PARTITIONING OF ELEMENTOS IN TWO COALS FROM SOUTH WEST OF COLOMBIA

ANDRÉS F. ROJAS
Departamento de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, Sede Palmira, afrojasgo@unal.edu.co

JUAN M. BARRAZA
Escuela de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad del Valle, Cali, jubarraz@univalle.edu.co

Recibido para revisar  3 de Julio  de 2006, Aceptado 16 de Febrero de  2007, versión final 16 de  Marzo de 2007

RESUMEN: Se presentan los resultados del particionado de elementos al beneficiar dos carbones del Sur-Occidente Colombiano mediante separación ciclónica en medio denso. Las fracciones beneficiadas de carbón se obtuvieron empleando dos etapas de separación en serie. Tanto las fracciones de alimento de la primera etapa como las fracciones de fondo de la segunda etapa se analizaron por Fluorescencia de Rayos X (XRF) para determinar la concentración de 33 elementos. A partir de estos datos se determinó el factor de partición elemental con el fin de conocer su afinidad hacia las fases ricas en materia orgánica o materia mineral. Se encontró que cuando el tamaño de partícula de las fracciones de carbón disminuye se aumenta la afinidad de los elementos hacia la materia mineral.

PALABRAS CLAVE: Elementos, factor de partición, carbón beneficiado, separación ciclónica.

KEYWORDS:  Elements, partition factor, beneficiated coal, cyclone separation

1. INTRODUCCIÓN

A nivel industrial y principalmente en los procesos de combustión, la materia mineral presente en los carbones genera grandes problemas de contaminación atmosférica, oxidación, obstrucción y pérdida de eficiencia térmica. Los elementos presentes en el carbón salen al ambiente con las cenizas volantes y en fase gaseosa, con los gases de combustión, de tal manera que afectan el crecimiento de la vegetación, y la salud tanto de animales como de los humanos.  Por tal motivo se hace imprescindible retirar la materia mineral del carbón por medio de procesos químicos, como lixiviaciones con ácido, o físicos, como precipitación electrostática, flotación, o en ciclones con medios. En este último se aprovecha la fuerza centrífuga que se produce dentro del equipo, con el fin de obtener fracciones ricas en materia orgánica que salen por la parte superior (fracción liviana) y fracciones ricas en materia mineral (fracción pesada), que se obtiene por la parte inferior del equipo [1]. Se ha encontrado [2] que en los procesos de beneficio se presenta cierta distribución de los elementos presentes en el carbón, distribuyéndose en las fracciones livianas y pesadas que se obtienen de dicho proceso.  La facilidad de un elemento en concentrarse en una de las dos fracciones o en ambas, depende de la afinidad que exista entre el elemento y la fase orgánica o inorgánica.  De igual manera se ha reportado [3] que la afinidad hacia alguna de las dos fracciones depende de factores como el modo de ocurrencia de los elementos, tamaño de partícula y el tipo de técnica de beneficio usada.

La determinación de los elementos en las diferentes fracciones de carbón generalmente se lleva a cabo empleando equipos de Fluorescencia de Rayos X (XRF), en los que se irradia la muestra con un haz de rayos X que provienen de un tubo de Coolidge o de una fuente radiactiva, de tal manera que los elementos de la muestra se excitan por absorción del haz primario emitiendo sus propios rayos X de fluorescencia característicos [4]. Esta técnica de análisis se caracteriza porque no destruye la muestra, analiza múltiples elementos en pocos minutos, puede determinar bajas concentraciones, no se requiere eliminar la materia orgánica y analiza tamaños de muestra que varia desde una partícula apenas visible hasta objetos de tamaño considerable [5].

El objetivo del estudio fue determinar el  particionado de elementos de dos carbones del Sur-Occidente Colombiano usando un proceso de separación ciclónico.

2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

Se seleccionaron dos carbones de la región Sur Occidental Colombiana de las minas Guachinte (Cauca) y Golondrinas (Valle del Cauca), los cuales se redujeron de tamaño en un molino de bolas y se clasificaron respecto a su tamaño empleando tamices estándar de la serie Taylor en tres fracciones de tamaño de pasante 1000µm y retenido 600µm (-1000+600µm), pasante 600 y retenido 425µm (-600+425µm), y pasante 425µm y retenido 250µm (-425+250µm).

