130461 - Universidad de La Sabana

UNIVERSIDAD DE LA SABANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA AMBIENTAL
GRUPO DE INVESTIGACIÓN PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA
IDENTIFICACIÓN DE LAS POSIBLES FUENTES DE LIGNITOS
OXIDADOS PRESENTES EN EL SECTOR CRUZ DE MURCIA.
MUNICIPIO DE PAIPA Y SUS POSIBLES APLICACIONES
MEDIO AMBIENTALES
ABRIL DE 2005
CHÍA – CUNDINAMARCA
1
UNIVERSIDAD DE LA SABANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA AMBIENTAL
GRUPO DE INVESTIGACIÓN PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA
ABRIL DE 2005
CHÍA – CUNDINAMARCA
2
RESPONSABLES DE LA INVESTIGACIÓN
DR. Eduardo Mora Saboya
Director de la Monografía
INVESTIGADOR
Tercera Promoción Especialización en Ingeniería Ambiental
Facultad de Ingeniería
Universidad De La Sabana
José Mario Rodríguez Hernández
3
DIRECTIVOS UNIVERSIDAD DE LA SABANA
DR. ÁLVARO MENDOZA RAMÍREZ
Rector
Universidad de la Sabana
DRA. LILIANA OSPINA GUERRERO
Vicerrectora Académica y presidenta
Del comité de investigaciones
científicas.
Universidad de la Sabana
DR. OBDULIO VELÁSQUEZ POSADA
Vicerrector Secretario
Universidad de la Sabana
DR. JAVIER MOJICA SÁNCHEZ
Secretario General
Universidad de la Sabana
DRA. LUZ ANGELA VANEGAS S.
Secretaria Académica
Universidad de la Sabana
DR. CARLOS MANRRIQUE
Decano Facultad de Ingeniería
Universidad de la Sabana
DR. SALOMON FROST GONZÁLEZ
Director de especializaciones
Universidad de la Sabana
DR. EDUARDO MORA SABOYA
Coordinador Académico
especialización en Ingeniería
Ambiental
Universidad de la Sabana
Director de Monografía
4
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos:
Al Ingeniero Eduardo Mora por su insistencia para la realización de esta
investigación y su dedicación dentro del proceso de elaboración de la monografía.
A la Dra. Myriam Bendeck Lugo por su colaboración en lineamientos de este
proyecto, al igual que sus conceptos técnicos para la conclusión del proyecto.
5
A mi familia quienes con su
apoyo, comprensión y amor
contribuyeron
a
la
realización y feliz término
de este proyecto.
JOSÉ MARIO
6
JUSTIFICACIÓN
La corroboración de la existencia de los Lignitos Oxidados o no, en el sector Cruz
de Murcia, se determinara mediante diferentes análisis de laboratorio, estos
resultados nos dirán el poder calorífico para determinar el rango o tipo de carbón,
así como el porcentaje de Carbono orgánico o ácidos húmicos que contienen
estos carbones y de esta manera poder determinar su posible aplicación
medioambiental.
7
ABSTRACT
The material carbonaceous object of this study was gathered in the sector of Cruz
From Murcia, municipality of Paipa. This material belongs to the formation Tilatá of
Tertiary age.
The coal is a sedimentary rock whose origin comes from the accumulation and the
physiochemical alteration of the vegetable matter. The crowd becomes coal after
being buried and with an increment in the pressure and the temperature and the
geologic time, it is compressed and it hardens altering the matter giving origin to
the different types or classes of coal.
The analyzed samples gave coal as a result of under being able to heating, high
content of material volatile and high content of humidity, that corresponds to highly
rusty lignite.
8
RESUMEN
El material carbonoso objeto de este estudio fue recolectado en el sector de Cruz
De Murcia, municipio de Paipa. Este material pertenece a la formación Tilatá de
edad Terciaria.
El carbón es una roca sedimentaria cuyo origen proviene de la acumulación y la
alteración fisicoquímica de la materia vegetal. La turba se convierte en carbón
después de quedar sepultada y con un incremento en la presión y la temperatura y
el tiempo geológico, se comprime y endurece alterando la materia dando origen a
los diferentes tipos o clases de carbón.
Las muestras analizadas dieron como resultado un carbón de bajo poder
calorífico, alto contenido de material volátil y alto contenido de humedad, que
corresponde a un lignito altamente oxidado.
9
PALABRAS CLAVES
1. Leonardita
2. Carbón
3. Turbas
4. Lignitos Oxidados
5. Humedad Inherente
6. Humedad Superficial
7. Vitrinita
8. Exinita
9. Inertinita
10. Ácidos Húmicos
10
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN
17
1. OBJETIVOS
18
1.1 OBJETIVO GENERAL
18
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
18
2. GENERALIDADES
19
2.1 LOCALIZACIÓN
19
2.2 GEOLOGÍA LOCAL
19
2.3 ANÁLISIS DE LA ROCA ENCAJANTE
21
3. DEFINICIÓN DEL CARBÓN
24
3.1 ORIGEN Y FORMACIÓN QUÍMICA DEL CARBÓN
25
3.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CARBÓN
25
3.3 ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE LAS PLANTAS
27
3.4 FACTORES Y CONDICIONES NECESARIOS PARA LA FORMACIÓN
DE CARBÓN
29
4. PROPIEDADES DEL CARBÓN
30
4.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL CARBÓN
31
4.1.1 Estructura
31
4.1.2 Porosidad
31
4.1.3 Punto De Ignición
31
4.1.4 Densidad o Gravedad Especifica (no está estandarizado por la Astm).
32
4.1.5 Friabilidad
32
4.1.6 Dureza
32
4.1.7 Granulometría
32
4.2 TEORÍAS DE FORMACIÓN DEL CARBÓN
33
5. PROCESO DE CARBONIFICACIÓN
34
11
5.1 ETAPA BIOQUÍMICA DE LA CARBONIFICACIÓN
34
5.2 TIPO Y RANGO DE UN CARBÓN
34
5.3 CALIDAD DEL CARBÓN
35
5.4 VARIEDADES DE CARBÓN
35
6. COMPONENTES INORGÁNICOS DEL CARBÓN
40
6.1 HUMEDAD
40
6.2 PRESENCIA DE LA HUMEDAD EN EL CARBÓN
40
6.2.1 Humedades del carbón
40
7. COMPOSICIÓN PETROGRÁFICA DEL CARBÓN
43
7.1 FUNDAMENTOS
43
7.2 COMPOSICIÓN MACROPETROGRÁFICA
43
7.3 PETROGRAFÍA DE LOS CARBONES HÚMICOS
45
7.4 LOS MACERALES DEL CARBÓN
46
7.5 CARBONES COLOMBIANOS
52
8. ANÁLISIS DE MUESTRAS
54
8.1 CARACTERIZACIÓN DE CARBONES
54
8.2 ANÁLISIS PETROGRÁFICO
56
8.3 ANÁLISIS AGROLÓGICO
59
8.4 ANÁLISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS
59
9. APLICACIONES MEDIOAMBIENTALES
61
9.1 HUMUS COMERCIAL COMO MEJORADOR DE SUELOS
61
9.2 ORIGEN Y NATURALEZA DE HUMUS COMERCIALES
61
9.3 SUSTANCIAS HÚMICAS PROCEDENTES DE CARBONES
62
9.4 ENMIENDAS HÚMICAS
64
9.5 LOS ÁCIDOS HÚMICOS Y SU ORIGEN
65
9.6 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
66
9.7 CEMENTOS Y CONCRETOS
67
CONCLUSIONES
68
BIBLIOGRAFÍA
69
ANEXOS
70
12
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Correlación para la Clasificación de Carbones Según su Rango
39
Tabla 2. Litotipos de Carbones Húmicos y Sapropelicos
44
Tabla 3. Elementos de las Plantas Transformadas en Carbón
47
Tabla 4. Grupos de Macérales
48
Tabla 5. Resultados de Análisis Inmediatos
55
Tabla 6. Características de un Carbón Térmico
56
Tabla 7. Análisis Químico
59
Tabla 8. Análisis Comparativo de Resultados
60
Tabla 9. Grupos Carboxílicos de Lignitos
65
Tabla 10. Contenido de Ácidos Húmicos de la Materia Orgánica
66
13
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Localización
20
Figura 2. Columna Estratigráfica
23
Figura 3. Proceso de Carbonificación
26
Figura 4: Distribución de Zonas Carboníferas en Colombia
53
14
LISTA DE FOTOGRAFÍAS
Pág.
Foto 1. Panorámica Formación Tilatá
19
Foto 2. Material Pizarroso, Roca Encajante
22
Foto 3. Muestra de Lignito, Sector Cruz de Murcia
36
Foto 4. Frente de Explotación, Lignito con Alto Grado de Oxidación
37
Foto 5. Frente de Explotación de Lignitos
54
Foto 6. Muestra Macroscópica, Material Carbonoso
55
Foto 7. Microfotografía M1, Frente de Explotación
57
Foto 8. Muestra Macroscópica M1, Frente de Explotación
57
Foto 9. Microfotografía M2, Material con Alto Grado de Oxidación
58
Foto 10. Microfotografía M2, Presencia de Pirita y Materia Orgánica
58
15
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1: Resultados de Análisis Inmediatos
Anexo 2: Resultados de análisis Petrográficos
Anexo 3: Resultados de Análisis Químico
16
INTRODUCCIÓN
Teniendo en cuenta que el carbón es un combustible fósil y una de las principales
fuentes de materia prima para la generación de energía en la industria mundial, en
la que se utilizan los carbones de mejor calidad, por su alto poder calorífico, no
debemos olvidarnos que también existen carbones de mala calidad por su alto
contenido de material volátil que pueden dársele una utilización medioambiental
como mejorador de suelos o en la descontaminación de aguas residuales.
Las turbas y lignitos oxidados poco evolucionados por presentar un bajo grado de
carbonificación de la materia orgánica, tienen elevados contenidos de sustancias
húmicas que pueden extraerse por el método de tratamiento alcalino. Estos ácidos
húmicos son similares a los extraídos del suelo en su comportamiento, pero se
diferencian por un mayor grado de polimerización y aromatización.
Las turbas que proceden de la descomposición de materias vegetales en medios
inundados, son ricas en materia orgánica pero son sustratos casi inertes, sin
actividad biológica, sin embargo tienen una acción favorable sobre el
esponjamiento del suelo y su poder relativo de humedad. Los lignitos una vez
triturados pueden servir de aporte de materia orgánica al suelo, aunque en la
actualidad es posible extraer de sus formas oxidadas (Leonardita), Ácidos húmicos
y fúlvicos en disolución que pueden aplicarse en el agua de riego, siendo una
forma de aportación de materia orgánica en forma liquida al suelo.
Con la realización de este estudio se pretende determinar las posibles fuentes de
ácidos húmicos a partir de los lignitos oxidados presentes en el sector de Cruz de
Murcia, del municipio de Paipa, mediante la realización de los análisis inmediatos
o caracterización de carbones, un análisis petrográfico y su respectivo análisis
agrológico, para con los resultados obtenidos hacer una comparación con los
valores obtenidos en la recopilación bibliográfica.
17
1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar la identificación de los Lignitos Oxidados de bajo poder calorífico
presentes en la formación geológica del sector Cruz de Murcia del municipio de
Paipa, mediante una caracterización de carbones.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Recopilar la información general existente sobre origen, clasificación y existencia
de los carbones en Colombia.
Realizar una caracterización de carbones para determinar si pertenecen a los
Lignitos Oxidados objeto de este estudio.
Realizar un análisis de laboratorio para determinar el contenido de ácidos húmicos
de estos carbones.
Definir algunas aplicaciones Medioambientales de estos Lignitos Oxidados.
18
2. GENERALIDADES
2.1 LOCALIZACIÓN
La mina objeto del proyecto está ubicada en el municipio de Paipa, vereda Cruz de
Murcia.
