Bautista Ruiz, William Alexander

Díaz Lagos, Mercedes

Martínez Ovalle, Segundo Agustín

Spa: Las cenizas volantes (CV) de carbón son un material  heterogéneo, compuestas de óxido de silicio, óxido de aluminio y óxido de hierro entre otros minerales. Durante la combustión de carbón, las CV almacenan varios metales traza como el Arsénico (As), Selenio (Se) y el Plomo (Pb); cuyas concentraciones dependen de la fuente de carbón y el proceso de combustión

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repositorio.uptc@uptc.edu.co ENCUENTRO FACULTAD DE CIENCIAS-UPTC Décima Versión  II ENCUENTRO NACIONAL Segunda Versión “Ciencia, Tecnología e Innovación en la Sociedad” 6, 7 y 8 de octubre 2015 - Tunja, Colombia  ISSN 2389-8321 (en línea)   62 CIEC  4.2.1 CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA Y COMPOSICIONAL DE CENIZAS VOLANTES DE UNA ESTACIÓN TERMOELÉCTRICA DE BOYACÁ.    William Alexander Bautista Ruiz 1*, Mercedes Díaz Lagos2, Segundo Agustín Martínez Ovalle1. 1 Grupo de Física Nuclear Aplicada y Simulación, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, UPTC, Avenida Central del Norte 39-11, Tunja, Colombia. 2 Escuela de Ingeniería Geológica, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, UPTC, Calle 4 Sur No. 15-134, Sogamoso, Colombia  Introducción  Las cenizas volantes (CV) de carbón son un material  heterogéneo, compuestas de óxido de silicio, óxido de aluminio y óxido de hierro entre otros minerales. Durante la combustión de carbón, las CV almacenan varios metales traza como el Arsénico (As), Selenio (Se) y el Plomo (Pb); cuyas concentraciones dependen de la fuente de carbón y el proceso de combustión.  Los estudios sobre  la presencia y el comportamiento de los metales traza (As, Se y Pb) durante la combustión de carbón, han demostrado que las partículas de CV son enriquecidas en metales, principalmente debido a la adsorción de óxidos de Fe y de la matriz de silicato [1]. A pesar de que los metales traza están presentes en una fracción relativamente pequeña, su acumulación y posible liberación al medio ambiente (suelos, aguas superficiales y subterráneas) eventualmente puede afectar su capacidad para la reutilización beneficiosa de estos recursos.  En la actualidad se investigan soluciones enfocadas a la utilización de este material como materia prima para múltiples aplicaciones  como: la fabricación de cemento, pues sus componentes primarios son componentes puzolanicos como Silica (SiO2) y Alúmina (Al2O3). También es posible encontrar óxidos de hierro (Fe2O3) con algunas cantidades de  ENCUENTRO FACULTAD DE CIENCIAS-UPTC Décima Versión  II ENCUENTRO NACIONAL Segunda Versión “Ciencia, Tecnología e Innovación en la Sociedad” 6, 7 y 8 de octubre 2015 - Tunja, Colombia  ISSN 2389-8321 (en línea)   63 CIEC carbón inquemado, Calcio (Ca), Magnesio (Mg) entre otros [2]. Dadas sus propiedades pueden ser utilizadas también como agente estabilizador de suelos y taludes;  en la fabricación de áridos sinterizados; también son conocidas como material del cual se pueden  reciclar  elementos como Hierro (Fe) y Alúmina (Al2O3) que se encuentran presentes en forma de óxido [3]. Un uso prometedor de las CV del carbón es la conversión en zeolitas  a través de un proceso hidrotermal el cual ha sido ampliamente investigado [4-6].  En el departamento de Boyacá está ubicada una de las centrales termoeléctricas más grande del país, la cual quema aproximadamente 1500 toneladas de carbón al día y genera 200 toneladas de CV [7]. Este aspecto hace relevante el estudio de las CV para evaluar su potencialidad de residuo procedente del sector termoeléctrico como materia prima en la producción de otros materiales y aplicaciones de interés. Para ello, inicialmente en este trabajo se establece una metodología para la caracterización química y mineralógica CV. Los resultados del análisis químico realizado por fluorescencia de rayos X,  junto con la información cualitativa acerca de las fases cristalinas (obtenida por difracción