ES2836573T3 - Procedimiento para calcinación de silicatos granulares - Google Patents
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- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
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Abstract
Procedimiento de deshidroxilación de silicatos granulares para la producción de silicatos deshidroxilados, filosilicatos deshidroxilados, metacaolín y arcillas termoactivadas mediante el uso de un tratamiento de microondas de modo único (300 MHz a 300 GHz) en cámara abierta en proceso continuo y en el que dichos silicatos granulares se calientan en el intervalo de 400 a 1200 °C.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para calcinación de silicatos granulares
Campo de la invención
La presente invención describe un procedimiento para la calcinación industrial de silicatos, particularmente silicatos y filosilicatos que contienen hidroxilo. El metacaolín, la arcilla termoactivada y en general cualquier tipo de silicatos hidroxilados calcinados, son productos de uso común en la industria y muy demandados para una amplia gama de aplicaciones, desde materiales de construcción hasta farmacia, pasando por la industria del cemento, pinturas, plásticos, cauchos, química, agricultura, alimentación animal, tratamientos de suelos y geotécnica entre otros. El metacaolín calcinado con minerales de carbonato también puede formar metacaolín calcáreo, suelo calcinado, arcillas calcáreas de aplicaciones industriales.
Estado de la técnica
Uno de los materiales más utilizados es el metacaolín, obtenido a partir de la calcinación del caolín a temperaturas entre 600 y 800 °C. Se utiliza mucho en combinación con la cal para formar cal hidráulica y como aditivo para el hormigón. También se utiliza en la estabilización de suelos o taludes.
La materia prima para la producción de metacaolín es roca de caolín blanda compuesta principalmente por caolinita (filosilicato con composición química Al2Sh05(0H)4), que tradicionalmente se ha utilizado en la fabricación de porcelana.
La calcinación cambia la estructura del caolín de cristalina a amorfa. El grado en que el caolín hidratado sufre cambios en su forma cristalina puede depender de la cantidad de calor a la que se somete. En una exposición inicial se produce la deshidroxilación del caolín hidratado para obtener caolinita. La deshidroxilación adicional de caolinita implica una pérdida de peso calculada del 13,8%. La deshidroxilación completa se produce entre 450 y 700 °C, lo que conduce a la descomposición de las capas de Al y Si produciendo un producto amorfo llamado metacaolinita, cuya fórmula según diferentes autores es AI2SÍ2O7. El calentamiento adicional a temperaturas por encima de aproximadamente 900-950 °C da como resultado cambios estructurales adicionales tales como densificación. La calcinación a estas temperaturas más altas se conoce comúnmente como calcinación completa y el producto se conoce como caolín completamente calcinado. Una calcinación adicional puede causar la formación de mullita, que es un silicato de aluminio muy estable.
Tanto el grado de cristalinidad como el tamaño de partícula de la caolinita guían la temperatura a la que tiene lugar el proceso de deshidroxilación. La temperatura y el tipo de caolinita utilizada en el proceso influyen en las propiedades puzolánicas del producto obtenido.
Las metodologías más comunes para la producción del metacaolín son actualmente "calcinador por remojo" (calcinación en masa) y "calcinador instantáneo" (calcinación instantánea), que son procesos de combustión. Además de mostrar algunas diferencias en el producto obtenido, cada uno de ellos presenta ciertas ventajas y limitaciones; en particular, la calcinación en masa muestra una mayor homogeneidad, mientras que la calcinación instantánea parece ser un proceso más eficiente. En ambos casos, como el grano está expuesto al calor en la superficie externa, la homogeneidad del resultado depende a lo sumo del tamaño, forma y clasificación del grano, así como de las características cristalinas. La homogeneidad depende también del gradiente de temperatura, que es menor en un calcinador de remojo y muy alto en calcinador instantáneo.
El documento WO 9855418 A introdujo la calcinación instantánea en un proceso que se lleva a cabo inyectando arcilla de caolín en una cámara de combustión u horno, en el que un vórtice elimina rápidamente la arcilla calcinada de la cámara de combustión. El material de partida de caolín se expone a alta temperatura durante algunos segundos para la deshidroxilación, con el fin de lograr ventajas puzolánicas particulares. El grado de deshidroxilación es relevante para lograr estas características puzolánicas. Una deshidroxilación parcial es de hecho suficientemente eficaz para otras aplicaciones sobre hormigón (A. Shvarzman et al. "The effect of dehydroxylation/amorphization degree on pozzolanic activity of kaolinite". Cement and Concrete Research 33 (2003) 405-416).