El acceso, por carretera a la mina consta de un trayecto pavimentado de 4.5 km,
vía Paipa – Pantano de Vargas, hasta el punto llamado alto de Cruz de Murcia, en
donde se deriva a la derecha un tramo de carretera destapada de 1.5 km en buen
estado, por donde se llega a la mina. Ver figura 1
2.2 GEOLOGÍA LOCAL
Terciario. La formación Tilatá (Tst), conforma los estratos más superiores que se
han formado en la zona. En la vereda Cruz de Murcia al suroeste del lago
Sochagota aflora un conjunto formado por capas de gravas, arcillas, arenas y
esporádicas capas de lignito y carbón. Las gravas están compuestas por guijarros
subredondeados de andesitas. Se le ha calculado un espesor máximo de 150 m,
también aparece una secuencia al occidente del Lago Sochagota, algunas veces
cubierta por depósitos aluviales. La forma en que se presentan los afloramientos
permiten asegurar que dicha formación es un depósito de relleno en artesa, con
poca continuidad lateral, es por ésta razón que la encontramos siempre en
contacto discordante con la secuencia estratigráfica infrayacente.
Foto 1. Panorámica Formación Tilatá
Fuente. Autor
19
Figura 1.
20
Estudios palinológicos realizados sobre muestras de lignito recolectadas en la
Carretera Central del Norte entre las localidades de Tunja y Paipa se refieren las
capas consideradas pertenecientes al Plioceno – Plestoceno más inferior.
Estratigrafía. En el área de la mina de carbón se identifica claramente la
Formación Tilatá cuya secuencia estratigráfica está representada por limos
arcillosos, arcillas limosas, gravas y arenas con esporádicas capas de lignito y
carbón. Ver figura 2
La presencia de éstas capas de lignito sugieren que la formación fue depositada
en un ambiente de aguas tranquilas; la variación lateral en espesor y la no
continuidad parece indicar que se trata de un depósito en forma de lentejón en una
cuenca cerrada.
El contacto con las formaciones infrayacentes es discordante. La edad de la
formación es estimada como de la parte más alta del terciario, sin embargo
algunos geólogos la ubican como perteneciente al cuaternario.
2.3 ANÁLISIS DE LA ROCA ENCAJANTE
Microscópicamente el respaldo superior corresponde a una arcillolita compacta,
presenta un color gris claro a oscuro con trazas de carbón, el contacto roca –
mineral muestra sustancias o mineral sulfatado de hábito acicular color blanco,
soluble en agua y existen evidencias de flujo o corrientes subterráneas, en
ausencia de humedad es de buena resistencia, y su espesor varía entre los dos y
tres m., la gravedad específica promedio de la columna superior de rocas
compuesta en su mayoría por shale y arenisca friable se determinó como de 1.2
t/m3.
La roca del piso es una arcillolita de color gris con granos de cuarzo
subredondeados a subangulares, presente fragmentos de carbón debido muy
probablemente al proceso sedimentario; no presenta problemas de humedad, su
espesor oscila entre los tres y cuadros metros
21
Foto 2. Material pizarroso, Roca encajante
Fuente. Autor
22
Figura 2.
23
3. DEFINICIÓN DEL CARBÓN
El carbón es MATERIA VEGETAL que a través de procesos bioquímicos y
geológicos ha sufrido cambios en sus propiedades químicas y físicas. Los
cambios químicos incluyen en sus propiedades la pérdida de humedad y
constituyentes volátiles tales como carbono, oxígeno e hidrógeno, con alguna
reorganización de las moléculas de los constituyentes restante, y un incremento
en las proporciones de carbono fijo y materia mineral.
Los principales cambios físicos incluyen
un oscurecimiento del color, un
incremento en la dureza y compactación y un cambio en la forma de fractura.
El carbón es una ROCA, desde el punto de vista geológico se consideran todas
las rocas como sustancias sólidas, naturales, orgánicas o inorgánicas, que
componen la corteza terrestre. A menudo se emplea el término CARBÓN
MINERAL en transacciones comerciales, legales y en la industria. Sin embargo, el
carbón no es un mineral en sentido técnico estricto, ya que un mineral se define
como “una sustancia inorgánica homogénea, con una composición química
definida”, condiciones todas de las cuales carece el carbón.
Por otra parte, el carbón es de origen SEDIMENTARIO. La materia vegetal, junto
con cantidades variables de sustancias inorgánicas, da lugar a la formación de
carbón al depositarse (sedimentarse) en le fondo de las aguas de pantanos o
ciénagas. El material así sedimentado sufre el ataque de bacterias y otros
organismos menores, es cubierto por sedimentos y presenta entonces una
compactación durante la cual actúan los factores clásicos del METAMORFISMO
general, particularmente la temperatura y la presión.
Las consideraciones hasta aquí expresadas permiten llegar a una definición que
cubre las principales características del material denominado CARBÓN, así:
“Es una roca sólida, parda o negra, combustible, de origen
sedimentario, conteniendo más del 50% en peso de material
carbonáceo, y cantidades menores de materia mineral formada por la
descomposición parcial de materia vegetal sin acceso libre de aire, en
ambiente
saturado de agua compactada bajo la influencia de
temperatura y presión en el tiempo geológico”.
El carbón es síntesis, es una forma muy concentrada del elemento CARBONO, y
junto con los otros combustibles fósiles como el petróleo y el gas natural
representa acumulaciones de energía solar. En la estructura de la tierra el
elemento CARBONO es poco más que un elemento traza, ya que no representa
24
sino un 0.04% de la masa total. En la corteza terrestre (hasta un profundidad de
5.00 m) el carbono no excede más del 0.1% de todos; sin embargo, no
solamente es indispensable para la vida, sino, que es la fuente principal de
energía.
3.1 ORIGEN Y FORMACIÓN QUÍMICA DEL CARBÓN
ORIGEN Es una roca cuyo origen proviene de la acumulación y alteración físicoquímica de materia vegetal. Las acumulaciones originales de la vegetación
(primordialmente plantas leñosas) dan por resultado la formación de turba,
sustancia precursora del carbón. La turba se convierte en carbón después de
quedar sepultada y con un incremento de presión y temperatura, alternando estas
de forma progresiva se comprimen y endurecen hasta alterar la materia y
convertirse en grafito.
En eras geológicas remotas, en el periodo carbonífero, grandes extensiones del
planeta estaban cubiertas por una vegetación abundante que crecía en pantanos.
Al morir las plantas, quedaban sumergidas por el agua y se descomponían poco a
poco. A medida que se producía esa descomposición, la materia vegetal perdía
átomos de oxígeno e hidrógeno, con lo que quedaba un depósito con un elevado
porcentaje de carbono. Así se formaron las turberas. Con el paso del tiempo, la
arena y el lodo se fueron acumulando sobre alguna de esas turberas. La presión
de las capas superiores, así como los movimientos de la corteza terrestre, en
ocasiones, el calor volcánico, comprendieron y endurecieron los depósitos hasta
formar carbón. Ver figura 3.
3.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CARBÓN
Por la reacción de la fotosíntesis se logra, la unión del carbono, del hidrógeno y el
oxígeno, para transformar los tejidos de las plantas. Sin embargo la estructura
química de esos tejidos, no es igual en todas las partes de la planta y depende de
la propia vida de esta. Haremos un resumen de las funciones químicas más
importantes, que existen en la vida vegetal, con el propósito de seguirlos en sus
transformaciones hasta la aparición del carbón.
CO2 + H2O + Energía Solar ⇒ O2 + (CHO)
Reacción química del carbón
25
Celulosa
Ligninas
Grasas
Ceras
Resinas
Otros
Figura 3. MINERALIZACIÓN Y HUMIFICACIÓN; FORMACIÓN DE TURBA, CARBÓN PARDO Y
CARBÓN BITUMINOSO (Según W. Flaig, 1968)
Aeróbico
Aeróbico
Anaeróbico
Anaeróbico
Carbohidratos: 20-55%
Proteínas: 0.2 – 18%
Lignina:
10-35%
Ceniza:
∼ 10%
CO
MINERALIZACIÓN
A:
CO2, H2O, NH3
Tiempo
Microorganismos
Carbohidratos,
proteínas, lignina
Humificación
Tiempo
H2
Temperatura
presión
Productos de
descomposición
Formación de
Turba
Sustancia húmica
(ácidos húmicos)
Formación de
Carbón pardo
Cambio incremental de: lignina, productos
intermedios, ácidos húmicos.
En dirección a:
Disminución de O, H, N
Incremento de C, y aromaticidad
Fuente. INGEOMINAS
26
Formación de carbón
bituminoso
3.3 ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE LAS PLANTAS
El carbón y el petróleo están básicamente constituidos de material orgánico
proveniente de los seres vivos.
En primer lugar se consideran los hidratos de carbono que son las formas
químicas más abundantes en cualquier vegetal de nuestra época, aunque bien
pudiera ser que en otros periodos geológicos no existieron en tanta cantidad.
Hidratos de Carbono y Similares.
En la actualidad los vegetales tienen la mayor cantidad de hidratos de carbono
como funciones químicas: es posible que en los periodos geológicos más
antiguos, los vegetales tuviesen una composición diferente.
Los hidratos de carbono consisten en macro moléculas formadas por anillos
hexagonales no aromáticos, compuestos por cinco átomos de carbono y uno de
oxígeno, unidos entre sí para constituir largas cadenas rectas: ligados a estos
anillos hay átomos de hidrógeno y radicales de bajo peso molecular.
•
La celulosa, es el principal representante de los hidratos, es el componente
más importante de las paredes celulares.
•
El almidón, similar al anterior, y reserva alimenticia de las plantas.
•
Las pectinas, son los constituyentes de muchas fibras vegetales
•
Las pentasonas, son los componentes de muchas gomas.
Lignina y Lignanos.
La Lignina es el material que une las fibras celulósicas entre sí; actúa en forma de
cemento. La estructura de la lignina se conoce imperfectamente, pero se sabe que
es de naturaleza aromática.
Los Lignanos, son los principales constituyentes de muchos tejidos vegetales;
corresponden, entre otros, al ácido guayecérico, la conidendrina y el pinoresinol.
Todos estos son muy resistentes al ataque químico y es muy probable que así se
comporten durante la fosilización de las plantas.
27
Ceras y Grasas.
Se derivan de los ácidos grasos unidos a los alcoholes superiores. Las grasas se
concentran en algunos frutos y las ceras son mucho más abundantes en las
exinas de las esporas y en las cutículas de las hojas.
Resinas.
Forman el grupo de los materiales más resistentes al ataque químico; forman
parte de ellas algunos ácidos como el abiético y el dextropimárico. Igualmente
forman las resinas los terpenos cíclicos o acíclicos derivados del isopropeno.
Proteínas.
Son polímeros derivados de aminoácidos; formados por el radical amina al unirse
a cadenas alifática, aunque algunos tengan anillos alifáticos o heterocíclicos. Se
distinguen fundamentalmente por la presencia de nitrógeno. Muy relacionada con
las proteínas está la clorofila y los alcaloide
Puede considerarse que CARBÓN es cualquier roca combustible en la cual la
materia orgánica comprende 50% en peso y 70% en volumen.
En los sedimentos modernos, y en las rocas, la MATERIA ORGÁNICA tiende a
ocurrir en tres asociaciones naturales (Tostó y Welte, 1978):
TIPO I (Amorfo o Sapropélico)

Restos de algas, microorganismos,
fito y zooplancton
TIPO II (Herbáceo)
2 Restos
de
plantas
altamente degradados.
TIPO III (a-Maderáceo
b-Carbonoso)
- 3 Restos de plantas mayores menos
degradados
mayores
Dependiendo del tipo y grado de maduración del material orgánico, resultará ya
sea rocas fuente de petróleo, esquistos de petróleo o CARBÓN. La materia
orgánica se encuentra en cantidades variables, en todos los tipos de sedimentos.
Así, los depósitos de turba y carbón, petróleo, gas natural, arenas alquitranadas y
esquistos de petróleo representan altas concentraciones de material orgánico.
Por otra parte, en sedimentos clásticos ( conglomerados, areniscas) se encuentra
gran abundancia de partículas orgánicas dispersas.
28
La materia orgánica tipo I es la principal componente de las rocas fuentes de
petróleo. Su cantidad en la roca es una porción significante, la roca puede
denominarse como esquisto de petróleo; si el contenido orgánico es mayor del
50% en peso, la roca puede denominarse como CARBÓN.
La materia orgánica tipo II, dependiendo de la abundancia de ella en la roca,
puede también referirse como roca fuente, esquisto de petróleo o CARBÓN.
La materia orgánica tipo III, cuando está se presenta en adecuadas cantidades, se
denomina carbón, pero debido a que este tipo de materia orgánica tiene poco
potencial de generación de petróleo, las rocas que contienen menos cantidades
de ese material no son consideradas como rocas fuente o esquistos de petróleo y
simplemente se refieren como CARBONACEAS.
