partícula para cada grupo maceral presente en las zonas de Antioquia, Boyacá y Guajira.

35 40 45 50 55 60 650,1

1

10

100

Gru

po M

acer

al L

iber

ado

(%)

Tamaño (micras)

Vitrinita liberada

Liptinita liberada

Inertinita liberada

Antioquia Boyacá Guajira

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Por todo lo anterior, se puede concluir que, para conseguir una mayor liberación de los grupos de macerales del carbón especialmente de los grupos de la liptinita e inertinita se deben llevar las muestras de carbón a una granulometría menor a 10 micras. Sin embargo, se puede apreciar que si en la reducción de tamaño se llega a tamaños entre 50 y 45 micras se da inicio a un proceso de liberación diferencial entre los diferentes grupos de macerales. Por lo tanto se aplicó una reducción de tamaño buscando una DTP medio en este intervalo de tamaño o mucho menor. En la figuras 5.15 Se puede observar la distribución de tamaños de partícula del material que se empleó en las pruebas de flotación.

Zona Guajira Boyacá AntioquiaMedia 42 32 33 desv. estándar 79 59 60 min. 0,05 0,05 0,07 Máx. 351 258 260

N° Datos 59 57 55

1 10 100

1

10

100

Diámetro de partícual(micras)

% F

recu

enci

a ac

umul

ada

BOYACÁ ANTIOQUIA GUAJIRA

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

5.3. RESUTADOS DE PRUEBAS DE FLOTACIÓN Esta etapa de la investigación fue realizada en 4 fases fundamentalmente; en cada fase experimental se establecieron las variables fijas y las manipulables para cada experimento; para la fase I se varió el tipo de colector y el pH, a las diferentes muestras; en la fase II se llevaron pruebas con un solo colector realizando ensayos a varios valores de pH; en la fase III se probaron nuevos colectores a pH 3 y 8; y en la fase IV se realizó una prueba exploratoria con la muestra de Antioquia, controlando la tensión superficial de la pulpa. 5.3.1 Fase I. En esta fase se pretende favorecer diferencialmente la característica hidrofobica del carbón manipulando básicamente el pH y el tipo de colector con el fin de flotar diferencialmente cada grupo maceral. Las variables que permanecieron fijas fueron:

- Presión de aire (10 psi, se obtuvo experimentalmente). - Densidad de pulpa (20% de sólidos). - Granulometría del carbón (ver figura 5.15) - Temperatura del proceso (temperatura ambiente). - Tipo de espumante (Metil Isobutil Carbinol, “Flotanol M”)

Las variables que se manejaron fueron:

- Origen de la muestra de carbón - pH. - Tipo de colectores

En la figura 5.16 se puede observar la relación de las variables en el proceso como una representación gráfica para la fase I; se puede ver tres variables manipulables para el proceso que son: el origen de la muestra, la cual posee tres niveles debido a que como se menciona anteriormente, se seleccionaron tres regiones diferentes del país (Boyacá, Guajira y Antioquia); la otra variable es el pH, en el cual se han fijado 2 niveles (8 y 11), apoyados por la bibliografía, dado que son los valores en los que se puede dar la recuperación del material mediante la flotación en columna según Honaker, et al. 1995 y la última variable es el tipo de colector, son tres niveles, seleccionados con base en la literatura (cloruro de alquil dimetil benzil amonio, “Flotigram 1123” (C1); cloruro de cetil trimetil amonio, “Flotigram 3029” (C2); y cloruro hexadecil trimetil amonio, “flotigram 3050 ET” (C3)), los tres colectores fueron proporcionados por Cariant S.A.

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Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

El porcentaje de recuperación “Variable respuesta” se evalúa como se menciona en la metodología, mediante análisis petrográficos (composición grupos de macerales) realizados tanto a los concentrados como a las colas; En esta fase se ejecutaron 18 ensayos de los cuales se obtuvieron 36 muestras para análisis de recuperación. Los datos se analizan utilizando índices metalúrgicos así:

TTtCTcATa +=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−

=tatc

tatttatcR

Donde: A = Alimento C = Concentrado T = Colas R = Recuperación

Tt = Tenor de colas Ta = Tenor de alimento Tc = Tenor de concentrado

Figura 5.16 Representación gráfica de la relación de las variables en el proceso para la fase I. En esta fase se desea evaluar la influencia que tiene el origen de la muestra, el tipo de colector y el pH sobre el porcentaje de recuperación del los grupos macerales del carbón.