El uso de microondas para la obtención de materiales sólidos comenzó a generar interés en la década de 1990 y algunos de ellos se han implementado en la industria, particularmente a baja temperatura (generalmente inferior a 250 °C). Sin embargo, aunque algunas aplicaciones han sido probadas con éxito en laboratorio a mayor temperatura, aún existen enormes limitaciones para su implementación a escala industrial, y más aún para el proceso de tratamiento continuo. Son varios los parámetros que contribuyen a esta falta de industrialización, como la complejidad en el diseño del aplicador de microondas, detección y control, tratamiento de flujo continuo, materiales para la construcción de componentes, homogeneidad y calidad de los materiales tratados. Hay dos métodos generales para la aplicación de microondas, multimodo y modo único.
El aplicador de microondas que usa métodos multimodo ha mostrado un escalado industrial más fácil, pero el campo electromagnético no tiene una distribución adecuada. La homogeneidad es muy difícil cuando los materiales sufren
transformaciones y cambios en las propiedades dieléctricas provocando un calentamiento no uniforme, produciendo efectos de pista y puntos calientes (puntos de alta susceptibilidad), limitando su aplicación a baja temperatura. En material que contiene filosilicatos e hidroxilo tratado con microondas de método multimodo, después de la deshidratación y antes de la deshidroxilación, causa pérdida de energía y calentamiento no homogéneo que es inaceptable para la industria.
Los métodos de modo único utilizan el modo fundamental únicamente de las ondas propagadas. Las limitaciones tradicionales de estos métodos son que se limitan al tamaño pequeño y al alto riesgo de formación indeseable de plasma. La mayoría de las aplicaciones se han realizado para dispositivos pequeños, aptos para laboratorio o industrias ligeras con materiales de muy alto valor agregado y no para una producción a mayor escala como se necesita en el presente caso y en la industria pesada.
El documento WO 2010/070357 A2 describe la deshidratación de filosilicatos. Este documento describe la expansión de la vermiculita usando microondas, calentando el agua estructural que causa la expansión del material. La expansión de la vermiculita se consigue a baja temperatura; por tanto, este documento no proporciona ningún indicio de deshidroxilación de filosilicatos de acuerdo con la presente invención, de requisitos mucho más exigentes. En la presente solicitud, el proceso de la invención no solo requiere un tratamiento con microondas, sino específicamente un microondas de modo único en el campo eléctrico para concentrar la energía mientras se agita para asegurar la homogeneidad.
El documento EP1490525B1 describe un método de pretratamiento por microondas de una roca o mineral antes de una operación posterior sobre la roca o mineral, teniendo la roca o mineral una primera fase de material y una segunda fase de material, comprendiendo el método calentar el roca o mineral con microondas en un proceso continuo en el que la roca o el mineral se mueve hacia y a través de un área de tratamiento de microondas y experimenta exposición a microondas durante un tiempo de 0,1 segundos o menos, las microondas producen una densidad de potencia suficientemente alta y el tiempo de exposición es lo suficientemente corto como para causar una expansión térmica diferencial entre la primera y la segunda fase del material al mismo tiempo que evita causar cambios químicos significativos en la fase de la roca o mineral que se va a extraer mediante dicha operación posterior, y pasar la roca o el mineral fuera del área de tratamiento para dicha operación posterior. El documento describe que la temperatura global del mineral aumenta en menos de 200 °C, y preferiblemente en menos de 150 °C.
El documento US2013/040082A1 se refiere a una composición que es capaz de aumentar su temperatura cuando se expone a radiación provocada por un campo electromagnético u ondas electromagnéticas, en la que la composición incluye silicato de hierro como compuesto susceptor, es decir, como un compuesto susceptible a microondas y frecuencias de radio, y que se calienta cuando se expone a ellas. El documento describe el uso del compuesto silicato de hierro. El silicato de hierro cuando se somete a radiación de un campo electromagnético u ondas electromagnéticas (por ejemplo, microondas), genera una gran cantidad de calor y luego puede usarse como compuesto activo, solo o en un material susceptor. El Ejemplo 4 describe someter muestras a radiación de microondas en un aplicador de modo único, en el que el equipo está equipado con un generador de microondas a 2,45 GHz con una potencia máxima de 3 kW.
El documento W02006127025 describe un método para expandir minerales, particularmente perlita usando microondas. La expansión se logra a mayor temperatura en silicatos hidratados, o silicatos que contienen agua combinada, que está presente en la estructura mineral que se vaporiza y forma vapor que actúa para expandir el material ablandado. Debido a que el agua está ocluida, puede calentarse a una temperatura más alta a la que el agua es el susceptor de microondas. Este documento no proporciona ningún indicio de deshidroxilación de acuerdo con la presente invención que debe cubrir un intervalo de temperatura con una absorción muy baja de microondas de requisitos muy exigentes y con capacidad para calentar materiales libres de agua.