3.4 FACTORES Y CONDICIONES NECESARIOS PARA LA FORMACIÓN DE
CARBÓN
Los siguientes son los factores y condiciones que contribuyen en la formación del
carbón:
1. Ambiente de pantano y clima favorable para el de la flora (crecimiento de
plantas).
2. Subsidencia del área durante la acumulación y compactación de los restos de
materia vegetal, permitiendo acumulación posterior.
3. Condiciones de humedad suficientes para impedir la oxidación del material
vegetal antes de su descomposición junto con una suficiente y rápida
acumulación de la materia orgánica para impedir la acción bacterial.
4. Proximidad al mar o cuenca de sedimentación para que la materia vegetal sea
cubierta por sedimentos cuando el nivel del mar se eleve o el área se hunda
lentamente.
5. Sitio de acumulación protegido del efecto de los agentes erosivos.
29
4. PROPIEDADES DEL CARBÓN
El carbón se evalúa de acuerdo con ciertas propiedades. Las más importantes
son:
9 Poder calorífico: Es la más importante, ya que el calor potencial es la
mercancía objeto de compraventa. Depende de la cantidad de humedad y de
cenizas, así como de la composición de la materia orgánica.
9 Humedad: Componente no combustible que aumenta el peso muerto del
carbón, consume calor de la parte combustible y debilita su estructura física.
9 Ceniza: Materia mineral inorgánica que queda como residuo de la combustión.
En la mayoría de las minas de carbón funcionan plantas de lavado para la
separación de la materia inerte.
9 Azufre: Impureza inorgánica del carbón. Es perjudicial ya que en la combustión
se forman ácidos corrosivos.
9 Temperatura de fusión de las cenizas: Los carbones pobres producen
cenizas fundidas que ocasionan graves averías al obstruir los pasos de aire de
las parrillas.
9 Tamaño: Determinado por el grado de rotura que sufre en la manipulación,
pero regulado por la trituración que se realiza durante el proceso.
9 Triturabilidad: Propiedad de interés principal para la fabricación de cemento y
de las instalaciones que utilicen carbón en polvo. Los carbones se diferencian
en su dureza, pero la pizarra o pirita (minerales duros), aumenta la dificultad de
trituración.
9 Desmenuzamiento: Propiedad parecida a la triturabilidad, pero perjudicial para
los carbones destinados a usos domésticos.
9 Características de coquización: Es muy significativa en la clasificación del
carbón destinado a los hornos de coque y a la predicción de la eficacia en las
parrillas.
9 Tendencia a formar escorias: Función derivada de la composición de las
cenizas y de las condiciones de manipulación. Para la fácil extracción de las
cenizas, éstas deben ser granuladas.
9 Grado de Ignición: Depende de las propiedades del carbón e influye en la
velocidad de combustión.
30
9 Uniformidad de calidad: Un carbón de calidad pobre pero uniforme puede ser
preferible a otro de calidad más elevada pero variable.
4.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL CARBÓN
4.1.1 Estructura. Desde el punto de vista de la estructura química, un carbón
típico se compone de cúmulos de anillos de compuestos aromáticos e hidro –
aromáticos con mayor o menor grado de fusión entre ellos dependiendo de su
categoría.
En las terminaciones de estas unidades básicas se encuentran a veces grupos
funcionales sustituyentes de átomos de hidrógeno. Los más comunes son el
carboxílico, el carbonilo, el fénolico, el etérico y el metoxy. A su vez estos cúmulos
se unen entre si por enlaces metilénicos, etéricos o tioetéricos.
4.1.2 Porosidad. El carbón es un material altamente poroso como consecuencia
de la falta de alineamiento de las unidades básicas que lo conforman. La
porosidad es de gran importancia para conocer el comportamiento del carbón en
los procesos de minería (explotación, liberación de metano), preparación (la
densidad es función de la porosidad) y también en su utilización donde los
fenómenos difusionales en el interior de la partícula pueden ser fundamentales
para la cinética de las reacciones involucradas.
Todos los carbones son porosos y la porosidad depende del rango. Mientras que
carbones ligníticos poseen aproximadamente un 50% volumen de poros, los
carbones bituminosos medios en volátiles sólo un 3% volumen. Estos poros están
llenos de agua (humedad de lecho) cuando el carbón está “in situ”. Cuando el
carbón está seco o parcialmente seco los poros se vacían pero se pueden llenar
con la atmósfera del medio. Por este motivo, carbones de bajo rango se pueden
contraer y su porosidad se reduce cuando el carbón se seca. Cuando este carbón
nuevamente se humedece, recobra algo de la porosidad perdida. Este fenómeno
es una histéresis de humedad.
4.1.3 Punto De Ignición. Es la temperatura a la cual el carbón pulverizado
empieza a arder sin llama. El análisis consiste en calentar poco a poco el carbón
al paso de oxigeno hasta que el carbón arde. El punto de ignición depende del
rango. Entre más alto el rango el punto de ignición es algo mayor. El punto de
ignición para carbones altos en volátiles es de aproximadamente 200°C, mientras
que para una antracita es de aproximadamente 250°C.
31
El punto de ignición no se puede deducir del comportamiento de la ignición de un
carbón en los procesos de utilización, ya que este depende de otras
características como la granulometría. El punto de ignición se puede determinar
aproximadamente de curvas conociendo la materia volátil, el carbono, etc.
4.1.4 Densidad o Gravedad Especifica (no está estandarizado por la Astm).
La gravedad especifica del carbón es su densidad. Por la constitución del carbón
existen tres diferentes densidades: densidad verdadera, densidad de carga y
densidad aparente.
9 La densidad verdadera es la masa por unidad de volumen de la materia sólida
libre de poros.
9 La densidad de carga es la masa por unidad de volumen del sólido pero
incluyendo poros y fisuras y cualquier sustancia en ellos.
9 La densidad aparente es la determinada por desplazamiento de un líquido.
Esta densidad puede o no coincidir con la densidad verdadera o de partículas,
según las condiciones de análisis.
4.1.5 Friabilidad. La friabilidad es la tendencia relativa de un carbón al
rompimiento durante su manejo y transporte, y depende de la resistencia,
elasticidad, fracturas y diaclasas características del carbón.
4.1.6 Dureza. La dureza es una propiedad de cuerpos sólidos homogéneos
y determina la resistencia del cuerpo a la penetración de otro o la
resistencia al desbastado y pulímetro.
Debido a que los carbones no son homogéneos sino heterogéneos, no existe un
método para medir la dureza de una muestra de un manto de carbón. En general
los carbones húmicos, en la escala de Mohs, muestran una dureza entre uno para
turbas y cuatro para antracitas. Los carbones sopropélicos pueden mostrar
mayores durezas.
4.1.8 Granulometría. Es la distribución por tamaño de las partículas del carbón
crudo y depende de los procesos de trituración y manipulación mineros, así como
de la dureza del carbón. Para determinar las técnicas de preparación y beneficio
del carbón.
32
4.2 TEORÍAS DE FORMACIÓN DEL CARBÓN
En términos generales, puede deducirse que para dar origen al carbón, los
fragmentos de plantas han pasado por un proceso de formación de TURBA.
Cuando este material ha sido enterrado bajo sedimentos, la turba cambia a
LIGNITO O CARBÓN PARDO, el cual probablemente bajo la influencia de efectos
geotérmicos principalmente, se transforma en CARBÓN BITUMINOSO y
finalmente ANTRACITA.
Originalmente fue una creencia común que el carbón, y especialmente CARBÓN
BRILLANTE, ha sido formado a partir de CELULOSA, ya que la celulosa es el
constituyente principal de la madera (BERGIUS, 1913).
El mecanismo sería una descomposición hidrolítica de la celulosa en azúcares,
seguida por condensación bajo la influencia de los productos de degradación de
las proteínas (aminoácidos).
En 1992, Fischer y Schradeer propusieron su teoría de la LIGNINA como
precursora exclusiva del carbón, mostrando que los pantanos contienen una alta
proporción de lignina.
Otros, incluido Hilpert (1934), llegaron hasta a desconocer la presencia de lignina
en el cuerpo de la planta; ellos asumieron que esta sustancia no es producida
hasta que la madera se trata químicamente.
Waksman (1935), microbiologista, soportó la teoría de la lignina, pero estableció
que las PROTEÍNAS, en la forma de productos de autoanálisis formados por
acción bacterial, son esenciales para la síntesis de las sustancias básicas en la
transformación de turba en carbón, que son los llamados ÁCIDOS HUMICOS
No hay hasta ahora una teoría definitiva sobre los materiales y el mecanismo que
da origen al carbón, pero es claro que dicho mecanismo debe ser excesivamente
complicado y debe esperarse que el producto resultante también posea una
estructura heterogénea y complicada.
33
5. PROCESO DE CARBONIFICACIÓN
La CARBONIFICACION se refiere a la transformación progresiva de la turba en
lignina, carbón sub-bituminoso, carbón bituminoso, semiantracita, antracita y metaantracita. El grado de transformación del carbón en esta serie se refiere al
RANGO DEL CARBÓN. EL PROCESO DE CARBONIFICACION, con sus
principales cambios y agentes de transformación se esquematizan en la figura
No. 3 (W.Flaig, 1968).
White ( 1908; en francis, 1961) sugirió que se pueden reconocer dos etapas en la
carbonificación: una primera etapa que comprende cambios microbiales y
químicos, y que se ha denominado “CARBONIFICACION BIOQUÍMICA”, y una
etapa última en la cual no toman parte los microorganismos, y que se denomina
“CARBONIFICACION GEOQUÍMICA”.
5.1 ETAPA BIOQUÍMICA DE LA CARBONIFICACIÓN
Tomando como base la alteración química y física del material vegetal, esta etapa
se debe considerar como un PROCESO DIAGENETICO, el cual se extiende hasta
el final de la formación del carbón pardo blando. (lignito B).
El suceso más importante en este proceso es la formación de SUSTANCIAS
HUMITAS, lo que se denomina HUMIFICACION. Estas sustancias son materiales
sólidos que se producen al mismo tiempo que gases y líquidos, por la
descomposición de los componentes químicos de las plantas fácilmente
hidrolizables (disacáridos, almidón, celulosa, pectinas y proteínas) debido a la
acción de bacterias y hongos. Las sustancias húmicas son la base de la
formación del carbón en la etapa siguiente de la carbonificación.
5.2 TIPO Y RANGO DE UN CARBÓN
El Tipo. Significa la distinción que se hace con respecto a la naturaleza de los
fragmentos vegetales que lo originaron y a las condiciones del depósito.
34
El Rango. Tiene relación con el grado de evolución alcanzado por un carbón
desde el momento en que depositamos los fragmentos vegetales hasta el
momento actual. Se ha considerado que existe una serie continua de rango que va
desde la turba, pasando por los lignitos y las hullas y finalizando con las antracitas.
5.3 CALIDAD DEL CARBÓN
Es el conjunto de propiedades y características físicas, químicas y petrográficas
del carbón que con sus valores, permiten su clasificación relacionada con su
adecuación para un propósito particular. El control de calidad comprende las
operaciones de muestreo, preparación de la muestra y análisis.
5.4 VARIEDADES DE CARBÓN
Tanto en la ciencia como en el comercio se reconocen casi universalmente ciertas
variedades de carbón que no están separadas exactamente, y por ello es
necesario establecer ciertos límites amplios en la proporción de sus constituyentes
al pretender describirlas.
Se admite generalmente que el carbón se deriva de la TURBA, material que no se
considera como una variedad de carbón, sino, una etapa incipiente de su
formación.
Es común el hecho de emplear cierta terminología en la definición de las variables
de carbón, cuyos orígenes se radican en los países con su desarrollo avanzado de
la industria y el comercio de este recurso natural. En consecuencia, es necesario
introducir al lector en los diferentes términos que se utilizan para distinguir un
carbón de otro.
TURBA (Ingles: Peat; Francés Tourbe; alemán : Torf) : la turba es una
acumulación de materia vegetal que ha sufrido grados variables de desintegración
y descomposición, contiene un alto porcentaje de oxígeno y agua. Su apariencia
física varía de
un material fibroso, leñoso, pardazo hasta una sustancia
gelatinosa, pardo-obscura a negra. Aunque puede ser cortada en bloques, raras
veces es suficientemente compacta para constituir un buen combustible sin antes
haberla comprimido y secado.