Separación de grupos de macerales

1

2

3

1

2

3

1

2

M pH C

Final (%)

Vitrinita Liptinita Inertinita

M: Muestra (Antioquia, Boyacá, Guajira) C: Colector (Flotigram 1123, 3029, 3050 ET) pH: (8, 11)

Inicial (%)

Vitrinita Liptinita Inertinita

1

2

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60

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

5.3.1.1 Análisis e Interpretación

Figura 5.17 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en función del tipo

de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8.

Figura 5.18 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en función del tipo de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 11.

C1 C2 C310

20

30

40

50

60ZONA ANTIOQUIA

Recu

pera

ción

%

Colector

pH 8Vitrinita

Liptinita

Inertinita

C1 C2 C30

10

20

30

40

50ZONA ANTIOQUIA

pH 11Liptinita

Vitrinita

Inertinita

Colector

Rec

uper

ació

n %

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61

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

En las curvas de recuperación de la zona de Antioquia (figuras 5.17 y 5.18), puede observarse una mayor recuperación de los componentes cuando se empleó el colector flotigram 1123, a pH 8 para los tres grupos, especialmente la vitrinita que alcanza un 50%, el grupo de la liptinita e inertinita sólo un 35%, excepto la inertinita que alcanza una recuperación del 60% con flotigram 3029, este último componente (inertinita) como se menciona en el capitulo de caracterización en esta zona no supera el 2% en volumen. El colector Flotigram 3050 ET presenta muy baja recuperación a los dos pH, cuando su valor es de 8 la liptinita no alcanza un 15% de recuperación, los otros dos grupos virinita e inertinita 25% y 32% respectivamente, y se hace nula a pH 11 (no flota ninguno, los tenores de concentrado valen cero) En la zona de la Guajira (figuras 5.19 y 5.20) se aprecia la misma tendencia, una mayor recuperación de los tres grupos con el colector Flotigram 1123 a pH 8; a pH 11 el grupo de la vitrinita permanece prácticamente con recuperación nula variando con los tres colectores. El grupo de la liptinita disminuye la recuperación de casi 90% a 30% al variar el pH de 8 a 11 respectivamente, empleando el colector 1123, con el 3029 su recuperación es nula y aumenta a un 60% con flotigram 3050. En las figuras 5.21 y 5.22 se observa en la región de Boyacá una pequeña variación en la recuperación de los grupos de la inertinita y liptinita; ya que, se observa una misma tendencia en cuanto a la recuperación de la vitrinita, y los demás grupos presentan una pobre o nula recuperación bajo estas condiciones, al aumentar el pH, disminuye la recuperación de todos tanto con el colector flotigram 1123 como con el flotigram 3050. En esta muestra con el colector 3029 a pH 8 como se señala en la gráfica, se ve separación entre la vitrinita y la liptinita e inertinita. En general el orden de flotabilidad de los diferentes grupos de macerales es variada y cambia con el tipo de colector, muestra, y pH, sin embargo existe una tendencia a decrecer de liptinita-vitrinita, vitrinita-liptinita, y por último la inertinita, excepto en la muestra de carbón de Antioquia a pH 8 donde la inertinita se recupera mejor. De lo anterior se puede concluir que la mejor recuperación se obtuvo a partir del colector Flotigram 1123, a pH 8, especialmente del grupo de la vitrinita. Además al comparar las gráficas de las tres muestras a los diferentes pH, se nota una marcada diferencia en la recuperación de los tres grupos de macerales, por lo tanto bajo las mismas condiciones tenemos diferentes resultados, lo que demuestra que el rango y el tipo de carbón influye sobre la recuperación.

Page 70: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

62

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.19 Curvas de recuperación de los grupos macerales de la Guajira en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8.

Figura 5.20 Curvas de recuperación de los grupos macerales de la Guajira en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 11.

C1 C2 C30

10

20

30

40

50

60

70

80

90

ZONA GUAJIRA

pH 8

Rec

uper

ació

n %

Colector

Liptinita

Inertinita

Vitrinita

C1 C2 C30

10

20

30

40

50

60

ZONA GUAJIRA

Colector

pH 11

Rec

uper

ació

n %

Vitrinita

Inertinita

Liptinita

Page 71: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

63

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.21 Curvas de recuperación de los grupos de macerales de Boyacá en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8.