La presente invención resuelve un problema tradicional para la calcinación industrial usando microondas para la deshidroxilación de silicato para obtener los productos industriales relacionados (por ejemplo, metacaolín pop, arcillas calcinadas, sepiolita calcinada, arcillas calcinadas con cal). Estos materiales deben calentarse a altas temperaturas, generalmente superiores a 500 °C y en general en el intervalo de 400 a 1100 °C, en el que la susceptancia al microondas es baja (generalmente en el intervalo de 0,05 a 0,005, e incluso menos). La concentración de energía hace factible y eficiente el tratamiento, con ventajas de eficiencia energética, tratamiento rápido y versátil. En combinación con carbonatas (por ejemplo, calcita, dolomita), estos también se descarbonizan en un intervalo de hasta 890 °C.
Sometido a microondas, el caolín sufre una exposición homogénea a un campo electromagnético a nivel del grano, teniendo una baja dependencia de las características del grano. La eliminación de hidroxilos se produce de forma repentina, generando un efecto pop en el grano que mejora la disgregación y homogeneización. La caolinita, como principal mineral formador de caolín, se transforma en metacaolinita después de la deshidroxilación en forma de una fase amorfa con estructuras de capas desordenadas. La presente solicitud realiza una calcinación por microondas. Los productos resultantes son "calcinados tipo pop" (por ejemplo, metacaolín pop) debido a sus características.
Una de las limitaciones más importantes para la aplicación industrial de calor convencional es la ausencia de
selectividad. La energía de microondas aplicada en una cámara de microondas de modo único de acuerdo con la presente invención es capaz, no solo de calentar el intervalo hasta la deshidroxilación, sino también de calentar materiales puros de manera selectiva, minimizando la pérdida de energía en materiales no puros, haciendo más rentable el proceso. El proceso es energéticamente eficiente en un dispositivo de energía totalmente eléctrico.
El problema técnico objetivo es proporcionar un procedimiento energéticamente eficiente para la calcinación de silicatos granulares.
La presente invención ofrece un proceso industrial energéticamente eficiente para la calcinación y deshidroxilación que puede incluir la descarbonatación y descomposición a temperaturas superiores a 400oC (y generalmente hasta 1200oC). El procedimiento genera productos con características específicas después de la deshidroxilación (por ejemplo, metacaolín pop) o la calcinación (por ejemplo, arcillas calcinadas con cal).
Descripción de la invención
La presente invención proporciona un procedimiento de deshidroxilación de silicatos granulares para la producción de silicatos deshidroxilados, filosilicatos deshidroxilados, metacaolín y arcillas activadas térmicamente mediante el uso de un tratamiento de microondas de modo único (300 MHz a 300 GHz) en una cámara abierta en continuo. procesamiento y en el que dichos silicatos granulares se calientan en el intervalo de 400 a 1200 °C.
Otra realización es el procedimiento de la invención, en el que dichos silicatos granulares son filosilicatos granulares o minerales de silicato que contienen grupos hidroxilo.
Otra realización es el procedimiento de la invención, en el que dichos minerales de silicato que contienen grupos hidroxilo se seleccionan del grupo que consiste en minerales del grupo del anfíbol, minerales del grupo de la zeolita, minerales del grupo de la humita y minerales de la clase de sorosilicatos.
Otra realización es el procedimiento de la invención, en el que dichos silicatos granulares comprenden carbonatas.
Otra realización es el procedimiento de la invención, en el que dichos filosilicatos se seleccionan del grupo que consiste en arcillas, minerales del grupo de la serpentina, minerales del grupo de la mica y minerales del grupo de la clorita.
Otra realización es el procedimiento de la invención, en el que dichas arcillas se seleccionan del grupo que consiste en minerales del grupo de la caolinita, minerales del grupo de la esmectita, illita, vermiculita, talco, pirofilita, sepiolita y paligorskita.
Otra realización es el procedimiento de la invención, en el que dichos minerales del grupo de la caolinita se seleccionan del grupo que consiste en caolinita, dickita, halloysita y nacrita.
Otra realización es el procedimiento de la invención, en el que dichos minerales del grupo de la esmectita se seleccionan del grupo que consiste en montmorillonita, nontronita y saponita.
Otra realización es el procedimiento de la invención, en el que dichos minerales del grupo de la serpentina se seleccionan del grupo que consiste en antigorita, crisolita y lizardita.
Otra realización es el procedimiento de la invención, en el que dichos minerales del grupo de la mica se seleccionan del grupo que consiste en biotita, moscovita, flogopita, lepidolita, margarita y glauconita.
El procedimiento de la invención permite la producción de metacaolín calcinado en microondas, denominado en el presente documento metacaolín pop. El procedimiento de la invención calienta selectivamente las sustancias sensibles, por lo que su eficiencia energética es aún más destacable en materias primas de mayor impureza y permite un proceso de calcinación muy rápido. El proceso se utiliza para todo tipo de silicatos que requieran una activación térmica en la que se incluye la etapa de deshidroxilación.