35
LIGNITO (Ingles: Lignite; Francés: lignite; alemán: Braunkhole): el término lignito
ha sido usado intercambiablemente con el término “carbón pardo” debido a que los
tipos reconocidos: amorfo y maderoso, pueden ser de color pardo y tener similares
usos y propiedades químicas. Realmente no puede establecerse una distinción
exacta entre los dos.
En los Estados Unidos se ha adoptado el término CARBÓN SUB-BITUMINOSO
para el lignito duro, compacto de color negro, y se restringe el término LIGNITO al
carbón pardo de menor grado, el cual usualmente (pero no siempre) es más o
menos maderoso o leñoso, y al secarse se divide en lajas. El carbón subbituminoso, además se caracteriza por partirse siguiendo una superficie paralela al
plano de sedimentación y no se desintegra en cubos como lo hacen los carbonos
BITUMINOSOS. La fractura es a veces concoidea.
El lignito se diferencia de la turba en que no puede ser cortado como esta, tiene
un menor contenido de humedad, un mayor contenido de carbono (generalmente
60%= y no se le observa celulosa libre.
Foto 3. Muestra de Lignito, sector Cruz de Murcia
Fuente. Autor
36
Foto 4. Frente de explotación, Lignito con alto grado de Oxidac.
Fuente. Autor
Los lignitos tienen una composición en materiales volátiles superior al 45%, un
alto contenido en agua, del 20 al 40%, y un bajo poder calorífico. Debido al efecto
de la presión por progresivo enterramiento, y las condiciones reductoras en
profundidad, el esqueleto molecular de los lignitos se ha comprimido, formándose
cadenas cerradas, con pérdida de oxígeno e hidrógeno.
En función de la intensidad del proceso de carbonización que hayan sufrido,
diferenciamos los lignitos pardos, más similares a la hulla, y los lignitos turbosos,
con un menor grado de carbonización, en los que se pueden llegar a reconocer
estructuras vegetales originales. La mayoría se relaciona con la orogénesis alpina
y datan de mediados de la era secundaria o principios de la terciaria.
El lignito se forma a partir de turba, durante la etapa de carbonización propiamente
dicha, en condiciones anaerobias y ácidas. La turba inicial mantiene un alto
porcentaje en agua cuando es sepultada, generalmente por sedimentos aluviales,
y si la roca madre es permeable, acaba transformándose en lignito, con pérdida de
oxigeno, anhídrido carbónico y agua.
CARBÓN BITUMINOSO (Ingles: Bituminous; francés: Houlle; alemán :
Schaarzkhole) : su denominación se debe a que los productos liberados durante
su destilación se refieren como BITUMEN. El carbón bituminoso es en general
laminado, y sus capas varían apreciablemente en el lustre. Puede ser resinoso,
sedoso, brillante, o mate terroso. El color varía de negro a gris oscuro. La
fractura puede ser irregular, pero casi siempre es más o menos cúbica. Los
37
carbones CANNEL de rango bituminoso tienen fractura concoidea. Hay varias
clases de carbones bituminosos, en Estados Unidos se diferencian por su
contenido de materia volátil o de carbono fijo, algunos de ellos tienen propiedades
aglomerante durante la carbonización y otros carecen de ellas.
CARBÓN CANNEL: este término tiene su origen en la palabra “cannel”
(CANDELA, LLAMA) debido a la propiedad de encenderse fácilmente, con una
llama brillante, viva, debido al alto porcentaje de constituyentes volátiles. El
carbón cannel pertenece al grupo de carbones denominados SAPROPELICOS,
junto con los carbones BOGHEAD. Consiste principalmente de esporas, formas
menores de plantas acuáticas y pequeñas partículas de vegetación. Tiene
fractura concoidea y es de color negro o pardo oscuro. Partiendo de diferente tipo
de materia vegetal, es posible encontrar carbones cannel pasando a través de las
etapas correspondientes de carbón pardo a bituminoso, reteniendo aún su
carácter canneloide
Los carbones BOGHEAD se diferencian de los CANNEL en su contenido,
principalmente algas. SU color es pardo oscuro y su superficie opaca y carente
de lustre. Su fractura es irregular a sub-concoidea.
SEMIANTRACITA: este término se refiere al carbón entre bituminoso bajo – volátil
y antracita. De ésta última se diferencia en que su fractura concoidea no está tan
bien desarrollada, su encendido en el fuego es más fácil debido a su mayor
contenido de materia volátil y emite una pequeña llama amarilla cuando se
enciende.
ANTRACITA (Ingles: Anthracite; francés: Anthracite; alemán: Glanzkohle): tiene un
color negro, y lustre mate a brillante y aún semimetálico. Se enciende con una
llama azul pálida, de casi imperceptible olor y no coquiza. Comúnmente rompe
con fractura concoidea y a menudo presenta en la superficie rota formas
redondeadas u ovales, por lo cual algunas veces se le ha denominado “Carbónojo-de-pájaro”. La antracita posee la mayor dureza de los carbones. Varía de
2.75 a 3 en la escala Mohs.
La tabla 1 Muestra una correlación aproximada de los diferentes términos usados
para las variedades de carbón. En el texto se usará tanto la denominación
científica como la comercial según la American Standards for Testing and
Materials (ASTM), de los Estados Unidos, en consideración a su más extendido
conocimiento y empleo.
38
TABLA 1. CORRELACIÓN DE DENOMINACIONES (CIENTÍFICA Y COMERCIALES) DE VARIOS
PAÍSES PARA LA CLASIFICACIÓN DE CARBONES SEGÚN SU RANGO.
MATE
BRILLANTE
B (CARBÓN
PARDO)
(No consolidado)
CARBÓN
SUB-BITUMINOSO
CARBÓN DURO
C
B
A
C
CARBÓN
ALTO VOLÁTIL
(High volátil)
B
A
BAJO RANGO
LIGNITO
CLASIFICACIÓN SISTEMA
FRANCÉS
LIGNITO
(Lignite)
A (Consolidado)
CARBÓN
BITUMINOSO
ALTO-VOLATIL
CARBÓN
BITUMINOSO
DURO
LIGNITO
CARBÓN
PARDO
CARBÓN
PARDO
DURO
CLASIFICACIÓN
CLASIFICACIÓN
SISTEMA INGLES
SISTEMA ALEMÁN
(D e n o m i n a c i ó n C o m e r c i a l)
T U R B A
CARBÓN BITUMINOSO
MEDIO-VOLATIL
CARBÓN
MEDIO-VOLATIL
COQUIZANTE
(Médium Volátil Coking)
CARBÓN BITUMINOSO
BAJO-VOLATIL
CARBÓN DE VAPOR,
COQUIZANTE
(Steam, Coking)
SEMI-ANTRACITA
CARBÓN DE VAPOR
SECO
(Dry steam)
MATE
BRILLANTE
CARBÓN LLAMEANTE
CARBÓN
VOLATIL
CARBÓN
PARDO
BLANDO
CLASIFICACIÓN POR
RANGO (A.S.T.M.)
LIGNITO
CARBÓN PARDO
ESTADOS DE RANGO
(Denominación científica)
LLAMA LARGA
LLAMA CORTA
CARBÓN GRASO
CARBÓN
LLAMEANTE
(Flambat)
SECO
(Sec)
GRASO
(Gas)
CARBÓN GRASO
(Gras)
CARBÓN DE LLAMA
CORTA
(Gras a courte flame)
CARBÓN SEMI- GRASO
ALTO RANGO
ANTRACITA
ANTRACITA
META-ANTRACITA
ANTRACITA
(Anthracite)
Fuente. INGEOMINAS
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GRASO
CARBÓN MAGRO
CARBON SEMI – GRASO
(Demi-Gras)
ANTRACITA
CARBÓN MAGRO
(Maigre)
META ANTRACITA
ANTRACITA
(Anthracite)
6. COMPONENTES INORGÁNICOS DEL CARBÓN
Convencionalmente, la parte inorgánica del carbón se compone de HUMEDAD y
MATERIA MINERAL.
6.1 HUMEDAD
La humedad es un componente importante de los carbones, tanto desde el punto
de vista científico como el práctico.
La vegetación misma tiene un alto porcentaje de agua. En los pantanos que dan
origen al carbón se encuentra una mezcla mecánica de vegetación, agua y
minerales. Al progresar la carbonificación, la cantidad de agua presente varía
según la etapa del proceso. En general se produce una continua eliminación de
agua, especialmente en las últimas etapas, lo cual se hace evidente si
comparamos los contenidos de humedad de los diferentes rangos del lignito a la
antracita.
El agua está presente en la mayoría de la minas y circula a través de muchos
mantos de carbón. Durante el transporte y el almacenamiento el carbón está
expuesto a lluvias y ocasionalmente, se añade agua al carbón antes de su uso en
combustión o en carbonificación.
6.2 PRESENCIA DE LA HUMEDAD EN EL CARBÓN
El agua y el carbón forman mezclas mecánicas, físicas y químicas. Parte del agua
presente en el carbón puede denominarse “HUMEDAD LIBRE”, esta parte tiene
una presión de vapor normal y puede ser retirada por procesos puramente
mecánicos. Otra parte del agua, denominada
“HUMEDAD COMBINADA”,
constituye un componente de una mezcla física y química. Esta humedad tiene
una presión de vapor menor que la normal.
6.2.1 Humedades del carbón. Fundamentalmente la humedad del carbón se
puede subdividir en cuatro categorías: humedad inherente, humedad superficial,
agua de hidratación de minerales y humedad de descomposición.
40
Humedad Inherente. Teóricamente es la humedad que puede contener un carbón
en una atmósfera con 100% de humedad relativa. A esta humedad se le denomina
también humedad de lecho, capacidad de humedad y es sinónimo de humedad de
equilibrio en las normas ASTM D -1412 e ISO 1018 para carbones duros.
Humedad Superficial. Es la que se encuentra en la superficie de las partículas de
carbón. Es el exceso de la humedad inherente según la ASTM. Se le denomina
también agua libre o extraña.
Agua de hidratación de minerales. Se le encuentra en la estructura cristalina de
los minerales que contiene el carbón, principalmente de los minerales arcillosos.
Humedad de Descomposición. Esta humedad resulta de la parte orgánica del
carbón por descomposición terminal a una temperatura entre 200 y 250 °C.
Desde el punto de vista analítico, en la determinación de la humedad del carbón,
para caracterizarlo, se conocen: humedad de equilibrio, humedad superficial,
humedad residual y humedad total.
Humedad de equilibrio. Esta humedad es una parte de la que contiene el carbón
“in situ”. Las normas ASTM D –1412 e ISO 1018 se pueden considerar
equivalentes para la determinación de la humedad de equilibrio en una atmósfera
entre 96 y 97% de humedad relativa y a 30°C.
Para carbones sub-bituminosos la muestra se muele a malla 16, se satura con
agua, se filtra y se equilibra por tres días a 30°C y 97% de humedad relativa. El
nivel de humedad se mide por pérdida de peso durante el calentamiento entre 104
y 110°C durante 90 minutos.
Para lignitos se omite la saturación con agua, y el periodo para alcanzar el
equilibrio es mantenido por lo menos durante cinco días.
La humedad de equilibrio se usa para clasificar carbones por rango, para estimar
la humedad superficial, para cálculos de combustión y para la preparación de
carbones.
Humedad libre: Es la perdida por el carbón hasta alcanzar el equilibrio
aproximado con la atmósfera del lugar donde se realiza la preparación. Se adhiere
mecánicamente al carbón depende de las operaciones que sufre el carbón y de
las condiciones a las cuales se expone. Esta agua conserva sus propiedades
físicas y químicas habituales.
Después de eliminada esta humedad se encuentra el carbón en estado “secado al
aire”.
41
Humedad residual: (ASTM D –3173) localizada en el interior de los poros y
capilares, retenidas por fuerzas de absorción y condensación capilar.
Es insensible a las condiciones atmosféricas se considera una característica
básica del carbón relacionada con el Rango, después de la remoción de esta
humedad el carbón está en estado “seco”
La humedad residual depende de las condiciones atmosféricas del laboratorio,
(temperatura, presión, humedad relativa) por lo tanto, los resultados no son
iguales en los laboratorios, especialmente en muestras de carbón con un alto
contenido de humedad de equilibrio. Si se quieren comparar resultados de
muestras iguales obtenidos en diferentes laboratorios hay que pasar los valores a
base como se recibió o a base seca.