Figura 5.22 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 11.

C1 C2 C3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

pH 8

ZONA BOYACÁ

Liptinita

Vitrinita

Inertinita

Rec

uper

ació

n %

Colector

C1 C2 C30

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

pH 11

ZONA BOYACÁ

Inertinita

Vitrinita

Liptinita

Rec

uper

ació

n %

Colector

Page 72: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

64

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

5.3.2 Fase II. En esta fase se manipula básicamente el pH (figura 5.23), para el cual se establecen niveles tanto ácidos como básicos, con el fin de determinar la influencia del pH en los diferentes niveles, se utiliza además el colector Flotigram 1123 ya que es el colector que muestra una mejor recuperación en la fase I, en la siguiente figura se observa gráficamente las variables controlables de esta fase experimental.

Figura 5.23 Representación gráfica de la relación de las variables en el proceso para la fase II. De esta fase resultan 9 tratamientos, 18 muestras en total para análisis petrográficos, las demás variables permanecieron fijas como en la fase anterior. 5.3.2.1 Análisis e Interpretación Como se puede ver en la figura 5.24, la mayor recuperación de los tres componentes para la zona de Antioquia se obtuvo a pH 5; aunque la recuperación de la vitrinita a pH 3 fue baja, el grado de enriquecimiento fue mayor al de todas las pruebas que se hicieron con esta muestra, ya que el porcentaje de vitrinita alcanzó un 96% de pureza, pero la cantidad de material que flotó fue tan poco que disminuye notablemente el porcentaje de recuperación cuando se hace el cálculo; lo que es típico de una flotación de limpieza. La bibliografía siempre ha reportado una recuperación de los componentes a pH básico, en esta investigación se encontró que contrario a lo que se pensaba se pudo lograr un enriquecimiento mucho mejor a pH 3.

Separación de grupos de macerales

1

2

3

1

2

3

M pH

Final (%)

Vitrinita Liptinita Inertinita

M: Muestra (Antioquia, Boyacá, Guajira) pH: (3, 5, 10) C: Colector (Flotigram 1123, 3029, 3050 ET)

Inicial (%)

Vitrinita Liptinita Inertinita

Page 73: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

65

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.24 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en función de pH obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna utilizando colector C1.

Figura 5.25 Curvas de recuperación de los grupos macerales de La Guajira en función de pH obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna utilizando colector C1.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

20

40

60

80

100ZONA ANTIOQUIA

Liptinita

Vitrinita

Inertinita

Rec

uper

ació

n %

C1

pH

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

10

20

30

40

50

60

70

80

90

ZONA GUAJIRA

Recu

pera

ción

%

C1

pH

Vitrinita

Inertinita

Liptinita

Page 74: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

66

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

La muestra de la Guajira según la figura 5.23, conserva una mejor recuperación a pH 8, el grupo de la liptinita alcanza una recuperación del 80%.

Figura 5.26 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en función de pH obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna utilizando colector C1 La liptinita de la región de Boyacá alcanza una recuperación superior al 80% a pH 10 (figura 5.26), la inertinita se caracteriza por dar una muy baja recuperación a todos los niveles de pH. 5.3.3 Fase III. Debido a que la literatura reporta el uso de varios tipos de colectores se decidió ensayarlos en esta fase. En la figura 5.27 se muestra gráficamente las variables manipulables del proceso, las demás variables permanecen fijas; de esta fase se obtienen 18 tratamientos y 36 muestras para análisis petrográficos.

2 4 6 8 10 120

20

40

60

80

100ZONA BOYACÁ

Rec

uper

ació

n %

pH

C1Liptinita

Vitrinita

Inertinita

Page 75: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

67

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.27 Representación gráfica de la relación de las variables en el proceso para la fase III. 5.3.3.1 Análisis e Interpretación

Figura 5.28 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 3.

Separación de grupos de macerales

1

2

3

4

5

6

1

2

M pH C

Final (%)

Vitrinita Liptinita Inertinita

Inicial (%)

Vitrinita Liptinita Inertinita

C4 C5 C60

20

40

60

80

100 ZONA ANTIOQUIA

pH 3

Rec

uper

ació

n %

Colector

Liptinita

Inertinita

Vitrinita

M: Muestra (Antioquia, Boyacá, Guajira) C: Colector (Keroseno, Varsol, alcanolamina) pH: (3, 8)

Page 76: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

68

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.29 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8.