La activación térmica de silicatos y arcillas calcinadas es útil como materiales de construcción tales como puzolanas en hormigón para metacaolín, que es el más conocido y utilizado. Es de uso común y cada vez más importante en edificación, estabilización de suelos, inertización de depósitos tóxicos, activación alcalina de cementó, geopolímeros entre otros. También es relevante para la prevención de la reactividad álcali-agregado que afecta al hormigón. En mezclas con carbonatas después de la calcinación por microondas se pueden obtener metacaolín calcáreo como materiales cementantes.
El dispositivo de control en tiempo real evita el sobrecalentamiento puntual al estar el proceso abierto para permitir un flujo continuo de material.
Además de las aplicaciones de puzolanas, existe un gran número de aplicaciones potenciales. Las aplicaciones de metacaolín, como filosilicatos calcinados en general, presentan una amplia variedad de aplicaciones que se están
extendiendo cada vez más. Por ejemplo, el metacaolín se utiliza en plásticos tales como cables de PVC para mejorar el aislamiento, polietileno para mejorar el efecto de filtro térmico (es decir, en plástico de invernaderos agrícolas), poliolefinas, en pinturas, etc. También se utilizan otros tipos de arcillas en agricultura y acondicionamiento del suelo tal como campos deportivos, así como absorbentes para procesos de adsorción-desorción (es decir, metales pesados), en estabilización de suelos, etc. También se utiliza en la síntesis de zeolitas. Otros materiales como la sepiolita y las esmectitas deshidroxiladas (montmorillonita) se utilizan en la industria del papel, cerámica, pinturas, farmacia, catálisis, tratamiento de aguas entre otros usos.
El procedimiento de la invención se puede aplicar en la producción de filosilicatos deshidroxilados a partir de materias primas ricas en filosilicatos granulares tales como caolines, arcillas y minerales arcillosos, sepiolita, micas, serpentinas y otros silicatos laminares, que se tratan con energía electromagnética en la frecuencia de las microondas en una cámara de microondas de modo único.
El procedimiento de la invención comprende:
- Un tratamiento de filosilicatos granulares, como caolín, arcillas minerales, arcillas y materiales arcillosos, micas, sepiolita).
- Una transformación de las materias primas ricas en filosilicatos en las fases deshidroxiladas para producir los productos subsiguientes de metacaolín, arcillas termoactivadas, micas calcinadas, sepiolita calcinada tal como productos ricos en filosilicatos deshidroxilados.
- Un método en el que esta deshidroxilación se realiza mediante la eliminación inducida dieléctricamente de grupos hidroxilo.
- El secado y la deshidratación se produce durante el mismo proceso de tratamiento con microondas.
- Los materiales ricos en filosilicatos en bruto se tratan bajo campos electromagnéticos en una cámara de microondas de modo único.
- La fuerte absorción dieléctrica produce una deshidroxilación repentina.
- El tratamiento en el dispositivo de cámara de microondas de modo único permite concentrar la energía en los minerales filosilicatos coincidentes con el intervalo de temperatura de absorción de microondas con valores de factor de pérdida incluso tan bajos como 0,01 hasta el intervalo de temperatura de absorción del intervalo de absorción de hidroxilo.
Durante el tratamiento con microondas se han identificado varios efectos, o etapas, en los filosilicatos.
El secado de la humedad o el calentamiento de agua libre utilizando una absorción de energía moderada hasta un secado cercano a 100oC. El factor de pérdida muestra valores comunes significativamente superiores a 0,1, con un aumento de 2 órdenes de magnitud dependiendo del contenido de agua.
Deshidratación constituida por una deshidratación compleja del agua adsorbida, que por simplificación ha incluido agua zeolítica adsorbida, agua ligada y agua ligada entre capas. Dependiendo de la naturaleza del mineral, esta etapa puede realizarse después de varias etapas, con un intervalo de temperaturas muy amplio, generalmente no más de 200 °C (es decir, montmorillonita), pero en algunos casos puede tener algo de agua ligada o agua estructural hasta 420 °C (es decir, sepiolita), o hasta 560 °C como se cita en la literatura científica usando calentamiento convencional. Los valores superiores a 0,1 son comunes durante el agua ligada y estructural.
Los intervalos de temperatura caracterizan el comportamiento dieléctrico bajo con absorción muy baja de energía de microondas debido a un bajo "factor de pérdida", generalmente en el intervalo de 0,005 a 0,05, que debe ser ahorrado usando una alta concentración de la energía efectiva en los filosilicatos crudos.