Las fracciones de carbón se obtuvieron en un circuito ciclónico (ver figura 1), utilizando nitrato de calcio, Ca(NO₃)₂ como medio denso de separación a densidades específicas de 1.3 y 1.4. Se alimentó 1 kilogramo de carbón de cada tamaño de partícula, el cual se adicionó al tanque de alimentación que contiene 20 litros de solución de nitrato de calcio. Mayores detalles del procedimiento usado en el circuito ciclónico se encuentra en el trabajo desarrollado por Caicedo [6]. El carbón beneficiado se separó del medio a través de un filtro a presión con aire, luego se lavó y se secó con aire en el filtro. El producto de fondo se recirculó al tanque de alimentación para realizar la segunda etapa de beneficio.  Posteriormente el flujo de fondo final y al igual que el de tope de la segunda etapa se filtró para recuperar el medio, se lavó con agua y se secó con aire a presión.  Finalmente los carbones beneficiados (flujos de tope) de las dos etapas y el flujo de fondo final se terminaron de secar al aire libre, se pesaron y se les hizo análisis de humedad, cenizas y azufre. Se asume que las aguas de lavado no presentan trazas de elementos solubles.

]]> Figura 1. Esquema del circuito ciclónico
Figure 1. Cyclone test rig diagram

La determinación de 33 elementos presentes en las fracciones de carbón alimentadas al sistema ciclónico y en las fracciones de fondo de la segunda etapa del proceso de beneficio se realizó por Fluorescencia de Rayos X (XRF).

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1 Análisis Próximo De Carbones Originales
En la Tabla 1 se presenta el análisis próximo de las muestras originales (tal como se recibieron de las minas) y el de las fracciones de carbón de tres tamaños de partículas alimentados al hidrociclón. Los resultados muestran que ambos carbones originales presentan relativamente iguales contenidos de cenizas, pero hay diferencias apreciables en el contenido de azufre total. El carbón proveniente de la mina Guachinte tiene mayor contenido de azufre total que el carbón de la mina Golondrinas. Este es un comportamiento característico encontrado en investigaciones anteriores [6-8] donde se observó que los carbones del Cauca poseen alta concentración de azufre comparativamente con los carbones del Valle.

Tabla 1.  Análisis próximo de carbones originales y fracciones alimento
Table 1. Proximate analysis of original and feed coal fractions

De igual manera, este comportamiento se presenta en el carbón fijo presente en dichas fracciones. En cuanto al contenido de azufre, se puede observar que hay alguna reducción en el contenido de azufre total en las fracciones de carbón de menor tamaño de partícula en el carbón Guachinte. Para el carbón Golondrinas, el azufre se concentró en la fracción  de  tamaños  de  partículas  intermedio   (-600+425mm). El anterior comportamiento ilustra que la distribución de tamaño tiene un importante efecto sobre la distribución de elementos de partícula y por ende sobre la afinidad de los mismos.

3.2 Concentración de elementos en carbones originales y fondos
Los elementos se han agrupado en varias categorías según Valkovic [9]. Elementos mayores son aquellos que presentan concentraciones superiores a 5000 ppm, elementos menores los que tienen concentraciones entre 200 y 5000 ppm, y elementos trazas los que presentan concentraciones menores a 200 ppm. En las Tablas 2 y 3 se presentan las concentraciones de los elementos en función del tamaño de partícula y densidad del medio de separación de las fracciones alimento y fracciones de fondo para los carbones Golondrinas y Guachinte, respectivamente.

Tabla 2.  Concentración de Elementos en Fracciones Alimento y Fondos del Carbón Golondrinas.
Table 2. Elementary concentration of feed and bottom coal fractions from Golondrinas coal.

Tabla 3.  Concentración de Elementos en Fracciones Alimento y Fondos del Carbón Guachinte.
Table 3. Elementary concentration of feed and bottom coal fractions from Guachinte coal.

También se encontró en el carbón Guachinte (Tabla 3) que los elementos Fe, Mg, Ti, Mn, B, Co, Cr, Ga, La, Nb, Ni, Sb, Sc, Sr e Y presentan, para la mayoría de los casos, mayor concentración en los alimentos, comparativamente con la concentración en las fracciones de fondo obtenidas a las dos densidades específicas de separación y tres tamaños de partícula.  Otros elementos como As, Bi, Cd, Ba, Sn, Zn, W y V presentan similar concentración en las fracciones alimentos y en los fondos, mientras que los elementos Ca, Pb, Cu, Zr y Mo presentan mayor concentración en los fondos que en las fracciones alimentos.