Figura 5.30 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 3

C4 C5 C60

5

10

15

20

25

ZONA ANTIOQUIA

Liptinita

Vitrinita

Inertinita

pH 8

Colector

Recu

pera

ción

%

C4 C5 C610

20

30

40

50

60

70ZONA BOYACÁ

Inertinita

Liptinita

VitrinitapH 3

Colector

Rec

uper

ació

n %

Page 77: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

69

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.31 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8

Figura 5.32 Curvas de recuperación de los grupos macerales de La Guajira en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 3

C4 C5 C60

10

20

30

40

50

60

70ZONA BOYACÁ

Vitrinita

Inertinita

LiptinitapH 8

Rec

uper

ació

n %

Colector

C4 C5 C60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

ZONA GUAJIRA

Recu

pera

ción

%

Colector

Inertinita

Liptinita

VitrinitapH 3

Page 78: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

70

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.33 Curvas de recuperación de los grupos macerales de La Guajira en función de colector obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna a pH 8 Las recuperaciones de los componentes con estos nuevos colectores muestran según las gráficas para al zona de Antioquia, que el grupo de la inertinita se recupera más que los grupos de la vitrinita y liptinita, a pH 3 y 8, en general la recuperación de los tres grupos con estos nuevos colectores es inferior a los de la primera fase, el orden de flotabilidad en general es: inertinita, vitrinita y liptinita en los tres tipos de colector, cabe resaltar que este mismo comportamiento se dió en la primera fase a pH 8 con esta muestra. En la muestra de Boyacá a pH 3 se da un orden de decrecimiento en la recuperación así: liptinita, vitrinita e inertinita con los tres tipos de colector, la mayor recuperación se da en el grupo de la liptinita alcanzando un valor de 50% cuando se utilizó keroseno. A pH 8 se observaron variaciones tanto en el orden de flotabilidad en general se ve vitrinita-inertinita-liptinita, inertinita- liptinita-vitrinita. En las figuras 5.32 y 5.33 se aprecia una buena recuperación de la liptinita con respecto a los otros dos grupos de macerales a pH 3 y a pH 8 con keroseno (alcanza un valor de 70%) los demás permanecen con bajas recuperaciones (por debajo de 40%). Por lo anterior la prueba que se realizó en fase IV se trabajó con una granulometría por debajo de 38 µm; con el fin de restringir el tamaño de las partículas.

C4 C5 C610

20

30

40

50

60

70

ZONA GUAJIRA

pH 8

Rec

uper

ació

n %

Colector

Vitrinita

Inertinita

Liptinita

Page 79: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

71

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

5.3.4 Fase IV. En esta última fase se realizó una prueba controlando la tensión superficial de la pulpa usando la técnica de flotación γ (flotación Gama), agregando diferentes porcentajes de metanol (0.5, 0.75, 1.0, 1.25 y 10%) y adicionalmente una prueba empleando NaCl a una concentración de 10-1 moles/gramo a una de las muestras seleccionada aleatoriamente, en este caso fue Antioquia, todas las pruebas fueron realizadas utilizando el colector flotigram 1123 y a pH natural. Las muestras fueron tomadas a diferentes tiempos (entre 0-2, 2-4 y 4-6min) con el fin de determinar si el grado de flotabilidad de los diferentes componentes estaba afectado por la velocidad de flotación de cada uno, lo cual comprometía la separación a consideraciones cinéticas. Para esta prueba además se disminuyó el intervalo de tamaño de grano, de la muestra que se empleó en la prueba de flotación, y esta fue inferior a 38 micras. 5.3.4.1 Análisis e Interpretación

Figura 5.34 Curvas de recuperación acumulada del grupo de la vitrinita de Antioquia variando la tensión superficial con metanol y NaCl obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna.

2 4 60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Metanol

(10 %) (0.5 %) (0.75 %) (1.0 %) (1.5 %)

NaCl (10-4g/mol)

VITRINITAZONA ANTIOQUIA

% R

ecup

erac

ión

acum

ulad

o

tiempo (min)

Page 80: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

72

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.35 Curvas de recuperación acumulada del grupo de la liptinita de Antioquia variando la tensión superficial con metanol y NaCl obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna.