En la etapa de deshidroxilación se produce un factor de pérdida repentina que aumenta a valores tan altos como 4 (algunas caolinitas). Generalmente, en la mayoría de los casos, el factor de pérdida es > 0,2. En la literatura, los valores del factor de pérdida por debajo de 0,1 se consideran ampliamente adecuados para el calentamiento por microondas, así como 0,01 se considera como "transparente a las microondas". En el campo eléctrico de la energía de microondas, el calor volumétrico se puede expresar, de acuerdo con la literatura, como sigue:
í j j f f» = 2lT/2i% £' [í 's jf/ l
en la que Qgen (W/m3) se refiere al calor volumétrico generado por la energía de microondas; f (Hz ) es la frecuencia de trabajo; Eeff, es la intensidad efectiva de campo eléctrico aplicada a los filosilicatos crudos; eo es la permitividad del vacío y e" es el factor de pérdida del material dieléctrico (o materiales a calentar).
De acuerdo con la expresión anterior, la intensidad efectiva del campo eléctrico (Eeff) debe aumentarse cuando el factor de pérdida (e") disminuye para un calor objetivo. La presente invención concentra la energía en la materia prima para calentarla en instalaciones industriales mediante el uso de una cámara abierta de microondas de modo único que permite un procesamiento continuo. Como las propiedades dieléctricas sufren un aumento repentino durante la
deshidroxilación, permite una absorción de energía de microondas muy alta. Esta absorción de energía afecta a Ios grupos hidroxilo, siendo el proceso fuertemente selectivo para evitar cualquier pérdida de energía. Esta sublimación rápida del grupo hidroxilo provoca una presión intergranular que produce una disgregación adicional que produce un efecto "pop" particular (es decir, "metacaolín pop", "calcinación pop").
El metacaolín, como se usa en este documento, se refiere al producto obtenido en la calcinación del caolín hasta la deshidroxilación de la caolinita. El caolín es una arcilla blanda de origen natural y una arcilla previamente procesada industrialmente, que está constituida por caolinita como componente mineral primario.
La deshidroxilación de la caolinita tiene lugar cuando se calienta a temperaturas entre 450 °C y 650 °C, Io que conduce a la transformación en la fase amorfa de metacaolinita. La metacaolinita es reactiva en solución alcalina.
La deshidroxilación ocurre en el grupo hidroxilo (Oh -) que forma parte de la estructura interlaminar. Este es un componente típico en filosilicatos y varios grupos de silicatos.
"Metacaolín pop", "caolín pop calcinado", como se usa en el presente documento, se refiere al caolín deshidroxilado cuando se ha producido con la aplicación de energía electromagnética con una deshidroxilación repentina.
La desagregación, como se usa aquí, se refiere a la ruptura de partículas por sobrepresión interna cuando el agua y Ios grupos hidroxilos muestran la sublimación dieléctrica produciendo una trituración.
Las arcillas activadas térmicamente, como se usan en este documento, se refieren a arcillas calcinadas (o arcillas calcinadas pop) hasta la deshidroxilación, que tiene lugar, dependiendo del tipo de arcilla, alrededor de 430oC hasta 950oC.
Filosilicato, como se usa en el presente documento, se refiere a la familia mineral de silicatos conocidos como silicatos laminares o filosilicatos, Ios cuales forman una subclase de silicatos constituida por estructura tetraédrica de sílice que forma capas como unidad estructural de SÍ2O5 (relación 2:5) formando alternancias con capas octaédricas. Están formados por varios grupos de minerales, de la siguiente manera:
- Minerales arcillosos bien conocidos en la literatura y clasificados como grupo de la caolinita (caolinita, dickita, halloysita, nacrita), grupo de la esmectita (montmorillonita, nontronita, saponita), illita, así como otros tales como vermiculita, talco, pirofilita, sepiolita, paligorskita,
- Grupo de la serpentina (antigorita, crisólito, lizardita),
- Grupo de la mica (biotita, moscovita, flogopita, lepidolita, margarita, glauconita),
- Grupo de la clorita (clorita).
Otros minerales de silicato (es decir, grupo de la humita, grupo del anfíbol, grupo de la zeolita, sorosilicatos, turmalina) también son adecuados para la deshidroxilación industrial para su aplicación como silicatos deshidroxilados.
En el alcance de la presente invención, el término "de modo único" se refiere a la selección de uno de Ios modos de propagación del campo electromagnético, es decir, una de las posibles soluciones del campo eléctrico.
El aplicador de microondas, como se usa en el presente documento, se refiere al componente en el que se trata la materia prima, que consiste en una cámara de microondas y la unidad de transporte de materia prima que pasa a través de dicha cámara.
La cámara de microondas, como se usa en este documento, se refiere a la estructura elaborada a partir de una superficie conductora que tiene una geometría interna específicamente diseñada, que confina la energía electromagnética dentro de dicha estructura, y define el modo del campo electromagnético, y es parte del aplicador. El aplicador de microondas de modo único, como se usa en este documento, se refiere a un aplicador que tiene una cámara de microondas y está sintonizado de tal manera que presenta un modo único del campo electromagnético. Una característica particular de la cámara es ser resonante, es decir, tener en su interior ondas electromagnéticas reflejándose de tal manera que se establezca una onda estacionaria dentro de dicha cámara.