42
7. COMPOSICIÓN PETROGRÁFICA DEL CARBÓN
7.1 FUNDAMENTOS
El carbón puede ser considerado como una bio - roca (para hacer énfasis en su
origen orgánico), de color oscuro (negro o pardo), combustible, de origen
sedimentario, constituida básicamente por materia vegetal, con algunos minerales
presentes. Se ha formado por la descomposición parcial de vegetales, en
condiciones de saturación de agua y restricción de aire, y con la compactación de
este material bajo la influencia de presión y temperatura durante largos periodos
de tiempo.
La componente orgánica del carbón puede provenir de:
•
Algas, fitoplancton, zooplancton.
•
Plantas mayores grandemente descompuestas
•
Plantas mayores poco descompuestas
Estos materiales vegetales muy diferentes en cuanto a su composición química y
a su estructura que forman parte de las plantas originales, se advierten en la
heterogeneidad del carbón fundamentalmente en sus propiedades químicas y en
su misma constitución física.
Los carbones que provienen de la descomposición y posterior transformación
físico química de los dos primeros materiales se denominan sapropélicos; los
formados a partir de plantas poco degradadas son los húmicos (los más
abundantes en el planeta).
7.2 COMPOSICIÓN MACROPETROGRÁFICA
La mayoría de los carbones húmicos presentan bandas diferenciables al ojo
humano cuya apariencia puede ser vidriosa, sedosa, opaca o fibrosa llamados
litotipos o tipos de roca visible.
Las características de los litotipos de los carbones sapropélicos y húmicos
aparecen en la siguiente tabla:
43
Tabla 2. Litotipos de carbones húmicos y sapropélicos
TIPO DE
CARBÓN
LITOTIPO
CARACTERÍSTICAS MACROSCOPICAS
Vitreno
Parte negra, brillante y quebradiza del carbón, que se
encuentra en capas muy delgadas. Fractura concoidea.
En secciones delgadas es traslucido y amarillento.
Quiebra cúbicamente y tiende a concentrarse en los finos
en la explotación del carbón. En los mantos se presenta
con espesores entre 3 y 10 mm.
Clareno Negro semibrillante (entre vitreno y dureno), muy
finamente estratificado. Es el litotipo más común. Bandas
de espesores entre 3 y 10 mm. Presencia de esporas,
Húmico
cutículas y trozos leñosos.
Dureno Negro o negro grisáceo pero siempre mate, duro,
superficie resistente que rompe con irregularidad. En
sección delgada es ligeramente opaco y muestra esporas
grandes y pequeñas en una matriz granulada. Solo las
capas entre 3 y 10 mm de espesor se consideran como
dureno.
Fuseno Sustancia negra, blanda y pulvurulenta que se encuentra
en el carbón en capas pequeñas y muy friables.
Estructura celular de la madera primitiva.
Cannel Negro, mate o con lustre ligeramente grasoso,
homogéneo, no estratificado, muy duro, fractura
Sapropélico
concoidea, trazo negro.
Boghead Muy similar al cannel, presenta coloración parda y trazo
café.
Fuente. Manual de Carbones y Coquización
Macroscópicamente es fácil distinguir los litotipos de los carbones húmicos (por
ello se les llama carbones bandeados); no ocurre lo mismo con los carbones
sapropélicos: la principal diferencia entre “cannel” y “boghead” está en su trazo,
negro y café respectivamente. Los litotipos "cannel" son ricos en esporas y los
“boghead”, en algas, características que se pueden observar en el microscopio.
Macroscópicamente también pueden observarse concentraciones de minerales
(pirita, arcilla, carbonatos), espesor de los mantos, disposición y sucesión de
litotipos etc., Todo esto es útil en la correlación de dichos mantos.
44
7.3 PETROGRAFÍA DE LOS CARBONES HÚMICOS
Descripción macroscópica. La descripción más sencilla de un manto de carbón es
la llamada burda. En esta se diferencian:
•
Carbón
•
Carbón sucio (carbón + peña)
•
Peña (rocas asociadas)
Para una descripción macroscópica más detallada de los mantos de carbones se
utilizan las bandas naturales llamadas litotipos estas son:
•
Carbón brillante (vitreno)
•
Carbón mate (dureno)
•
Carbón fibroso (fuseno)
•
Carbón semibrillante (clareno)
La petrología y la petrografía del carbón, que estudia estos componentes
litológicos, nacida en 1920, han llegado a constituir una de las ciencias principales
en los estudios tecnológicos del carbón. Recogeremos los elementos precisos
para hacer visible el análisis petrográfico y sobre todo para resaltar la estrecha
dependencia de toda la tecnología del carbón (coquización, hidrogenación,
alteraciones del carbón en transporte y en su almacenamiento, etc.), con su
composición petrográfica, contrariamente a la idea, mantenida muchos años de la
sola influencia química en tales procesos.
El origen de los litotipos, vitreno, dureno, fuseno, clareno se debe a las diferencias
entre las formaciones de carbones estrictamente autóctonos como los brillantes
(vitreno) y aquellas correspondientes a carbones provenientes de transportes y
nuevas sedimentaciones de materiales orgánicos, como es el caso de los
carbones mate (dureno y parte del fuseno).
Los carbones húmicos son los que presenta estratificación, si en ellos faltan los
componentes autóctonos desaparecerán también los mantos brillantes y con ello
la estratificación.
Carbones sin estratificación son de origen mas o menos alóctomos y se les
denomina carbones sopropélicos. Estos se forman en mares y en lugares de
aguas libres en los pantanos de bosques.
45
Los estudios microscópicos de los carbones sopropélicos muestran que contiene
los mismos grupos macérales que los húmicos pero sin los microlitotipos
monomacerales sobre todo la vitrinita ya que los tres grupos están estrechamente
asociados. Ello explica el carácter mate de los carbones sopropélicos.
7.4 LOS MACERALES DEL CARBÓN
Los carbones se forman en su mayor parte de acumulaciones de plantas muertas.
Los tejidos y órganos vegetales poseen diferente resistencia a la descomposición
biológica y química. A causa de las variaciones en las velocidades y las
condiciones de descomposición, se forman en la fase bioquímica de la
carbonización componentes diferentes llamados macérales debido a la
descomposición mecánica y química del material vegetal sedimentado los
macérales son tan pequeños que solo se reconocen al microscopio.
De la cantidad de macérales y sus asociaciones dependen las propiedades físicas,
químicas y tecnológicas de un carbón.
La comisión internacional de petrología del carbón define los macérales como los
componentes orgánicos del carbón más pequeño que se observa con el
microscopio de luz reflejada, los macérales provienen de órganos y tejidos del
material vegetal original y se forman dentro de la primera fase de carbonificación
(fase bioquímica), debido al trabajo mecánico y a la acción química y bacteriana,
es difícil conocer el órgano o tejido del cual provienen.
Los macérales:
a) Cambian al aumentar el grado de carbonificación pero estos cambios no son
iguales en todos.
b) Al contrario de los minerales no están compuestos de una sola sustancia, sino
de una mezcla de combinaciones químicas parecidas.
c) Los macérales pueden ser diferentes en sus comportamientos físicos.
Bajo un microscopio estas capas están compuestas por mezclas de entidades
discretas cada una de las cuales tienen propiedades ópticas distintas.
Estas entidades discretas representan los restos carbonizados de tejidos
vegetales, poseen diferencia con respecto a sus características químicas, que
pueden afectar la utilización del carbón.
46
La petrología del carbón es el estudio del origen la composición y el
comportamiento tecnológico de estos materiales distintos.
La petrografía del carbón es la cuantificación sistemática de sus proporciones y
características.
A los macérales se les hace corresponder en el carbón, fragmentos vegetales
diferentes que han sufrido una lenta y larga transformación; muy diferente a los
minerales de las rocas los cuales tienen una composición química definida,
mientras los macérales
sólo pueden diferenciarse por sus características
petrográficas.
Las plantas están formadas por una serie de elementos independientes que se
agrupan en el listado siguiente, junto con la parte el carbón correspondiente.
Tabla 3. Elementos de las plantas transformados a carbón
Partes de la planta
Algas
Exinas de esporas
Cutículas
Resinas, contenidos celulares
Compuestos úlmicos precipitados
Tejidos leñosos
Tejidos corticales
Tejidos suberosos
Residuos vegetales finamente divididos
Tejidos celulares con estructura clara
Tejidos leñosos con estructura clara
Esclerocios de hongos
Fuente. Manual de Carbones y Coquización
Partes del Carbón
Alginita
Esporinitas
Cutinita
Resinita
Colinita
Xilinita
Periblinita
Telinita
Suberinita
Micrinita
Semifusinita
Fusinita
Esclerotinita
De todos estos, los tejidos celulares y leñosos transformados en fusinita y
semifusinita, son los únicos en los que la estructura no solamente es clara y
distinta, sino que se conserva sin deformación importante.
Las partes el carbón derivadas de las algas, esporas, resinas y cutículas se
conservan sin variaciones grandes, en relación con las partes de las plantas de las
que proceden.
Los compuestos úlmicos, por el contrario, han perdido de tal modo su estructura
que se ignoran los tejidos originales. En algunos casos se pueden ver las
estructuras corticales, celulares o leñosas procedentes de estos tejidos y
47
transformadas en suberinita, xilinita o periblinita. Por sus semejanzas se agrupan
bajo en nombre de telinita.
Teniendo en cuenta, estas consideraciones se ha convenido en denominar
macérales, a estas partes elementales del carbón. A efectos de sencillez, los
macérales se han agrupado según sus propiedades petrográficas (morfografía,
color, poder reflectante, anisotropía, densidad, microdureza y relieve). Esta
agrupación, según la comisión de nomenclatura del comité internacional de
petrografía del carbón, es la siguiente:
Tabla 4. Grupos Macérales
Grupo
Macérales
Colinita
Vitrinita
Telinita
Vitrodetrinita
Cutinita
Resinita
Exinita o Liptinita
Esporinita
Alginita
Liptodetrinita
Esclerotinita
Micrinita
Macrinita
Inertinita
Fusinita
Semifusinita
Inertodetrinita
Fuente. Manual de Carbones y Coquización
Grupo de macérales
Los macérales de un manto de carbón se pueden reunir en tres grupos con base
en diferentes reflecciones y/o composiciones químicas similares. Al aumentar el
grado de carbonificación disminuyen las diferencias químicas y con ellos las
tecnologías entre los tres grupos. El grupo de macérales más importante es el de
vitrinita.
Los macérales de mayor porcentaje de materia volátil y menor poder de reflección
que las vitrinitas, se denominan exinitas.
Los macérales de menor porcentaje de materias volátiles y mayor poder de
reflección que las vitrinitas se denominan inertinitas; para carbones de un mismo
manto.
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Estos grupos de la vitrinita y la inertinita forman generalmente la matriz del carbón,
mientras que los macérales aparecen como inclusiones.
En una hulla los macérales del grupo de la vitrinita contienen más material volátil y
menor porcentaje de carbono que los macérales del grupo de la inertinita.
Los macérales del grupo de la exinita, ricos en resinas y ceras son los
relativamente más altos en hidrógeno y sufren pocas transformaciones en la
primera etapa de la carbonificación.
Las capacidades de reflección de los tres grupos son muy diferentes en los
lignitos. Estas diferencias disminuyen en las hullas y casi desaparecen en las
antracitas.
Entre las capacidades de reflección de un maceral y su porcentaje en materia
volátil o su porcentaje en carbono existe una buena correlación. Los tres grupos
de macérales se diferencian en sus propiedades físicas, químicas y tecnológicas.
a) Vitrinita. Constituida por los tejidos leñosos de los tallos y raíces. Es el
constituyente más abundante e importante del carbón no presenta relieve y
tiene un color que varia entre gris y blanco si se observa en luz reflejada o roja
en luz transmitida; es rica en oxígeno. En comparación con otros grupos la
reflectividad de la vitrinita es intermedia y varia entre 0,7 – 8,0 %.