2 4 60

10

20

30

40

50

60

70

80%

Rec

uper

ació

n ac

umul

ado

tiempo (min)

LIPTINITAZONA ANTIOQUIA

Metanol (10 %) (0.5 %) (0.75 %) (1.0 %) (1.5 %)

NaCl (10-4g/mol)

Page 81: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

73

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 5.36 Curvas de recuperación acumulada del grupo de la inertinita de Antioquia variando la tensión superficial con metanol y NaCl obtenidos a partir de pruebas de flotación en columna. En las figuras 5.34, 5.35 y 5.36 puede observarse que con un porcentaje de metanol del 0.5%, en los dos primeros minutos se alcanza una recuperación de la vitrinita de casi el 40%, liptinita 30% y de la inertinita del 45%. La recuperación de la vitrinita es igual a los 6 minutos (90%) con metanol a 0.5, 1.5 y 10%, mientras con NaCl permanece baja durante todo la prueba y solo alcanza un 25% a los 6 minutos. La recuperación de la liptinita en esta fase también es mayor cuando se utiliza metanol al 0.5%, a los 2 minutos se tiene una recuperación mayor al 30% y alcanza un valor por encima del 70% a los 6 minutos. Este grupo maceral es el único entre los tres que con la adición de NaCl se alcanza a recuperar casi un 50%. La inertinita a los 2 minutos se había recuperado en un 40%, con un porcentaje de 0.5% de metanol y alcanza una recuperación superior al 90%. La más pobre recuperación se da al igual que con la vitrinita cuando se adiciono a la pulpa NaCl. El grupo maceral que presenta según esta prueba una mayor cinética de flotación es la inertinita, seguida de la vitrinita y por último la liptinita.

2 4 6

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Metanol (10 %) (0.5 %) (0.75 %) (1.0 %) (1.5 %)

NaCl (10-4g/mol)

INERTINITAZONA ANTIOQUIA

% R

ecup

erac

ión

acum

ulad

o

tiempo (min)

Page 82: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

74

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

a) b) c)

d) e) f) Figura 5.37 (a) y (d) Fotomicrografías de grupos de macerales, en luz blanca y fluorescente, resultado de las pruebas de flotación en columna; (a) – (b) se aprecia una mayor recuperación de inertinita (I); (c) en esta imagen podemos observar una buena recuperación de vitrinita de Boyacá en la primera fase a pH 8; (d) - (f) tomadas con luz fluorescente se ve una alta concentración de los macerales del grupo de la liptinita de la muestra de Antioquia (e) esta imagen corresponde a la prueba, con el colector Flotigram 1123 para la muestra de la cuenca de Antioquia, puede verse una buena recuperación del grupo de la vitrinita.

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75

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

6. DISCUSIÓN

Esta investigación pretendió avanzar en el estudio de los métodos de separación de macerales empleando la columna de flotación, ya que es una herramienta de gran adelanto científico, desarrollada en la industria minera y que ha sido escalada allí a nivel industrial. A partir del análisis de caracterización petrográfica y de liberación se ha podido determinar que las variables físicas como textura y forma de presentación de los componentes macerales, distribución volumétrica y granulometría de los componentes, juegan un papel determinante en la separación, ya que de esas propiedades va a depender la proporción de componentes libres y mixtos que se generan durante la fragmentación. A lo anterior se le debe sumar las variables químicas de cada uno de los componentes, ya que estas actúan de manera conjunta con las propiedades físicas de los mismos, por ese motivo un análisis integral, que involucre la caracterización físico-química y el estudio de liberación es tan importante para este tipo de investigación. La recuperación de los componentes macerales del carbón involucra además de las muchas variables mencionadas antes, el rango (Ateşok and Celik, 2000) y el tipo de carbón, ya que como se observa durante los procesos de flotación éstos tienen un comportamiento diferente bajo las mismas condiciones (figuras 5. 15, 5.16, 5.17, 5.18, 5.19, 5.22, 5.23, 5.24), probablemente se debe a las diferentes proporciones de sus grupos funcionales en los diferentes grupos macerales, como lo sugiere Shu et al., 2002, y a sus variaciones en las propiedades físico - químicas. Los resultados de esta investigación difieren grandemente con los dados en otras investigaciones donde la recuperación se da a pH básicos. (Honaker et al. 1996); en este trabajo se aprecia recuperaciones de los componentes macerales a pH ácidos (figura 5.22). En esta investigación se pudo comprobar que no todas las experiencias anteriores en flotación de macerales, han dado un buen resultado para la recuperación de éstos componentes en las muestras seleccionadas, de esto se concluye que cada carbón posee características propias que afectan la separabilidad y de ahí la importancia de realizar investigaciones encaminadas a conocer y determinar las características propias de los carbones de nuestro país.