El aplicador de microondas abierto de modo único, como se usa en este documento, se refiere a un aplicador que tiene aberturas lo suficientemente grandes para permitir la entrada y salida de las materias primas, junto con la unidad de transporte.
Las propiedades de Ios materiales de deshidroxilación inducida electromagnéticamente muestran algunas particularidades, tales como alto grado amorfo, desagregación, color, homogeneidad con independencia del tamaño de grano y tamaño del cristal que mejoran el rendimiento (es decir, reactividad en medios alcalinos, absorción). La presente invención significa una solución ecológicamente eficiente a la demanda industrial de una aplicación más amplia de Ios filosilicatos deshidroxilados, capaces de fabricar metacaolín, arcillas termoactivadas y filosilicatos
generalmente deshidroxilados, convirtiendo materias primas adecuadas de menor pureza (es decir, arcillas caoliníticas) y otra gama de productos. También crea nuevos productos tales como "filosilicatos pop" por "deshidroxilación pop" inducida por campo electromagnético que mejora significativamente los productos e incluso crea nuevas propiedades. Un dispositivo que cubre el aplicador de microondas de modo único en configuración abierta posibilita la industrialización, que gracias a su configuración ligera y totalmente eléctrica, incrementa el valor agregado por su portabilidad reduciendo la necesidad de transportar las materias primas.
Breve descripción de las figuras
Figura 1. Sistema esquemático de microondas desarrollado para la calcinación de silicatos en flujo continuo. 1, generador de energía de microondas, que consta de una fuente de alimentación y un cabezal de microondas; 2, aislador, compuesto por circulador y carga ficticia; 3, reflectómetro de alta potencia; 4, red de acoplamiento; 5, aplicador de microondas, en el que se trata la materia prima en flujo continuo.
Figura 2. Propiedades dieléctricas (constante dieléctrica y factor de pérdida) durante el calentamiento por microondas en un caolín con más del 85% de caolinita, con menor contenido de cuarzo y feldespato. (Constante dieléctrica, línea discontinua con círculos negros rellenos representados en el eje Y vertical principal; Factor de pérdida, línea con cuadrados blancos en el eje Y secundario).
Figura 3. Las propiedades dieléctricas cambian con la temperatura en una arcilla caolinítica. La arcilla es una arcilla caolinita-illita, que contiene 45% de caolinita y 31% de illita en peso, así como 4% de calcita, los otros componentes presentes fueron feldespato y cuarzo. La deshidroxilación de la caolinita es evidente a temperaturas superiores a 400 °C y hasta 700 °C. Las propiedades dieléctricas son indicativas de desorden cristalino a estas temperaturas. Una vez enfriada la muestra, las propiedades dieléctricas muestran evidencia de la transformación con el tratamiento de calentamiento por microondas. La constante dieléctrica inicial fue de 2,67 y después de la calcinación fue de 4,4, la constante de pérdida inicial fue de 0,04, después del tratamiento de 0,49. (Constante dieléctrica, línea discontinua con círculos negros rellenos representados en el eje Y vertical principal; Factor de pérdida, línea con cuadrados blancos en el eje Y secundario; Constante dieléctrica durante el enfriamiento, línea discontinua; Factor de pérdida durante el enfriamiento, línea continua).
Figura 4. Las propiedades dieléctricas cambian con la temperatura en la arcilla esmectita. La arcilla es rica en montmorillonita (65% en peso de montmorillonita) y 27% de cuarzo. La arcilla muestra una deshidratación típica hasta 200 °C y una deshidroxilación en varias fases a una temperatura cercana a los 580 °C. Hay un cambio brusco en el desorden cristalino, evidenciado por un aumento en la constante dieléctrica y el factor de pérdida. (Constante dieléctrica, línea discontinua con círculos negros rellenos representados en el eje Y vertical principal; Factor de pérdida, línea con cuadrados blancos en el eje Y secundario).
Figura 5. Las propiedades dieléctricas cambian con la temperatura en la sepiolita. La deshidratación es más compleja en la sepiolita. Hay un cambio brusco de 350 °C a 430 °C, que corresponde al agua ligada, que suele ser muy alta en sepiolita. (Constante dieléctrica, línea discontinua con círculos negros rellenos representados en el eje Y vertical principal; Factor de pérdida, línea con cuadrados blancos en el eje Y secundario).
Figura 6. Las propiedades dieléctricas cambian con la temperatura en la lepidolita (mineral del grupo de la mica). La deshidroxilación ocurre alrededor de 510-550 °C con pequeñas variaciones en las propiedades. El aumento de la constante dieléctrica y el factor de pérdida es alto por encima de 800 °C. (Constante dieléctrica, línea discontinua con círculos negros rellenos representados en el eje Y vertical principal; Factor de pérdida, línea con cuadrados blancos en el eje Y secundario).