El grupo de la vitrinita está constituido por los siguientes macérales:
• Colinita: no presenta estructura botánica visible
• Telenitas: si presenta estructura celular
• Vitrodetrinita: microfragmentos de colinita y telinita
b) Exinita. Constituida por la exina de las esporas y el polen, la cutícula de las
hojas, resinas, ceras y algas. Presenta relieve y tiene un color negro - gris
oscuro en luz reflejada y amarilla – naranja en luz transmitida su porcentaje en
los carbones es generalmente bajo. El poder reflectante es mucho menor que
el de la vitrinita, alcanzando valore máximos de 1,5 – 1,69. Es rica en
hidrógeno. Los macérales que constituyen la exinita son los siguientes.
•
Esporinita: derivada de la exina de las micra y mega esporas. Presenta relieve
•
Cutinita: corresponde a la piel cutinizada de las hojas. Presenta formas de hilos
dentados.
49
•
Resinita: derivada de las ceras de las resinas. Se presenta como relleno de
estructura celular o independiente.
•
Alginita: corresponde al conjunto de algas. Se encuentra en colinas de forma
redonda u ovalada.
•
Liptodetrinita: microfragmentos de exinita.
c) Inertinita: se origina sobretodo de tejidos leñosos y escleróticos de los hongos;
presenta relieve; su color va desde gris claro hasta blanco amarillaceo; dureza
y densidad muy altas; ricas en carbono y pobres en nitrógeno. El poder
reflectante es muy alto. Su porcentaje en los carbones varía entre el 5 – 30%.
La inertinita no es reactiva, no funde en los procesos de coquización.
El grupo de la inertinita está constituido por los siguientes macérales:
•
Micrinita: se presenta en forma de pequeños granos claros que se encuentran
dispersos en la vitrinita.
•
Macrinita: no tiene estructura, se presenta como un cemento blanco –
amarillaceo.
•
Fusinita: principal maceral del grupo. Conserva la estructura celular, color
blanco muy brillante. Es el maceral más reflectante y presenta alto relieve.
•
Semifusinita: tiene un poder reflectante menor que la fusinita y una estructura
celular con cavidades menos abiertas y poco definidas.
•
Esclerotinita: son restos de hongos, presenta alta reflectividad, relieve y forma
redonda.
•
Inertodetrinita: Microfragmentos de las paredes celulares de fusinitas y
semifusinitas.
Los macérales se diferencian entre sí particularmente en carbones de bajo rango
por sus cantidades de carbono y materia volátil. Las diferencias químicas de los
macérales son la causa de los distintos comportamientos tecnológicos.
INCLUSIONES MINERALES EN LAS HULLAS
La materia mineral puede hallarse diseminada, en concreciones o en
intercalaciones en el carbón. Se puede presentar como arcillas (kaolinita
50
principalmente), carbonatos (calcita, siderita, entre otros), cuarzo, sulfuros (pirita
generalmente), óxidos (muy común la hematita), fosfatos y otros compuestos.
Al microscopio pueden lucir así:
Arcillas
Carbonatos
Cuarzo
Piritas
Hematita
:
:
:
:
:
Mate, café muy fuerte.
Mate, blanco.
Brillante, a veces translúcido, azul – verde.
Brillante, amarillo intenso.
Mate, rojo
En la sustancia carbonosa existen sustancias minerales, cuyo origen y
depositación veremos, de tamaños variables.
Las mezclas íntimas de minerales y microlitotipos reciben nombres concretos en la
petrografía del carbón, siempre y cuando su densidad no sea superior a 2. Sí
excede de ese valor deberemos suponer en estados fuera de la materia
carbonosa propiamente dicha y las mezclas las consideramos como “estériles”
Carbomineritas.
Son asociaciones de grupos de macérales con materias minerales presentes en el
carbón, o sea con arcillas, carbonatos, cuarzos y piritas, principalmente. Para la
observación al microscopio también se utiliza la placa de Kötter y mínimo 10
cruces de ella deben coincidir con grupos de macérales y mineral. Además, para
poder contar una carbominerita, las materias minerales deben estar presentes
entre un 5% (mínimo) y un 20% (máximo). Los porcentajes se refieren a volumen.
Las carbomineritas son de cinco tipos:
ℵ Carbargilitas. Asociación de arcilla (más del 20% y menos del 60%) con grupos
macérales.
ℵ Carbanqueritas: Asociaciones de carbonatos (más del 20% y menos del 60%)
con grupos macérales.
ℵ Carbosilicitas: Asociaciones de cuarzo (más del 20% y menos del 60%) con
grupos de macérales.
ℵ Carbopiritas: Asociaciones de piritas (más del 5% y menos del 20%) con
grupos de macérales.
51
ℵ Carbopoliminerita: cuando la parte mineral es tan completa que reúne todos los
componentes anteriores en diversas proporciones.
7.5 CARBONES COLOMBIANOS
Están localizados en las tres cordilleras que atraviesan el país en sentido SurNorte.
La cordillera Oriental
posee el
mayor potencial de carbones,
encontrándose variedad de rangos desde bituminosos altos en volátiles hasta
antracitas. Las regiones carboníferas más importantes en Colombia se localizan
en los departamentos de la Guajira (Depósito de El Cerrejón), Cesar (La Loma-La
Jagua), Cundinamarca Boyacá (Checua-Lenguazaque, Paz de Río), Bolívar, (San
Jacinto), Córdoba (Alto San Jorge), Antioquia (Amagá), Norte de Santander
(Catatumbo, Zulia), y Valle del Cauca (Cerro Golondrinas). Ver figura 4
La edad de los carbones colombianos es principalmente cretáceo superior
(Maestrichtiano) y terciario inferior (Paleoceno-Eoceno) (60-100 millones de años).
SUB-ZONA TUNJA – DUITAMA
Entre el puente de Boyacá, al sur y Duitama, al norte, se extiende la subzona de
Tunja, con una extensión aproximada de 660 km2. actualmente el INGEOMINAS
está adelantando la exploración detallada de ésta región.
La estructura general es el sinclinal de Tunja – Paipa, una amplia estructura de
rumbo NE-SW, donde se encuentran las formaciones Guaduas, Bogotá y Tilata,
enmarcadas por la Formación Guadalupe.
En cuanto a los carbones, la información disponible actualmente es muy escasa.
Aparentemente el número y espesor de los mantos disminuye de norte a sur, de
un máximo de seis mantos explotables, con un espesor total acumulado de 6.00 m
en el sector de Trinidad (al occidente de Paipa) a 5.36 m en el sector de Piamonte.
El Salitre (al sur y oriente de Paipa), hasta 4.20 m en el sector de Chivatá (al
noroccidente de Tunja).
SUB ZONA DE SOGAMOSO – JERICÓ
Esta sub-zona es tectónicamente muy compleja, como puede observarse por el
simple examen de las planchas geológicas Nos. 172 y 192 a escala 1:100.000 que
está elaborando INGEOMINAS (Refs, 55 y 56).
Los únicos trabajos de
exploración detallada se refieren a las áreas relativamente muy limitadas que
Acerías Paz del Río ha estudiado para abrir y desarrollar sus minas de carbón.
52
Figura 4.
53
8. ANÁLISIS DE MUESTRAS
Las muestras de Lignito objeto del proyecto fueron tomadas del frente de
explotación de la mina don Eliseo, ubicada en la vereda Cruz de Murcia del
municipio de Paipa.
El área de la mina de carbón pertenece a la Formación Tilatá cuya secuencia
estratigráfica está representada por limos arcillosos, arcillas limosas, gravas y
arenas con esporádicas capas de lignito y carbón. El espesor de este manto de
lignito varía entre cinco y seis metros.
8.1 CARACTERIZACIÓN DE CARBONES
Las muestras recolectadas en tres de los frentes de explotación de las minas
presentes en el sector de Cruz de Murcia, se llevaron a los Laboratorios de
Carbones y petrografía del IRME (Instituto de Recursos Mineros y Energéticos) de
la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia – Sogamoso, para la
realización de los respectivos análisis
petrográficos y caracterización de
carbones.
Foto 5. Frente de Explotación de lignitos
Fuente. Autor
54
Las muestras recolectadas se referenciaron de la siguiente manera:
Muestra 1: Frente de explotación Mina Eliseo
Muestra 2: Material Carbonoso del frente de explotación, mina Eliseo
Muestra 3: Mina Eliseo, manto superior
Muestra 4: Mina Don Fidel, Frente de Explotación
Muestra 5: Mina Don Efraín. Patio de almacenamiento
Foto 6. Muestra Macroscópica, Material carbonoso, Mina Eliseo
Fuente. Autor
Los resultados de los análisis obtenidos de las muestras, para su respectiva
caracterización de carbones, se relacionan en la siguiente tabla:
Tabla 5. Resultado de Análisis Inmediatos
MUESTRA
HUMEDAD
RESIDUAL %
M1- Mina
Eliseo
M2 – Fren.
Expl. Min
Eliceo
M3- Mant.
Sup. Min. Elicit
M4 – Fren.
Expl. Min. Don
Fidel
M5 – Pat. Alm.
Min. Don
Efraín
CENIZAS
%
MATERIA
VOLATIL
%
PODER
CALORÍFICO
C/gr
CARBONO
FIJO %
12.00
8.63
46.90
5350
32.47
1.79
12.83
12.97
47.09
5195
27.11
NO SE
REALIZO
8.65
28.30
38.58
4470
24.47
NO SE
REALIZO
5.21
9.16
60.22
7178
25.41
NO SE
REALIZO
12.02
5.41
47.81
6355
34.76
NO SE
REALIZO
Fuente. Autor.
55
AZUFRE
%
En el Anexo No 1 se muestra una copia del resultado de los análisis de la
respectiva caracterización, certificada por el IRME – UPTC Sogamoso.
Teniendo en cuenta que un carbón térmico corriente presenta las características
que se relacionan en la Tabla No. 6, las muestras 1,2 y 3 presentan un bajo poder
calorífico, alto contenido de material volátil y un alto contenido de humedad, las
muestras analizadas tienen características similares a la de los Lignitos Oxidados
(Leonarditas), tomados como referencia para este estudio.
Tabla 6. Características de un carbón térmico
MUESTRA
HUMEDAD
RESIDUAL
%
CENIZAS %
1.5
10.0
Carbón
Térmico
MATERIA
VOLATIL
%
39.0
PODER
CALORÍFICO
C/gr
CARBONO
FIJO %
AZUFRE %
7000
50.0
≤ 1.79
Fuente. Autor
8.2 ANÁLISIS PETROGRÁFICO
El resultado de los análisis petrográficos, realizados en el laboratorio de
petrografía de la U.P.T.C. Sogamoso, a las muestras de lignito del sector Cruz de
Murcia dio los siguientes resultados:
VITRINITA
68.8 %
SEMIFUSINITA
2.0 %
LIPTINITA
20.0 %
MATERIA MINERAL 9.2 %
---------100.0 %
La muestra presenta fracturamiento por la perdida de humedad, se evidencia un
alto contenido de Sulfuro de Hierro (Pirita) en avanzado proceso de lexiviación.
Los resultados se presentan en el anexo 2.
De igual forma presenta los siguientes componentes:
Vitrinita. Constituida por los tejidos leñosos de los tallos y raíces. Tiene un color
que varia entre gris y blanco. Es el constituyente más abundante e importante del
carbón.
Inertinita: se origina sobretodo de tejidos leñosos y escleróticos de los hongos; su
color va desde gris claro hasta blanco amarillaceo; ricas en carbono y pobres en
nitrógeno. La inertinita no es reactiva, no funde en los procesos de coquización. El
grupo de la Vitrinita y la Inertinita forman generalmente la matriz del carbón.
56
Exinita. Constituida por la exina de las esporas y el polen, la cutícula de las hojas,
resinas, ceras y algas. Presenta relieve y tiene un color negro - gris oscuro por que
sufre poca transformación en la primera etapa de carbonificación. Ver Foto.9
Debido a que el porcentaje de vitrinita es alto y que es la que da el poder calorífico
del carbón, se puede determinar que corresponde a un Lignito de alto poder
calorífico, pero por su alto grado de alteración su poder calorífico es bajo, como
dieron los resultados de los análisis inmediatos de las muestras.