Para el carbón Golondrinas (Tabla 2) se encontró que los elementos Ca, Sc, Sr, Y y Zr, presentan mayor concentración en los alimentos, comparativamente con la concentración en las fracciones de fondo obtenidas a las dos densidades específicas de separación y tres tamaños de partícula.  Otros elementos tales como Ti, Mn, As, B, Ba, Be, Bi, Cd, Co, Cr, Ga, La, Pb, Sb, Sn, W y Zn, presentan similar concentración en las fracciones alimentos y en los fondos, mientras que los elementos Fe, Mo y Ni, presentan mayor concentración en los fondos que en las fracciones alimentos.

El comportamiento anterior sugiere que algunos elementos se distribuyen preferiblemente (presentan afinidad) hacia las corrientes de fondo, o corrientes de tope o en algunos casos hacia ambas corrientes; lo cual indica que algunos elementos pueden tener afinidad con la materia mineral, con la materia orgánica o con las dos fases. La afinidad se puede obtener por medio de un parámetro conocido como el factor de partición elemental (P) [2,9], el cual se evaluará a continuación.

3.3 Factor de partición elemental
El factor de partición elemental es un parámetro utilizado para determinar la afinidad de un elemento hacia la fase orgánica o mineral [2]. Este parámetro se define como la relación entre la concentración elemental en la fracción beneficiada y la concentración elemental en la fracción alimento, y está dada por la siguiente ecuación:

Donde P es el factor de partición elemental; C_b es la concentración elemental determinada en el carbón beneficiado, mg elemento / mg de ceniza; C_a la concentración elemental determinada en el

carbón alimento, mg elemento / mg de ceniza; Cz_b el contenido de ceniza en el carbón beneficiado, mg de ceniza / mg carbón beneficiado; y Cz_a el contenido de ceniza en el carbón alimento, mg ceniza / mg carbón alimento.

Conzemius [2] estableció que si P es mayor que 2, el elemento se retiene en la matriz carbonosa, o sea que se encuentra en mayor proporción en el carbón beneficiado, indicando que tiene afinidad con la materia orgánica; si P está entre 0.5 y 2 indica que no hay partición del elemento, es decir se distribuye hacia la materia mineral y hacia la materia orgánica (tiene afinidad hacia la materia orgánica y materia mineral); pero si P es menor que 0.5 indica que el elemento está en mayor proporción en la fracción de fondo rica en materia mineral (afinidad a la materia mineral). Dado que en este trabajo se conocen las concentraciones de los elementos en las fracciones alimento y de fondo del ciclón, y por analogía con el anterior factor se propuso el siguiente factor de partición:

Donde C_f y Cz_f son la concentración elemental y el contenido de ceniza, respectivamente, determinados en la fracción de fondo del ciclón.  En este caso, el factor de partición significa que si P es mayor que 2, el elemento tiene afinidad con la materia mineral; si P está entre 0.5 y 2 indica que hay afinidad hacia la materia mineral y la materia orgánica; mientras que si P es menor que 0.5 indica que presenta afinidad con la materia orgánica. Los resultados del factor de partición se muestran en las Figuras 2 a 5 para las fracciones de carbón de la mina Guachinte a densidades específicas de separación Guachinte y Golondrinas a densidades específicas de separación de 1.3 y 1.4. El valor del factor de partición de algunos elementos no se reportó dado que su concentración está por debajo del límite de detección del equipo o porque no se detectaron rastros del elemento como en el caso de los elementos Ag, Au, Pd y Pt.

Figura 2. Factor de partición de elementos para el carbón Guachinte procesado a una densidad especifica de 1.3
Figure 2. Elementary partitioning factor for Guachinte coal processed to specific density of 1.3

Analizando el carbón Guachinte se observa que para la fracción de fondo obtenida a una densidad específica 1.3 (Figura 2) y con un tamaño de partícula –1000+600 µm, se encontró que el calcio fue el único elemento que presentó afinidad hacia la materia mineral de acuerdo con su factor de partición (P = 4.84). Sin embargo, se observó que los elementos Mg, Mn, Co, Ni y Sc presentaron un factor de partición inferior a 0.5, indicando que tienen afinidad hacia la materia orgánica. Para el caso  de   la   fracción  de   tamaño   de   partícula –600+425µm obtenida a una densidad específica de 1.3, el Cu presenta afinidad hacia la materia mineral, y el Mg sigue presentando afinidad hacia la materia orgánica. El resto de elementos se distribuyeron entre la materia mineral y la materia orgánica. En la fracción de tamaño de partícula –425+250 µm obtenida a una densidad específica de 1.3 todos los elementos detectados presentaron afinidad con la materia mineral, exceptuando el Mg y el Cr los cuales se distribuyeron entre la materia mineral y la materia orgánica.