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76

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

La caracterización electrocinética de los diferentes grupos macerales, donde se involucre la medida del potencial Zeta variando el pH; la medida del ángulo de contacto y del área especifica de cada componente (que permita conocer el número de componentes hidrofilicos) es una tarea necesaria para entender y explicar los diferentes fenómenos que se dan durante la separación mediante la flotación espumante, cabe resaltar que no se conoce referencia bibliográfica sobre estas características al menos para los carbones colombianos. De acuerdo a los resultados, para cada tipo de carbón se requiere implementar etapas sucesivas de flotación de limpieza variando condiciones de operación lo cual permite el enriquecimiento de cada una de las corrientes en los diferentes grupos macerales. El trabajo presentado aquí representa la aplicación de la petrografía como herramienta de caracterización de los productos de flotación columnar, y como esta cumple con una función importante de caracterización de los carbones antes y después del proceso de separación tanto en el estudio de liberación como de flotación. Permite además determinar, si la recuperación se da o no y el tipo de enriquecimiento que entre los componentes. Es importante resaltar que en de los trabajos reportados sobre separación de macerales (por medios densos y flotación) utilizan como herramienta para evaluar el proceso, el análisis de FTIR, en este trabajo se sugiere adelantar trabajos de comparación con estas dos técnicas (con la petrografía). Comparando las recuperaciones alcanzadas por cada uno de los grupos macerales en las figuras 6.1, 6.2, 6.3, se aprecia un comportamiento distinto en cada uno de ellos, bajo las mismas condiciones, esto se debe a que cada carbón tiene diferentes características físico – químicas y un grado de carbonificación distinto. Se debe tener presente, que si bien podemos encontrar una buena población de macerales libres en un intervalo de tamaño que va entre 50 – 45 micras, es muy importante, que la distribución de tamaños no sea tan grande ya que esto y una distribución en el tamaño de las burbujas va influir en la recuperación. Se proponen para trabajos posteriores evaluar la influencia que tiene una fragmentación tan fina (menor a 10 micras) sobre las características superficiales del carbón, ya que la liberación de los componentes se da a esa granulometría. En la figuras 5.14 Se puede observar una amplia distribución de tamaños de partícula (desde 0.05 hasta 351 micras), por referencias se conoce que una amplia distribución en el tamaño de partículas afectan fuertemente los porcentajes de recuperación de cualquier componente mediante la flotación en columna.

Page 85: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

77

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 6.1 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Antioquia en función de los diferentes colectores empleados en las pruebas de flotación en

columna a pH 8.

Figura 6.2 Curvas de recuperación de los grupos macerales de Boyacá en función de los diferentes colectores empleados en las pruebas de flotación en columna a pH 8.

c1 c2 c3 c4 c5 c60

10

20

30

40

50

60 ZONA BOYACÁ

Rec

uper

ació

n % pH 8

Colector

Liptinita

Vitrinita

Inertinita

C1 C2 C3 C4 C5 C6

0

10

20

30

40

50

60ZONA ANTIOQUIA

pH 8

Vitrinita

Liptinita

InertinitaR

ecup

erac

ión

%

Colector

Page 86: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

78

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Figura 6.3 Curvas de recuperación de los grupos macerales de la Guajira en función de los diferentes colectores empleados en las pruebas de flotación en columna a pH 8. Por último cabe resaltar, que si bien, esta investigación ha logrado dar los primeros pasos en el conocimiento de la separación de macerales, todavía es necesario crear un marco de referencia más amplio.

