Técnicas de caracterización y procedimientos empleados en la mineralogía aplicada al beneficio de minerales

TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN Y PROCEDIMIENTOS EMPLEADOS EN LA MINERALOGÍA APLICADA AL BENEFICIO DE MINERALES

Dr. Antonio Aragón Piña

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SAN LUIS POTOSÍ

INSTITUTO DE METALURGIA-FACULTAD DE INGENIERÍA

SAN LUIS POTOSÍ, S.L.P., MÉXICO, 2021

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Copyright © 2021 Dr. Antonio Aragón Piña

ISBN Paperback: 978-1-64086-926-4

ISBN eBook: 978-1-64086-927-1

ÍNDICE

PRÓLOGO

Capítulo 1

Importancia de la caracterización mineralógica en el procesamiento de minerales

Capítulo 2

Importancia del conocimiento de la mineralogía en la caracterización de minerales

2.1. ¿Qué es un mineral?

2.2. Variaciones en la composición más frecuentes en los grupos de minerales de mayor interés

2.3. Importancia de la caracterización de minerales

Capítulo 3

Técnicas de caracterización más importantes en la caracterización de minerales

3.1. Difracción de Rayos X, generalidades sobre la aplicación en caracterización mineralógica

3.2. Microscopía electrónica de barrido con microanálisis acoplado, generalidades sobre el uso y aplicación en caracterización mineralógica

Capítulo 4

Principios fundamentales requeridos en las principales técnicas de caracterización para su óptimo aprovechamiento

4.1. Estructura Cristalina

4.2. Difracción de Rayos X, fundamentos básicos para la caracterización mineralógica

4.3. Microscopía Electrónica de Barrido, fundamentos básicos para la caracterización mineralógica

4.3.1. Estructura de un Microscopio Electrónico de Barrido

4.3.2. Imágenes de Electrones Secundarios (SE) y variables que tienen un efecto profundo en la formación y calidad de la imagen

4.3.2.1. Voltaje de aceleración

4.3.2.2. Convergencia del haz de electrones (Spot size)

4.3.2.3. Tamaño de abertura

4.3.2.4. Distancia de trabajo

4.3.2.5. Problemas de la óptica electrónica

4.3.3. Imágenes de Electrones Retrodispersados (BSE) que son sensibles a la composición química.

4.4. Microanálisis, fundamentos básicos para la caracterización mineralógica

4.4.1. Fundamento principal de las técnicas de microanálisis EDS y WDS

4.4.1.1. Características particulares de la Espectrometría de Energía Dispersa

4.4.1.2. Características particulares de la Espectrometría por Longitud de Onda

Capítulo 5

Preparación de muestras para Microscopía electrónica de barrido

5.1. Tipos de montaje de muestras

5.1.1. Montaje directo

5.1.2. Montaje en resina

5.2. Tipos de recubrimiento y su selección

5.3. Muestras de preparación más elaborada: Secado de Punto Crítico

Capítulo 6

Integración de técnicas y de información mineralógica-textural en la caracterización

6.1. Identificación de minerales por MEB-EDS

6.2. Cuantificación de partículas de distintas especies minerales por MEB-EDS

Capítulo 7

Reconstrucción mineralógica y Análisis modal

7.1. Reconstrucción mineralógica

7.1.1. Identificación de las especies minerales y conversión del elemento a la especie mineral

7.1.2. Ejemplo de reconstrucción Mineralógica

7.2. Análisis Modal

7.3. Liberación de especies minerales

7.4. Ejemplo de liberación de especies minerales

7.4.1. Clasificación granulométrica por mallas

7.4.2. Obtención de los análisis químicos por los elementos de interés para cada fracción granulométrica y su distribución en porcentaje en peso

7.4.3. Identificación de especies

7.4.4. Reconstrucción mineralógica y distribución de especies minerales

7.4.5. Liberación relativa

7.4.6. Liberación Absoluta

7.4.7. Distribución granulométrica y K80

7.4.8. Conclusiones e información valiosa del estudio de liberación

Capítulo 8

Casos especiales de estudio

8.1. Caso de estudio: Oro invisible

8.2. Caso de estudio: Minerales manganoargentíferos

8.3. Caso de estudio: Influencia de propiedades de enlace químico en capacidad envolvente

8.3. Caso de estudio: Caracterización de especies oxidadas de minerales de plomo y zinc.

8.4. Caso de estudio: Caracterización de alteraciones en minerales producidas por microorganismos.

8.5. Caso de estudio: Caracterización de la contaminación atmosférica por partículas provenientes de actividades minero-metalúrgicas.