Ahora, analizando las fracciones de fondo obtenidas a una densidad específica de 1.4 (Figura 3) se encontró que en la fracción de tamaño de partícula –1000+600 µm el Ca, Mo y Zr, presentaron afinidad hacia la materia mineral; mientras que el Mn, Mg, Ni e I, presentaron afinidad hacia la materia orgánica.  En esta fracción se encontró el mayor factor de partición (P = 7.4) el cual lo mostró el Ca indicando que tiene alta afinidad hacia la materia mineral; lo que sugiere que las fracciones de fondo son ricas en minerales como la calcita, dolomita, anquerita y yeso los cuales presentan en su estructura este elemento.

Figura 3. Factor de partición de elementos para el carbón Guachinte procesado a una densidad especifica de 1.4
Figure 3. Elementary partitioning factor for Guachinte coal processed to specific density of 1.4

En general se encontró que para las dos densidades específicas de separación, la mayoría de los elementos presentan incremento en su factor de partición a medida que disminuye el tamaño de partícula. Lo anterior podría deberse a que al obtener fracciones finas de carbón, los elementos se liberan de la matriz carbonosa, los cuales se concentran con las fracciones de fondo ricas en materia mineral.

Analizando el comportamiento de los elementos en el carbón Golondrinas en las fracciones de fondo obtenidas a una densidad específica de 1.3 (Figura 4) y tamaño de partícula -1000+600 µm se encontró que el Va es el único elemento que presentó afinidad con la materia mineral y el Y es el único elemento con afinidad hacia la materia orgánica

Figura 4. Factor de partición de elementos para el carbón Golondrinas procesado a una densidad especifica de 1.3
Figure 4. Elementary partitioning factor for Golondrinas coal processed to specific density of 1.3

Los demás elementos no presentan particionamiento. En las fracciones de tamaño de partícula –600+425 µm obtenidas a una densidad específica  de  1.3,  al  igual  que  en  la  fracción  –1000+600 µm el Va es el único elemento que tiene afinidad con la materia mineral, el Y es afín a la materia orgánica; los demás elementos se distribuyen en las dos fracciones. Para las fracciones de tamaño de partícula –425+250 µm obtenidas a una densidad específica de 1.3, el Ca y Ti son afines a la fracción rica en materia mineral, no se presentó elemento alguno con afinidad hacia la fracción rica en materia orgánica.

En las fracciones obtenidas a una densidad específica  1.4  (Figura  5) de tamaño de partícula –1000+600 µm se observó que ninguno de los elementos encontrados en ella se presenta preferencia hacia la fracción orgánica o mineral, o sea que no presentaron partición. En   las    fracciones    de   tamaño    de   partícula  –600+425µm obtenidas a una densidad específica 1.4 la afinidad hacia la materia mineral la presentaron el Fe, La, y el Zn; los demás elementos se distribuyeron entre las corrientes concentradas en materia orgánica y en materia mineral. Para el caso de las fracciones de tamaño de partícula –425+250 µm obtenidas a una densidad específica 1.4, el La, Pb, Sb y el Zr, presentaron afinidad hacia la materia mineral. Al igual que en la fracción anterior, en esta fracción no se presentó afinidad del resto de los elementos hacia la materia orgánica.

Figura 5. Factor de partición de  elementos para el carbón Golondrinas procesado a una densidad especifica  de 1.4 ]]> Figure 5. Elementary partitioning factor for Golondrinas coal processed to specific density of 1.4

Al comparar los factores de partición de los elementos de los dos carbones, se observó que en las fracciones –425+250 µm la mayoría de los elementos del carbón Guachinte, tienden a concentrarse en las fracciones ricas en materia mineral, mientras que los elementos del carbón Golondrinas se distribuyen entre las fases mineral y orgánica.

4. CONCLUSIONES

Se encontró para la mayoría de los elementos que a medida que el tamaño de partícula disminuye se aumenta la afinidad de los elementos hacia la materia mineral.  Lo anterior se debe a que al obtener fracciones finas de carbón, los elementos se liberan de la matriz carbonosa, los cuales se concentran en las fracciones de fondo ricas en materia mineral.

La mayoría de los elementos del carbón Guachinte presentaron mayor factor de partición comparativamente con los elementos presentes en el carbón Golondrinas, lo cual indica que los elementos del carbón Guachinte tienden a concentrarse en las fracciones ricas en materia mineral, mientras que los elementos del carbón Golondrinas se distribuyen entre las fases mineral y orgánica.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen  a COLCIENCIAS por el apoyo financiero y a INGEOMINAS por los análisis de XRF realizados para la determinación de los elementos.

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