C1 C2 C3 C4 C5 C60

10

20

30

40

50

60

70

80

90

ZONA GUAJIRA

pH 8R

ecup

erac

ión

%

Colector

Vitrinita

Inertinita

Liptinita

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79

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

CONCLUSIONES El estudio micropetrográfico de las muestras de carbón señala que el porcentaje maceral que se encuentra en mayor proporción en los carbones estudiados es la vitrinita, seguido de la liptinita para los carbones de la Cuenca Carbonífera de Antioquia y de la inertinita para las Cuencas Carboníferas de Boyacá y la Guajira. La zona de Antioquia determinó que el maceral más abundante es la vitrinita con un porcentaje de 84%, se caracteriza por presentarse en bandas homogéneas principalmente; el maceral que le sigue en proporción es la liptinita con un 11%, sus tamaños oscilan entre 2 y 300 micras y sus formas son variadas, este grupo se presenta muy asociado a la vitrinita; el porcentaje de vitrinita alcanza un 2%, al igual que la liptinita presenta una variedad en cuanto a su tamaño de grano. Para la zona de Boyacá el maceral vitrinita al igual que en Antioquia se presenta en un 84%, seguido de la inertinita con un 11% y la liptinita alcanza el 3%, en La Guajira la vitrinita está en un 75%, la inertinita en un 20% y la liptinita en 2%. Los carbones se caracterizan por presentar como microlitotipos dominantes vitrita (en todas las muestras), clarita V (en la zona de Antioquia), vitroinertita V (Boyacá y Guajira) y trimacerita V (Guajira y Antioquia). Según la caracterización físico-química de los carbones se pueden clasificar como subbituminoso B (Antioquia), bituminoso alto en volátiles C (Guajira) y bituminoso alto en volátiles A (Boyacá) El análisis de liberación maceral muestra que la amplia variación de formas y tamaños (figura 5.9, 5.10) juegan un papel determinante en la generación de granos libres, si se busca obtener una mayor liberación de los componentes es necesario llevar los carbones a una granulometría muy fina (menor a 10 micras) como se puede deducir observando la grafica 5.11, 5.12 y 5.13.

Page 88: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

80

Separación de los grupos macerales del carbón mediante el uso de flotación en columna

Los grupos de macerales tienen el mismo comportamiento al de los minerales durante la reducción de tamaño, el número de componentes libres incrementa. El grupo maceral que presenta mayor probabilidad de encontrarse libre es la vitrinita, ya que es el maceral que se está en mayor proporción, esto se evidencia en el dominio del microlitotipo vitrita en las distintas muestras (figura 5.5); el segundo grupo es la inertinita especialmente en los carbones de Boyacá y la Guajira donde éste predomina sobre la liptinita, además sus tamaños aunque tienen una amplia variación, su forma de presentación (tejidos de gran tamaño) permite que se libere mas fácilmente. La liptinita se caracterizó por encontrarse muy asociada a la vitrinita en la zona de Antioquia. En un rango de tamaño entre 50 y 40 micras podemos encontrar que el proceso de liberación diferencial entre los diferentes macerales es importante (figura 5.11, 5.12, 5.13), esta granulometría podría ser considerada adecuada para el proceso de flotación, siempre y cuando la distribución de tamaño no sea tan amplia. El porcentaje de los componentes juega un papel determinante en su liberación, siempre la probabilidad de encontrar un componente libre esta determinada fuertemente por la cantidad de él en la muestra analizada. En la fase I, los resultados muestran para la zona de Antioquia que la vitrinita y la liptinita presentaron la mayor recuperación con el colector “flotigram 1123” a pH 8 donde alcanzó una recuperación de 50 y 35 % respectivamente; la inertinita obtiene mayor recuperación con cloruro de cetil trimetil amonio, “flotigram 3029” a pH 8 de 60 %, en esta muestra el orden de flotabilidad bajo estas condiciones fue vitrinita, inertinita y liptinita; inertinita, vitrinita y liptinita respectivamente (ver figura 5.15, 5.16). Los tres grupos de macerales de la zona de La Guajira vitrinita (30%), liptinita (80%) e inertinita (50%) obtienen su mejor recuperación en esta primera fase con “flotigram 1123” a pH 8 (ver figura 5.17, 5.18). La vitrinita de Boyacá obtiene bajo las mismas condiciones que la de Antioquia, una recuperación del 60%, la liptinita con el colector “Flotigram 3050 ET” a pH 8 alcanza una recuperación del casi 60% y la inertinita del 40% con flotigram 3029 y 3050 a pH 8 y 11 respectivamente (ver figura 5.19, 5.20).