Descripción detallada de realizaciones particulares
Los siguientes ejemplos se proporcionan con el propósito de mostrar la presente invención de una manera ilustrativa pero no limitativa.
Ejemplo 1. Obtención de metacaolín en una cámara resonante de modo único
Ejemplo de calcinación en aplicador que trabaja a frecuencia de 2,45 GHz ajustada en una potencia de trabajo de 1,4 W con relaciones de flujo de 1,25 kg/h de metacaolín.
El caolín que contiene caolinita como componente principal y que tiene un contenido menor de cuarzo y feldespato se procesó con un equipo de microondas.
Se desarrolló un dispositivo de microondas a escala de laboratorio para el tratamiento y seguimiento del material (Figura 1). Incluye una fuente de alimentación de microondas, que alimenta un magnetrón de 2,45 GHz . Incluye un reflectómetro de alta potencia y un medidor de impedancia para proporcionar mediciones en línea de las potencias entrantes y reflejadas en el sistema, que proporciona una estimación de las características de la carga del horno y las transformaciones. La energía de microondas generada por la fuente se conduce a través de una guía de ondas de
microondas al aplicador mediante una red de acoplamiento.
El aplicador está hecho de materiales reflectantes de microondas que responden como un resonador de cavidad, La cámara está optimizada para tener una alta concentración de campo eléctrico en el lugar donde se coloca la materia prima y ha implementado estructuras de acoplamiento y sintonización ajustables a las diferentes características del material, Después de ser expuesto a la energía de microondas, el material se descarga a través de una abertura, La aplicación también contiene un puerto de escape para eliminar gases,
Los puertos de inspección permiten el control de la temperatura durante el proceso de tratamiento por microondas, Cada puerto abierto tiene un estrangulador de filtro para evitar cualquier fuga de microondas de la cámara,
Se seleccionó una muestra de caolín de alto índice de blancura con composición > 90% sobre caolinita y menor contenido de cuarzo y trazas de feldespato, con tamaño de grano por debajo de 0,02 mm, El caolín se calentó en un dispositivo de laboratorio de caracterización utilizando microondas en una cavidad cilindrica donde se midieron sus propiedades dieléctricas (constante dieléctrica y factor de pérdida), Los resultados evidenciaron la hidroxilación a 419 °C mostrando un fuerte aumento en la constante dieléctrica y en el factor de pérdida (Figura 2),
Para los ensayos, la materia prima (muestra seleccionada de caolín) en polvo se trató en microondas en un aplicador de modo único de flujo continuo (Figura 1), que comenzó desde la temperatura ambiente hasta el intervalo de 600 790 °C dentro de la cámara de microondas controlada por el pirómetro, Incluso el factor de pérdida fue tan bajo como 0,0046 (a 270 °C) y se calentó correctamente, La energía de microondas proporcionada al material se incrementó lentamente de 500 W a 1400 W, hasta que se alcanzó la temperatura objetivo, Durante el calentamiento, la temperatura de la cavidad se controló mediante termopares para garantizar condiciones de funcionamiento seguras dentro de los parámetros dados del material, Además, la entrada y salida de material se controlaron con pirómetros, Se alcanzó y mantuvo un proceso continuo durante 80 min, dando como resultado una producción de material procesado de 1,1 1,3 kg/h, El tiempo de residencia promedio estuvo en el intervalo de 4 a 5 min dando como resultado una transformación completa de caolinita en metacaolinita, como se verificó por difracción de rayos X, Cuando se introdujo la muestra, las partículas parcialmente aglomeradas estallaron dentro del dispositivo contribuyendo a su desagregación,
Ejemplo 2. Obtención de metacaolín en una cámara resonante a 915 MHz
Ejemplo de calcinación en dispositivo escalonado con aplicador trabajando a una frecuencia de 915 MHz utilizando relaciones de flujo de 5 kg/h de metacaolín (metacaolín pop),
Se desarrolló un dispositivo de microondas a escala para el tratamiento y monitorización del material siguiendo la configuración mostrada en la Figura 1, Incluye una fuente de alimentación de microondas con un magnetrón que trabaja en una frecuencia de 915 MHz utilizando una potencia instalada de 30 kW, Se incluye un reflectómetro de alta potencia y un medidor de impedancia para proporcionar mediciones en línea de las potencias entrantes y reflejadas en el sistema, dando una estimación de las características de la carga del horno y las transformaciones, La energía de microondas generada por la fuente se conduce a través de una guía de ondas de microondas al aplicador mediante una red de acoplamiento,
Una alimentación totalmente automatizada aseguraba un flujo constante ayudando al sistema a tener 5 kg/h que se procesaba en el aplicador para obtener metacaolín, La temperatura se controló para tener 650 °C mediante pirómetros asegurando la transformación completa para obtener metacaolín (metacaolín pop), El control de calidad del producto se realizó por técnicas analíticas para asegurar un correcto procesamiento, Se utilizó difracción de rayos X para determinar cualquier resto de caolinita sin procesar y se utilizaron técnicas termogravimétricas para la cuantificación,
Ejemplo 3. Calcinación de arcillas caoliníticas y esmectíticas
Ejemplo de procesamiento de arcilla caolinítica en aplicador de microondas de flujo continuo trabajando a una frecuencia de 2,45 GHz .