Referencias y libros recomendados

APÉNDICE

Espectros EDS de los minerales más comunes que se pueden presentar durante una caracterización mineralógica por MEB-EDS 179

A1) EDS- MINERALES DE PLATA

A2) EDS- MINERALES DE PLATA

A3) EDS- MINERALES DE ORO O CON EL ELEMENTO

A4) EDS- MINERALES DE PLOMO

A5) EDS- MINERALES DE PLOMO

A6) EDS- MINERALES DE COBRE

A7) EDS- MINERALES DE COBRE

A8) EDS- MINERALES DE ZINC

A9) EDS- MINERALES DE HIERRO

A10) EDS- MINERALES DE ARSÉNICO Y ANTIMONIO

A11) EDS- MINERALES DE MANGANESO QUE ADSORBEN PLATA

A12) EDS- MINERALES DE TITANIO, ZIRCONIO Y TIERRAS RARAS

A13) EDS- MINERALES DE BISMUTO Y TELURIO

A14) EDS- MINERALES VARIOS

Esta obra está dedicada especialmente a todos mis alumnos dentro del ambiente académico, así como del sector industrial; quienes me han motivado y dado la oportunidad de transmitirles este conocimiento dentro de mis posibilidades y con la mejor de las intenciones. Espero que este trabajo sea un punto de apoyo para las generaciones futuras.

A mi familia.

A mi querida Universidad Autónoma de San Luis Potosí por su respaldo, así como a las autoridades, colegas y amigos del Instituto de Metalurgia y Facultad de Ingeniería.

Mi reconocimiento y gratitud a mi colega la Ing. María Teresa Pineda Méndez de la empresa CORPORACIÓN QUÍMICA PLATINUM S.A. de C.V., por su invaluable apoyo y amistad, así como su entrega y paciencia en la revisión de esta obra.

Mi más profunda gratitud a la empresa ORION PRODUCTOS INDUSTRIALES, S.A. de C.V. y CORPORACIÓN QUÍMICA PLATINUM S.A. de C.V., por haber impulsado y patrocinado esta obra, especialmente al Sr. David Larrauri Cruz, por su valioso apoyo para hacer posible la publicación de esta obra.

PRÓLOGO

Existe actualmente en nuestro país una insuficiente difusión de los alcances de las técnicas de caracterización y procedimientos empleados en la mineralogía aplicada al beneficio de minerales. Lo anterior es debido principalmente a que los egresados de licenciatura de las carreras de metalurgia, llevan de manera incipiente los temas relacionados, o no los llevan.

Particularmente en lo referente a la Caracterización Mineralógica, el conocimiento sobre estos temas, ha sido transmitido a los alumnos de posgrado prácticamente a voz del profesor a través de las materias relacionadas, pero sin el apoyo de un manual; incluso los alumnos con experiencia laboral, con mucha frecuencia desconocen los procedimientos de la caracterización mineralógica, quienes vienen de la industria a reforzar y ampliar sus conocimientos. Desafortunadamente, la bibliografía de apoyo existente es muy general y es de carácter sólo informativo, pero no descriptivo en cuanto a procedimientos; por ejemplo, existe gran desconocimiento sobre el potencial que poseen las técnicas avanzadas a la caracterización de minerales, y hasta de procedimientos de cómo realizar paso a paso una reconstrucción mineralógica o un análisis modal. Lo anterior sólo lo manejan algunos alumnos egresados de posgrado con enfoque al procesamiento de minerales, quienes han adquirido estos conocimientos a través de cursos especializados, y que tienen ventaja aún sobre el personal técnico experimentado que ha trabajado incluso por años en industrias minero-metalúrgicas. Esta situación frecuentemente es debida a la carencia de estos temas durante los estudios de licenciatura; y que, además, no existen libros o manuales de apoyo enfocados a explicar las técnicas y procedimientos que se utilizan en la caracterización mineralógica; el integrar estos conocimientos, sería una muy valiosa herramienta en la optimización del beneficio de minerales.

Considerando que en la licenciatura está el grueso de la población de los alumnos que estudian temas minero-metalúrgicos, la enorme mayoría de los egresados desconocerán los alcances reales de la mineralogía aplicada, y que está soportada estrechamente en técnicas avanzadas de caracterización.

Por lo anterior, esta obra está dirigida principalmente a alumnos de licenciatura y posgrado de las carreras relacionadas con la Ingeniería de Minerales, así como al personal técnico que labora en empresas del ramo minero-metalúrgico; y desde luego, a quienes desean involucrarse en la caracterización mineralógica.