Foto 7. Microfotografía M1. Frente de explotación
Fuente. Autor
Foto 8. Muestra macroscópica M1. Frente de explotación
Fuente. Autor
57
Foto 9. Microfotografía M2, Material con Alto grado de oxidación
Fuente. Autor
Foto 10. Microfotografía M2. Presencia de Pirita y materia orgánica
Fuente. Autor
58
8.3 ANÁLISIS AGROLÓGICO
La muestra para realizarle el análisis químico, se tomo del frente de explotación y
se llevo para su respectivo análisis al Laboratorio AGRILAB, en la ciudad de
Bogotá, donde se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 7. Análisis Químicos
RESULTADOS ANALÍTICOS
Humedad ( % )
Cenizas ( % )
Perdidas por volatilización ( % )
Carbono Orgánico Oxidable ( % )
CARACTERIZACIÓN FRACCIÓN ORGÁNICA
%
27.8
6.22
66.0
29.0
Análisis realizados sobre 15 gr. De producto disuelto en 100 ml de KOH 4%
ELEMENTO
Sólidos insolubles en KOH 4 %
Sólidos solubles en KOH 4 %
CARACTERIZACIÓN FRACCIÓN SOLUBLE KOH 4%
Sólidos precipitados a PH ácido (PH 2.0)
Sólidos Solubles a PH ácido (PH 2.0)
Carbono Orgánico Oxidable Soluble en KOH 4%
Carbono Orgánico Oxidable Precipitado a PH ácido(PH
2.0)
Carbono Orgánico Oxidable Soluble a PH ácido
(PH2.0)
Fuente. Autor
51.4
20.8
14.9
5.92
14.2
9.96
4.19
Estos resultados se presentan en el anexo 3
8.4 ANÁLISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS
Según los resultados de los análisis químicos suministrados por el Laboratorio
AGRILAB, los altos contenidos de humedad y perdidas por volatilización,
determinan un carbón de bajo rango (27.8% - 66.0 %), al igual que los análisis
inmediatos realizados para determinar el poder calorífico de la muestra (12.0% 46.9%), que determina un Lignito de bajo poder calorífico. La diferencia en el
porcentaje de humedad se debe a que en el análisis químico, la muestra se
analiza con la humedad total (Inherente más Superficial), de la misma forma
disminuye el porcentaje de cenizas.
El valor del contenido de carbono orgánico es semejante (29.0% - 32.47%).
59
El valor del carbono soluble en KOH del 14.2%, para mi concepto corresponde al
valor de contenido en porcentaje de ácidos Húmicos y Fúlvicos expresados en la
tabla 10 cuyo valor esta entre el 10 y el 30%
De acuerdo a lo descrito sobre la obtención de ácidos Húmicos a partir de los
Lignitos Oxidados por el método de tratamiento alcalino, las muestras analizadas
contienen un porcentaje de enmiendas húmicas que se pueden extraer de estos
carbones de bajo rango.
Tabla 8. Análisis Comparativo de Resultados
CARÁCTER.
HUMEDAD
CENIZAS
RESIDUAL
%
%
LAB. AGRILAB
27.8
LAB. IRME
U.P.T.C.
TABLA DE
CONSULTA
LABORAT.
MATERIAL
VOLATIL %
PODER
CALORÍFICO
CARBONO
FIJO
CARBONON
SOLUBLE
KOH %
6.22
66.0
-
29.0
14.2
12.0
8.63
46.9
5300
32.47
-
-
-
-
-
73.8
10 al 30
Fuente. Autor
El alto porcentaje de humedad se debe a la alta porosidad que presentan los
Lignitos o carbones de bajo rango. A las muestras analizadas se les realizó
pruebas de deshidratación las cuales se contraen presentado fracturas, su
densidad disminuye, pero al someterlas nuevamente al contacto con el agua
absorben parte de la humedad perdida, este fenómeno es denominado como
Histéresis de humedad del carbón.
60
9. APLICACIONES MEDIOAMBIENTALES
9.1 HUMUS COMERCIAL COMO MEJORADOR DE SUELOS
A través del tiempo productos derivados de los lignitos están siendo
comercializados para usarlo como mejorador de suelos orgánicos. En algunos
casos son elaborados para mejorar las propiedades físicas, químicas y biológicas
de los suelos. El enfoque principal de la aplicación de este material se refiere a la
comparación del valor potencial de productos parecidos usados normalmente en
suelos agrícolas. La conclusión es no emplear humus comerciales como
mejorador de suelos o ciertos problemas de suelos parecidos a las arenas.
La Leonardita, se trata de un material intermedio entre la turba y el lignito, muy rico
en materia orgánica, originado por procesos de diagénesis de restos vegetales, a
una profundidad máxima de unos 10 m. Un proceso de activación química extrae
los ácidos húmicos y fúlvicos, separándolos de otros componentes no solubles,
como arcillas y huminas. Esta activación permite extraer toda la capacidad
nutriente de la Leonardita en un corto periodo de tiempo, acelerando un proceso
que, de forma natural, tardaría varios meses.
La turba, de un grado de humedad del 65 %, se emplea para sustrato vegetal en
jardinería, viveros y restauraciones paisajísticas; consumiéndose el 92 % en el
mercado nacional y el resto se exporta a Francia y Portugal.
9.2 ORIGEN Y NATURALEZA DE HUMUS COMERCIALES
Los humus comerciales son definidos como lignitos oxidados o productos
derivados de estos. Los lignitos oxidados son terrenos pardos, es un carbón
parecido a sustancias asociadas con afloramientos de lignito. El material
típicamente se presenta en profundidades poco profundas y corresponde a un
tipo de carbón blando.
La única característica de los lignitos oxidados es usualmente su alto contenido de
ácidos húmicos, en el orden de 30 al 60% como material de mina.
Extensos depósitos de lignitos oxidados se encuentran en el Norte de Dakota
Texas, Nuevo México, Idano y otras partes. EL depósito del Norte de Dakota es
llamado como Leonardita tiene cerca de 1.8 mts de espesor y esta 2.4 a 10.7 mts
bajo la superficie del suelo.
61
Los lignitos oxidados no son considerados como combustible por su bajo poder
calorífico. Aunque normalmente son rehusados en la minería, estos pueden ser
utilizados en la industria, semejante como un control de viscosidad de las
perforaciones de pozos de petróleo. La posibilidad de ser usados como carbones
húmicos como aditivos al suelo data desde hace cuatro décadas.
Si el proceso de transformación del material orgánico se sucede bajo agua
permanentemente o la mayoría del tiempo, se produce lo que se conoce como
TURBAS y son otro tipo de materiales que se usan actualmente como
mejoradores de suelos.
Los dos tipos de materiales tienen su origen en los residuos vegetales y animales
que caen al suelo, pero a diferencia del humus del suelo en ellos el proceso de
transformación es de carácter anaeróbico. Es así como ellos pueden considerarse
como un estado avanzado de transformación del humus del suelo hacia formas
fósiles, es decir, que su estructura es más compleja, hecho que se refleja en el
mayor contenido de carbono, incremento en el estado de oxidación así como
pérdida de carbohidratos, proteínas y otros compuestos bioquímicos.
En general, la materia orgánica del suelo esta formada por una amplia gama de
sustancias en diferente grado de complejidad y todas de alguna manera
representan un beneficio para el suelo. De igual manera los productos orgánicos
agregados también ofrecen aportes importantes que son necesarios conocer y
evaluar.
El conocimiento de este componente orgánico hace imperiosa la necesidad de
conservarlo y/o restituirlo afortunadamente el mundo y en Colombia, hoy existe
una conciencia clara sobre este aspecto, razón por la cual hay en el mercado un
sin número de productos que ofrecen mejorar, restituir o energizar dicho
componente del suelo. En España y en general en Europa ya existen normas que
clasifican y regulan la composición de dichos productos. En Colombia hasta
ahora se realiza un intento por clasificarlos y caracterizarlos acorde con la amplia
gama que de ellos existen el mercado.
9.3 SUSTANCIAS HÚMICAS PROCEDENTES DE CARBONES
Los estudios sobre las sustancias húmicas se han centrado primordialmente en su
extracción a partir de distintos tipos de suelos. Sin embargo desde hace ya
bastante tiempo ha empezado a tener trascendencia el estudio de las sustancias
húmicas procedentes de distintos tipos de carbones.
62
Los carbones poco evolucionados como las turbas y lignitos tienen elevados
contenidos en sustancias húmicas, que pueden extraerse según el método
tradicional de tratamiento alcalino.
Los ácidos húmicos extraídos de lignitos son similares a los obtenidos del suelo
en su comportamiento, pero se diferencian por un mayor grado de polimerización y
aromatización. Este proceso es más pronunciado conforme aumenta el grado de
carbonificación del lignito.
La estructura molecular de estas sustancias húmicas se estudió inicialmente
mediante espectroscopia infrarroja. Pero debido a la fuerte absorción que
presentan los carbones, al detector llega una señal muy débil produciendo un
espectro muy pobre y una superposición de las bandas de absorción, por lo que
se producen bandas amplias sin estructura fina. En la actualidad se recurre a la
espectrofotometría infrarroja no dispersiva con transformada de Fourier.
Se observan diversos tipos de hidroxilos, libres, asociados intermolecularmente,
carboxilos, grupos CH3 y CH2,enlaces C-O de alcoholes y fenoles, hidrógenos
aromáticos de bencenos poli sustituidos, etc .Es posible detectar un mayor grado
de polimerización y de aromatización conforme avanza el proceso de humificación
al observarse una disminución del contenido en hidrógeno alifático y una
disminución de los hidroxilos alcohólicos. En los carbones menos evolucionados
como las turbas, es posible detectar éteres arílicos característicos del grupo OCH3 de la lignina, así como estructuras peptídicas, mientras que en los más
evolucionados se observa una mayor conjugación y aromaticidad.
Se sabe que en el proceso de carbonificación, aumenta el porcentaje de carbono,
aumenta el grado de condensación y aromaticidad así como disminuye el
contenido en grupos carboxilo, aumenta del porcentaje de huminas reduciéndose
el contenido en ácidos húmicos que se van transformando en aquellas mediante
reacciones de condensación y aumenta el grado de sustitución del oxígeno de los
anillos aromáticos. En las huminas van aumentando los grupos carboxilo, de tal
modo que su insolubilidad en medio alcalino, si se desmineraliza previamente,
conduce a pensar que se debe a dicha condensación. Por todo ello aunque se
sabe que el proceso de carbonificación evoluciona en el mismo sentido que la
humificación, hay que tener en cuenta que una excesiva carbonificación en lignitos
de estratos profundos puede conducir a una disminución de los ácidos húmicos
con incremento de las huminas .Es por ello que algunos lignitos son más ricos en
ácidos húmicos que otros, y en la actualidad se sabe que un tipo de lignito
pentaoxidado conocido como Leonardita es el material de origen más idóneo por
su naturaleza de elevada humificación pero no excesiva carbonización. También
dependiendo de los materiales vegetales de partida y de su enterramiento y
evolución, pueden diferenciarse distintos tipos de Leonardita de distintas
eficiencias en la extracción de sustancias húmicas mediante tratamientos
alcalinos.
63
Se ha estudiado así mismo la fracción mineral que se encuentra ligada a las
sustancias húmicas en distintos tipos de carbones, habiéndose determinado
metahalloysita, cuarzo, yeso, illita y algo de calcita y clorita, mediante estudios de
espectroscopia infrarroja y difracción de rayos X. Se sabe que se producen
interferencias al bloquear sitios de intercambio iónico bloqueados por la materia
mineral y que la extracción alcalina concentra la materia mineral en las huminas.
Por ello es interesante una desmineralización previa de los carbones antes de
proceder a la extracción alcalina de las sustancias húmicas. En la actualidad la
desmineralización se está realizando con un tratamiento de ácido clorhídrico
seguido de ácido fluorhídrico.
Se ha establecido el interés de la relación de densidad óptica 1720 cm-1/1220 cm1 (COOH/C-O-H) como índice del contenido en grupos carboxilo y de la acidez de
intercambio. Y como grado inverso de condensación aromática la relación de
densidad óptica a 465 y 665 nm, E4/E6 de modo, conforme aumenta la
humificación del carbón estudiado, disminuye la relación E4/E6 .Esta relación
también se ha considerado como un indicador del tamaño molecular para ácidos
húmicos del mismo origen como grado inverso de aromatización, la relación de
densidad óptica 2920 cm-1/1610 cm1 (alifático/aromático).