La composición mineral de la arcilla se determinó por difracción de rayos X y análisis químico mostrando un contenido de mineral de arcilla del 76% (45% de caolinita y 3 l% de illita) y el resto compuesto principalmente por cuarzo (19%), feldespatos (1,5%) y siderita (3%),
El calentamiento de la arcilla caolinítica se realizó en una cavidad cilíndrica donde se midieron sus propiedades dieléctricas (constante dieléctrica y factor de pérdida) (Figura 3),
Se trató una arcilla caolinítica en bruto parcialmente aglomerada en el dispositivo esquematizado en la Figura 1, utilizando un objetivo de temperatura de 780oC (± 90oC) utilizando un flujo continuo de 1,3 kg/h, La arcilla caolinítica calcinada analizada tratada con el dispositivo de laboratorio no mostró presencia de caolinita (por difracción de rayos X) que era el objetivo,
Las propiedades dieléctricas de las arcillas esmectíticas también se caracterizaron (Figura 4) y se procesaron para validar la eficiencia.
Ejemplo 4, Sepiolita deshidroxilada
Ejemplo de calcinación de sepiolita hasta 1000 °C en aplicador que trabaja a una frecuencia de 2,45 GHz .
Una muestra de sepiolita, que contenía sepiolita (95%) y esmectita (5%) se caracterizó en primer lugar en una cavidad cilindrica donde se midieron sus propiedades dieléctricas (constante dieléctrica y factor de pérdida) (Figura 5),
La sepiolita se procesó en un dispositivo de laboratorio de flujo continuo (Figura 1), El proceso a 550 °C se realizó con una tasa de flujo de 1,4 kg/h, Para el tratamiento de sepiolita con objetivo de 950 °C se obtuvieron relaciones de 1 hasta 1,1 kg/h,
Ejemplo 5. Lepidolita deshidroxilada
Para validar la capacidad en el grupo de las micas, se midió una muestra de lepidolita, que se había asociado a la presencia de moscovita, cuarzo y feldespato, para determinar las propiedades dieléctricas, Se caracterizó en una cavidad cilindrica donde se midieron sus propiedades dieléctricas (constante dieléctrica y factor de pérdida) (Figura 6), La deshidroxilación a 515 °C se identificó con poca evidencia que otros silicatos, Desde 800 °C, la absorción de microondas aumentó rápidamente,
Claims (10)
1. Procedimiento de deshidroxilación de silicatos granulares para la producción de silicatos deshidroxilados, filosilicatos deshidroxilados, metacaolín y arcillas termoactivadas mediante el uso de un tratamiento de microondas de modo único (300 MHz a 300 GHz ) en cámara abierta en proceso continuo y en el que dichos silicatos granulares se calientan en el intervalo de 400 a 1200 °C.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dichos silicatos granulares son filosilicatos granulares o minerales de silicato que contienen grupos hidroxilo.
3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque dichos minerales de silicato que contienen grupos hidroxilo se seleccionan del grupo que consiste en minerales del grupo del anfíbol, minerales del grupo de la zeolita, minerales del grupo de la humita y minerales de la clase de los sorosilicatos.
4. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dichos silicatos granulares comprenden carbonatas.
5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dichos filosilicatos se seleccionan del grupo que consiste en arcillas, minerales del grupo de la serpentina, minerales del grupo de la mica y minerales del grupo de la clorita.
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichas arcillas se seleccionan del grupo constituido por minerales del grupo de la caolinita, minerales del grupo de la esmectita, illita, vermiculita, talco, pirofilita, sepiolita y paligorskita.
7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque dichos minerales del grupo de la caolinita se seleccionan del grupo que consiste en caolinita, dickita, halloysita y nacrita.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque dichos minerales del grupo de la esmectita se seleccionan del grupo que consiste en montmorillonita, nontronita y saponita.
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos minerales del grupo de la serpentina se seleccionan del grupo que consiste en antigorita, crisólito y lizardita.
10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos minerales del grupo de la mica se seleccionan del grupo que consiste en biotita, moscovita, flogopita, lepidolita, margarita y glauconita.
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