de rayos X), y el conocimiento de las materias primas con las que están formulados (obtenido microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido), se han utilizado para conocer la composición y morfología de estos residuos. Los datos obtenidos por las diferentes técnicas dan validez a la metodología desarrollada. Materiales y Métodos Se han analizado muestras de CV procedentes de la COMPAÑIA ELECTRICA DE SOCHAGOTA S.A. E.S.P- TERMOPAIPA IV  termoeléctrica de Boyacá las cuales se han homogenizado. Se han tomado cuatro muestras con su respectivas replicas para su caracterización. Se han utilizado las técnicas instrumentales de Fluorescencia de Rayos X  (FRX), la cual aporta información de la composición química  de los compuestos presentes en  forma de óxidos, este se realiza mediante un análisis cuantitativo tomado con un espectrómetro de longitud de onda dispersiva PANalytical modelo  ENCUENTRO FACULTAD DE CIENCIAS-UPTC Décima Versión  II ENCUENTRO NACIONAL Segunda Versión “Ciencia, Tecnología e Innovación en la Sociedad” 6, 7 y 8 de octubre 2015 - Tunja, Colombia  ISSN 2389-8321 (en línea)   64 CIEC Axios Petro de 4 Kw, con un detector de Xenon (Xe) de centelleo de flujo y ánodo de Rodio (Rh). Difracción de Rayos X (DRX) el cual permite reconocer la estructura cristalina de las CV y las fases mineralógicas presentes. La toma de datos se realiza  con un difractometro marca PANalytical modelo Empyream que opera en modo θ-2θ con  radiación Cu-Kα (λ=1.54060Å) usando la configuración geométrica Bragg-Brentano, con velocidad de escaneo 0,020°/ 2s y técnica de polvo. Análisis  petrográfico por Microscopia Óptica,  utilizando la técnica de  sección delgada pulida y microscopio petrográfico Leica DM 4500P de luz polarizada  la cual permite la observación de minerales e inquemados presentes en la superficie de las CV para complementar la información de composición y morfología se ha realizado Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) con cañón  de Emisión de Campo (FE-SEM), FEI Nova  NANOSEM 230 acoplado con un detector VDC  para imágenes de alta resolución a bajo vacío y utilizando pocos kV. Resultados y Discusión El análisis mediante DRX revela que las mayores fases presenten en las CV son compuestos de Aluminio y Silicio (Figura 1).   ENCUENTRO FACULTAD DE CIENCIAS-UPTC Décima Versión  II ENCUENTRO NACIONAL Segunda Versión “Ciencia, Tecnología e Innovación en la Sociedad” 6, 7 y 8 de octubre 2015 - Tunja, Colombia  ISSN 2389-8321 (en línea)   65 CIEC Figura 1. Patrón de DRX de las CV obtenida con radiación Cu-Kα (λ=1.54060Å) en el rango 2θ=10° y 2θ=70° El análisis  mineralógico de las CV, proporciona información sobre las fases cristalinas y la fase amorfa, en donde esta última se observa en la curvatura de la base del patrón comprendida aproximadamente entre 10° y  40° en la  Figura 1. Además, revela que las fases estructurales existentes en las CV corresponden a: Mullita (Al4.80 O9.60 Si1.20), Cuarzo (SiO2), y dos fases estructurales en menor proporción asociadas a  Hematita (Fe2O3) y Hierrosilicio (Fe2Si).  Las fases de Mullita y cuarzo se encuentran presentes en las CV en la misma proporción. Cada una de estas fases se compararon con fichas preexistentes en el PDF (Powder Difraction File) de la  ICSD, International Centre for Difraction Data: 066263; 079634; 015854 y 100094 respectivamente. El análisis de FRX revela un total de 14 óxidos presentes en las CV, con un porcentaje de pérdidas por ignición del 8.14%, los elementos y valores respectivos se encuentran en la  Tabla 1. Tabla 1. Composición elemental de las cenizas volantes en orden creciente de concentración de especies obtenidas mediante FRX  Nombre Compuesto Composición (% Wt) Nombre Compuesto Composición (% Wt) Sílicio SiO2 59.06 Sodio Na2O 0.57 Aluminio Al2O3 22.69 Magnesio  MgO 0.47 Hierro FeO3 4.24 Bario BaO 0.10 Calcio CaO 1.39 Azufre SO3 0.08  ENCUENTRO FACULTAD DE CIENCIAS-UPTC Décima Versión  II ENCUENTRO NACIONAL Segunda Versión “Ciencia, Tecnología