Capítulo 1

Importancia de la caracterización mineralógica en el procesamiento de minerales

La complejidad del mundo de los minerales resulta enorme, existen más de 5000 especies reportadas y aprobadas por la Asociación Internacional de Mineralogía ( IMA , por sus siglas en inglés), de los cuales alrededor de 100 minerales comunes representan al menos 99% de la corteza terrestre. Desde tiempos ancestrales, un puñado de minerales, en relación a su inmensa variedad, comenzaron a utilizarse como pigmentos, elementos de ornato, elaboración de herramientas y artefactos de guerra, en construcción, etc.; de tal manera que los minerales y sus productos derivados, han sido piedra angular en el desarrollo tecnológico de nuestra cultura, proporcionando comodidades y beneficios que eran inimaginables en el pasado.

Al paso del tiempo, los minerales se han explotado ampliamente en todo el mundo desde tiempos remotos; y particularmente el interés por los metales, despertó la actividad metalúrgica en las primeras civilizaciones, comenzando con metales como el cobre y sus aleaciones (bronce), después el oro y la plata, y posteriormente el hierro.

Las civilizaciones más antiguas que iniciaron estas actividades, estuvieron mayormente ubicadas en el entorno del Mediterráneo, entre las que destacaron los Hititas, Romanos, Griegos, Sirios, Fenicios y Egipcios. En Mesoamérica y la región Andina, fueron notables los imperios Azteca, Maya e Inca, por su interés en metales preciosos como el oro y la plata, los cuales se podían encontrar como nativos con mayor facilidad a como se encuentran actualmente; también fueron muy apreciados minerales como el jade, incluso más valorado que el oro.

Desde entonces hasta nuestros tiempos, la sobreexplotación ha dado lugar a cada vez mayores dificultades en la localización, extracción, caracterización y procesamiento de minerales, por lo cual la tecnología ha evolucionado en respuesta a satisfacer la alta demanda de productos extraídos y procesados a partir de los minerales. Constantemente los procesos de beneficio de minerales se optimizan y se desarrollan otros novedosos, lo que ha permitido incrementar la eficiencia en la recuperación de valores con respecto a lo que se lograba recuperar en el pasado, y ahora, la atención se ha tornado también a yacimientos olvidados y residuos mineros que en su tiempo carecían de interés económico.

Los retos actuales en la extracción y beneficio de minerales, implican mayores dificultades, y para el desarrollo y seguimiento de los procesos involucrados, es indispensable la incorporación de técnicas de caracterización cada vez más avanzadas, que han aparecido y evolucionado vertiginosamente a partir de la centuria pasada, y sobre todo en las últimas décadas; y por lo mismo, la difusión aún resulta insuficiente; ya que sólo hasta ahora, se está logrando alcanzar a las nuevas generaciones, quienes deben comprender el enorme beneficio que representan estas técnicas. Los procesos de beneficio de minerales, hasta hace poco, se realizaban totalmente a prueba y error y sin pleno conocimiento del estado mineralógico de los valores y la ganga, así como de las asociaciones o intercrecimientos que se pueden presentar entre las especies minerales; lo cual, definitivamente repercute en el grado de dificultad en la recuperación de los valores, a partir de los minerales en donde se encuentran.

Actualmente resulta obsoleto basarse únicamente en las técnicas de análisis tradicionales como los análisis químicos por vía seca y húmeda, absorción atómica o plasma, que aunque proporcionan de manera certera el contenido de elementos químicos, se necesita el empleo de otras técnicas para definir en qué especies minerales se presentan los valores, así como sus asociaciones con la ganga o dicho de otra manera, lo que se conoce como relaciones texturales; en otras palabras, se requiere definir el cómo está además del cuanto hay.

Las técnicas modernas que están cobrando mayor impacto a nivel del sector industrial minero-metalúrgico, sin lugar a dudas, son la Microscopía electrónica de barrido con microanálisis acoplado y la Difracción de rayos X, las cuales en conjunto pueden proporcionar información específica sobre las especies minerales, sus relaciones texturales, así como tamaño y grado de liberación; ésta información es indispensable para optimizar los procesos de recuperación, lo cual permite aumentar considerablemente la eficiencia, eliminando el trabajar a prueba y error.

Otro factor de suma importancia y que debe estar aunado al conocimiento y manejo de las técnicas avanzadas de caracterización, es un amplio o por lo menos suficiente conocimiento de la mineralogía, pues como se mencionó anteriormente, la complejidad del mundo de los minerales es considerable.

Capítulo 2

Importancia del conocimiento de la mineralogía en la caracterización de minerales

Para comprender la importancia del conocimiento de la mineralogía en la caracterización de minerales, primero es necesario definir y explicar qué es un mineral.

2.1. ¿Qué es un mineral?

Para definir un mineral, no es posible hacerlo en una simple frase, ya que su complejidad implica varias consideraciones que van desde su origen, hasta su composición química y estructural; de