Page 89: Separacion de Los Grupos Macerales Del Carbon El Uso de Flotacion en Columna

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De esta primera fase se puede concluir además que el grupo maceral la vitrinita, de las muestras seleccionadas que mejor se recuperó fue la de la zona de Boyacá, la liptinita de La Guajira y la inertinita la de Antioquia (ver figuras 5.15 - 5.20). Como conclusión final de esta fase es la influencia que tiene el rango del carbón sobre la flotación, ya que como se pudo ver en el capitulo 5.3, las muestras de carbón se comportan de manera distinta bajo las mismas condiciones. De la segunda fase se concluye para la zona de Antioquia que la recuperación de los tres grupos de macerales se mejora a pH 5, mientras que para la zona de La Guajira sigue teniendo una mejor recuperación a pH 8; y en Boyacá la inertinita y la liptinita consiguen una mejor recuperación al aumentar el pH a 10, la vitrinita a pH 8 (ver figuras 5.22, 5.23, 5.24). Para la fase tres, el maceral que mejora en el porcentaje de recuperación para la zona de Antioquia es la inertinita con un casi 80%, cuando empleamos keroseno a pH 3, lo demás presentan pobre recuperación, comparadas con las anteriores. Boyacá no mejora su recuperación en esta fase y en la Guajira la recuperación de la liptinita a pH 3 con alcanolamina alcanza un 80% (ver figuras 5.26, 5.27, 5.28, 5.29, 5.30, 5.31). Para la fase cuatro es notable la influencia que tiene la variación de la tensión superficial sobre la recuperación de los macerales, para los dos primeros minutos se tenia en esta fase un 40% del grupo maceral de la vitrinita recuperado a 0.5% de metanol y a los 6 minutos un 90% empleando el mismo colector de la primera fase. La liptinita con 0.5% de metanol alcanza un 75% de recuperación total y la inertinita un 95% (ver figura 5.33, 5.34, 5.35). De todas las pruebas que se realizaron la mejor recuperación de la vitrinita fue: Antioquia de un 80% en la última fase (ver figura 5.33), utilizando flotigram 1123, de Boyacá fue un 60% en la primera fase a pH 8 (ver figura 5.19, figura 5.36) y con el mismo colector de la anterior. Guajira con casi un 35% se recupero empleando keroseno a pH 3 (ver figura 5.30). La liptinita que se recuperó mejor fue la de Boyacá con 81 % a pH 10 (ver figura 5.24), con el colector flotigram 1123. Seguida de la Guajira un 80% a pH 8 con flotigram 1123 (ver figura 5.17) y por último Antioquia con un 70% empleando flotigram 1123 en la prueba de la fase cuatro a una concentración de metanol de 0.5%, y en la fase uno a pH 5 (ver figura 5.34). La inertinita se recuperó así Boyacá con un 96% a pH 10 con flotigram 1123 (ver figura 5. 24), Antioquia con un 90% en la fase cuatro con metanol al 0.5%, empleando flotigram 1123 (ver figura 5.35), ó a pH 5 con el mismo colector

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alcanzó casi un 85% (ver figura 5.22) y Guajira un 50% con flotigram 1123 a pH 8 (ver figura 5.17). Se puede concluir de todo lo anterior que el colector que mejor se comporta para la recuperación de los tres grupos de macerales fue el cloruro de alquil dimetil benzil amonio “flotigram 1123”; este tipo de colector puede ser empleado en la recuperación de los tres grupos de macerales, cabe destacar además, que el pH sigue siendo una variable muy importante para este proceso de flotación y que se deben seguir llevando pruebas teniéndolo en cuenta. Dada las grandes recuperaciones conseguidas mediante la manipulación de la tensión superficial, empleando metanol, (ver figura 5.33, 5.34, 5.35) es importante realizar pruebas experimentales con esta metodología a las muestras de la región de Boyacá y la Guajira. La separación de los componentes macerales permitirá como última instancia un mejor conocimiento del carbón; por ende, de sus propiedades y posibles usos, ya que como se observa a lo largo de la investigación el comportamiento es muy distinto en los carbones colombianos, comparándolo con otras partes del mundo. Por tal motivo no son vanos los esfuerzos con miras a aproximarse a la comprensión de los fenómenos involucrados en su separación, que nos permita el control de las variables involucradas.

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