e Innovación en la Sociedad” 6, 7 y 8 de octubre 2015 - Tunja, Colombia  ISSN 2389-8321 (en línea)   66 CIEC Potasio K2O 1.23 Vanadio V2O5 0.05 Titanio TiO2 1.16 Cromo Cr2O3 0.03 Fosforo P2O5 0.59 Zirconio Zr2O2 0.03  El análisis de FRX también revela que los compuestos mayoritario en las CV son: Oxido de Silicio (SiO2), Oxido de Aluminio (Al2O3) y Óxido de Hierro (FeO3), adicionalmente se evidencia la concentración de otros óxidos presentes en las CV pero en una proporción mucho menor que los tres citados anteriormente. Las imágenes de microscopía óptica de las CV muestran algunos  componentes  presente en las CV (Fig. 2), entre los que se encuentran: carbón coque, partículas de cuarzo y carbón,  De la imágenes MEB  se observa una correlación con las imágenes  de microscopia óptica en las cuales se ve carbón coque, adicionalmente se encuentran cenosferas y  ferrosferas como se puede ver en la Figura 3.    Figura 2.  Micrografía de sección delgada pulida vista con luz reflejada  (A) en las  zonas clara se evidencia la presencia de carbón coque  en las CV producido durante la combustión del carbón; también es posible evidenciar  algunas partículas de cuarzo.  (B)  Presencia de inquemados..  ENCUENTRO FACULTAD DE CIENCIAS-UPTC Décima Versión  II ENCUENTRO NACIONAL Segunda Versión “Ciencia, Tecnología e Innovación en la Sociedad” 6, 7 y 8 de octubre 2015 - Tunja, Colombia  ISSN 2389-8321 (en línea)   67 CIEC  Figura 3.  Micrografía MEB  (a) Carbón coque  y Cenosferas (Cs) vistas en la superficie de las CV  (b) Ferrosfera presente en la superficie de las CV.  Importancia y aplicación A través de la caracterización composicional y mineralógica podemos evaluar la potencialidad de uso de las cenizas CV generadas luego de la quema del combustible utilizado en la termoeléctrica.  Los resultados indican que estos residuos poseen propiedades puzolanicas requeridas en la industria cementera; en estudios de síntesis de geopolímeros y producción de zeolitas, inmovilizadores de residuos entre otras aplicaciones.  Agradecimientos: los autores agradecen a la Dirección de Investigaciones de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia por la Financiación del Proyecto 1608 de 2014. También agradecen a la COMPAÑÍA ELECTRICA DE SOCHAGOTA S.A. ESP-TERMOPAIPOA IV por suministrar el material para su caracterización.  También Al grupo Volta de la Universidad Militar Nueva Granada Bogotá por los análisis de DRX y Al grupo de Materiales avanzados de baja dimensionalidad del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del consejo superior de Investigaciones Científicas, ICMM-CSIC.  ENCUENTRO FACULTAD DE CIENCIAS-UPTC Décima Versión  II ENCUENTRO NACIONAL Segunda Versión “Ciencia, Tecnología e Innovación en la Sociedad” 6, 7 y 8 de octubre 2015 - Tunja, Colombia  ISSN 2389-8321 (en línea)   68 CIEC Referencias  1. Jegadeesan G., Souhail R., Abed A., y Pinto P.  en “Fuel” Influence of trace metal distribution on its leachability from coal fly ash    Vol 87 p.1887 (2008) 2. Elias X., “Reciclaje de residuos industriales”, ISBN 978-84-7978-835-3. Segunda edición. Ediciones santos. España (2009) 3. López, J. C., González, C. J. “Manual de reutilización de residuos de la industria minera, siderometalúrgica y termoeléctrica, Instituto Tecnológico Geominero de España”, ISBN 8478402063, Rivadeneyra, S.A.,   p.255. Madrid (1995)   4. Querol X., Moreno N., Umaña J.C., Alastuey A., Hernández E., Soler A. L., y F. Plana. en “C. Geol.” Synthesis of zeolites from coal fly ash: an overview. Vol.50 p. 413 (2002) 5. Murayama N., Yamamoto H., y Shibatia J., en “Int. J. of minero. Process” Mechanism of zeolite synthesis from coal fly ash by alkali hidrotermalreaction. Vol.64  p.1 (2002) 6. Querol X., Alastuey A., Turiel J.L.F., y  Soler A.L.,  en “Fuel” Synthesis of zeolites by alkaline activation of ferro-aluminous fly ash., vol.74 p.1226  (1995) 7. Caballero F. R.,  Ovalle S. A. M., y Gutierrez M. 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