Hay que mencionar que además del sistema tradicional de extracción de las
sustancias húmicas por tratamiento alcalino, se están empleando en la actualidad
otros métodos como la oxidación por aire alcalino, oxidación por aire seco, etc.
obteniendo así mismo un incremento de los grupos carboxílicos y una disminución
de los grupos fenólicos conforme progresa la oxidación controlada, siendo más
eficiente a mayor temperatura y mayor tiempo de oxidación, incrementando el
contenido en ácidos húmicos. El método de extracción de las sustancias húmicas
influye sobre su composición y estructura, contenido en metales, etc.
9.4 ENMIENDAS HÚMICAS
Las sustancias húmicas no se fabrican sino que se forman de modo natural a
partir de la materia orgánica. Dentro de la materia orgánica de tipo sedimentario
son de especial interés las Turbas, Lignitos y Leonarditas, ligados al proceso de
formación del carbón.
El carbón consiste en distintos tipos de humus en un estado de descomposición
avanzado, que se formaron durante épocas prehistóricas. Los distintos tipos de
carbón que existen se han formado en distintas fases de evolución
(carbonización).
64
La primera fase de la evolución de la materia orgánica vegetal es la turba que se
deposita en turberas. Posteriormente la transformación de estos restos vegetales
puede continuar hasta formar, en lo que sería la segunda fase evolutiva, el lignito.
La tercera fase es el carbón blando o carbón bituminoso y la cuarta fase evolutiva
resulta en la formación del carbón duro (antracita). En el proceso de
carbonificación se forman las sustancias húmicas, razón por la que en agricultura
se utilizan como enmiendas de materia orgánica.
9.5 LOS ÁCIDOS HUMICOS Y SU ORIGEN
Las sustancias húmicas son formadas a través de la humificación química y
biológica de plantas y animales y a través de la actividad biológica de
microorganismos.
La parte principal de las sustancias húmicas naturales son los ácidos húmicos y
ácidos fúlvicos. Los ácidos húmicos son un excelente natural y orgánico para
suministrar a las plantas y el suelo una concentración dosificada de nutrientes
esenciales, vitaminas y una pequeña cantidad de elementos. Estos son un
complejo de moléculas que existe naturalmente en el suelo, turbas, océanos y
aguas dulces.
La principal fuente de ácidos húmicos son las capas sedimentarias de carbones
pardos blandos, que son conocidos como Leonarditas. Los ácidos húmicos son
encontrados en alta concentración en estos carbones.
La Leonardita es materia orgánica, que no está en grandes extensiones de carbón
y se diferencia del carbón pardo blando por su alto grado de oxidación, como
resultado de los procesos de formación de carbón (pantano Æ turbo Æ carbón) y
alto contenido de ácidos húmicos y varios grupos carboxilos.
Tabla 9. Grupos carboxílicos de Lignitos
C
COOH
4.3
0.5
GRUPS.
TOTAL
INACTIVOS
1.1
19.9
4.2
0.5
1.5
OH
Carbón
73.8
9.2
4.8
pardo
Leonardita 63.9
17.4
4.8
Fuente. www.humintech.com/industry
CO
65
OCH3
28.4
Comparado con otros productos orgánicos. La Leonardita es un muy rico en
ácidos húmicos. La Leonardita es el final del proceso de humificación durante 70
millones de años, el periodo de formación de la turba dura solamente pocos miles
de años.
La diferencia entre la Leonardita y otro origen de ácidos húmicos es que la
Leonardita es extremadamente bioactiva a través de su estructura molecular. Esta
actividad biológica es más o menos cinco veces más fuerte que otra materia
orgánica originada de ácidos húmicos, un kilogramo de Leonardita corresponde
más o menos a 5 kilogramos de otra de origen orgánico de ácidos húmicos.
En términos de contenido de ácidos húmicos, un litro de humos (Líquido
concentrado) es equivalente a 7.8 toneladas de abono orgánico, similarmente un
kilogramo de humos en polvos (polvo concentrado), es equivalente a 30 toneladas
de abono.
Tabla 10 Contenido de Ácidos Húmicos de la Materia Orgánica
ORIGEN NATURAL
Leonardita
Turba negra
Turba
Carbón pardo
Estiércol
Compost
Suelo
Lodo
Carbón duro
Fuente. www.humintech.com/industry
CONTENIDO DE ÁCIDOS HÚMICOS Y
FÚLVICOS EN % (FROM - TO)
40 – 85
10 – 40
10 – 20
10 – 30
5 – 15
2–5
1–5
1–5
0–1
La Leonardita no es un fertilizante. Esta actúa como un acondicionador para el
suelo y es un biocatalizador y bioestimulante para las plantas. Comparado con
otros productos orgánicos. La Leonardita particularmente no ayuda al crecimiento
de las plantas ni a la fertilidad del suelo.
9.6 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Los ácidos húmicos y sus derivados pueden ser usados para remover metales
tóxicos y sus iones de aguas residuales los ácidos húmicos pueden ser aplicados
como un accesorio disuelto en cajas de ventilación, para ayudar a remover
pequeñas cantidades de grasa, aceite, líquidos orgánicos y materia en
suspensión. Estos pueden ser usados como aditivos fluidos en ciertos tipos de
66
líquidos orgánicos para prevenir la filtración en lagunas de oxidación o trampas de
áreas contaminadas.
Los ácidos húmicos son más usados efectivamente en la etapa posterior para
tratamiento químico del agua. Un tratamiento químico para la precipitación de
metales por hidróxido de calcio o hidróxido de sodio. La adición de ácidos
húmicos mejora el proceso y baja la concentración de iones del límite permisible.
También es posible usar los ácidos húmicos para remover metales tóxicos del
agua. La concentración residual de metales tóxicos en aguas residuales después
del tratamiento es semejante a un tratamiento como de 0.03 mg/L. el efecto
puede ser observado en la remoción de plomo (Pb), Mercurio (Hg), Cadmio (Cd),
Cobre (Cu), Zinc (Zn), Nikel (Ni) y Cromo (Cr); los ácidos húmicos también
remueven aluminio de aguas residuales con gran éxito.
Los ácidos húmicos son obtenidos de lignitos altamente oxidados. El producto es
un compuesto de alto peso molecular, que puede coagularse a través de
neutralización y cationes polivalentes.
En el tratamiento de aguas residuales, el proceso está basado en la inyección de
ácidos húmicos en solución en el cauce de agua. Estos ácidos húmicos forman
una pared reactiva de sustancias nocivas en el lodo, que luego es retirado.
Requiere baja inversión y poco mantenimiento, éste método resulta ser efectivo
seguro y amigable ambientalmente.
9.7 CEMENTOS Y CONCRETOS
Los ácidos húmicos pueden ser usados como líquido en el concreto, estos no
solamente reduce la composición del concreto, sino también mejora las
propiedades fisicoquímicas. Estos ácidos también tienen un poder especial como
aditivo para controlar la densidad (color claro, liviano) en el cemento o concreto.
Los ácidos húmicos mejoran la durabilidad del cemento o incrementa la estabilidad
agregándolo al cemento sobrante. Los ácidos húmicos ayudan a disminuir la
superficie de tensión del agua, resultando una mejor utilización de las partículas
sólidas del concreto. La fricción entre las partículas sólidas es reducida,
resultando mejor calidad y resistividad del concreto.
Los ácidos húmicos no reaccionan con el cemento, se han hecho algunas pruebas
para aplicarlo como acelerante o retardante.
67
68
CONCLUSIONES
De acuerdo a los resultados de los análisis de laboratorio obtenidos, tanto los
análisis inmediatos, los análisis petrográficos y químicos, nos determinan un
carbón de bajo rango con un alto grado de oxidación.
Por su alto contenido de Vitrinita e Inertinita se determina que es un Lignito de
bajo rango, que por su alto grado de alteración tiene un bajo poder calorífico.
Dados los parámetros internacionales para el contenido de ácidos húmicos de la
Leonardita, el porcentaje obtenido de las muestras analizadas son muy bajos, lo
que nos determina un material con bajo contenido de ácidos húmicos que no
corresponde a las características de la Leonardita.
Debido a que el carbón es un material altamente poroso y que la porosidad
depende del rango, esta es una de las principales propiedades físicas del carbón,
las muestras analizadas tienen densidad baja y una porosidad alta, este carbón
cuando ha perdido la humedad se contrae y su porosidad se reduce pero cuando
nuevamente se humedece recobra nuevamente parte de su porosidad.
De acuerdo a las características que presentan las muestras analizadas, estas
podrían ser utilizadas como mejorador de suelos ya que mejoraría la aireación
facilitando la descomposición de la materia orgánica.
Por el alto contenido de humedad y que la recupera fácilmente cuando se ha
deshidratado completamente, se podría utilizar en la descontaminación de aguas
residuales.
69
BIBLIOGRAFÍA
URIBE Bustamante, Carlos Alberto. Introducción a la tecnología del carbón.
Origen, composición, propiedades, clasificación. INGEOMINAS. Bogotá
Septiembre 1986
Publicaciones Geológicas especiales de Ingeominas. Boletín No 6, 1981
BAEZ, Ignacio. Manual de Carbones y coquización. U.P.T.C. Sogamoso
BENDECK Lugo, Myriam. Origen y formación del humos.
www. humintech.com/index034.html/. Humintech/Environment. Martina Ruthnick.
www. Humintech.com/001/industry/infomation/general.html/. Object of Environment
Karl. Heinz, Vinzenz.
www. Agrimartin.com/tecnico.html. Agrimartin Fertilizantes – Temas Técnicos.
www. Terralia.com/revista9/pagina19.html
www. Monografías. com/trabajos16/carbón/carbón.html.
htlm.rincondelvabago.com/carbon. Carbón – Petróleo
70
ANEXOS
71
ANEXO 1
72
ANEXO 2
73
ANEXO 3
74
UNIVERSIDAD DE LA SABANA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESPECIALIZACION EN INGENIERIA AMBIENTAL
GRUPO DE INVESTIGACION PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA
IDENTIFICACIÓN DE LAS POSIBLES FUENTES DE LIGNITOS OXIDADOS
PRESENTES EN EL SECTOR CRUZ DE MURCIA. MUNICIPIO DE PAIPA Y SUS
POSIBLES APLICACIONES MEDIO AMBIENTALES
JOSÉ MARIO RODRÍGUEZ HERNÁNDEZ
ABRIL DE 2005
CHÍA – CUNDINAMARCA
IDENTIFICACIÓN DE LAS POSIBLES FUENTES DE LIGNITOS OXIDADOS
PRESENTES EN EL SECTOR CRUZ DE MURCIA. MUNICIPIO DE PAIPA Y SUS
POSIBLES APLICACIONES MEDIO AMBIENTALES
OBJETIVO GENERAL
Realizar la identificación de los Lignitos Oxidados de bajo poder calorífico presentes en la formación
geológica del sector Cruz de Murcia del municipio de Paipa, mediante una caracterización de carbones.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Recopilar la información general existente sobre origen, clasificación y existencia de los carbones en
Colombia.
Realizar una caracterización de carbones para determinar si pertenecen a los Lignitos Oxidados objeto de
este estudio
Realizar un análisis de laboratorio para determinar el contenido de ácidos humicos de estos carbones.
Definir algunas aplicaciones Medioambientales de estos Lignitos Oxidados.
1
JUSTIFICACIÓN
La corroboración de la existencia de los Lignitos Oxidados o no, en el
sector Cruz de Murcia, se determinara mediante diferentes análisis de
laboratorio, estos resultados nos dirán el poder calorífico para determinar
el rango o tipo de carbón, así como el porcentaje de Carbono orgánico o
ácidos húmicos que contienen estos carbones y de esta manera poder
determinar su posible aplicación medioambiental.
LOCALIZACIÒN
2
GEOLOGÍA LOCAL
Terciario. La formación Tilatá (Tst), conforma los estratos más superiores que se han
formado en la zona. En la vereda Cruz de Murcia al suroeste del lago Sochagota aflora un
conjunto formado por capas de gravas, arcillas, arenas y esporádicas capas de lignito y
carbón
ESTRATIGRAFÍA.
En el área de la mina de carbón se identifica claramente la Formación Tilatá cuya
secuencia estratigráfica está representada por limos arcillosos, arcillas limosas, gravas y
arenas con esporádicas capas de lignito y carbón.
3
ANÁLISIS DE LA ROCA ENCAJANTE
Microscópicamente el respaldo superior corresponde a una arcillolita compacta, presenta un color
gris claro a oscuro con trazas de carbón, el contacto roca – mineral muestra sustancias o mineral
sulfatado de hábito acicular color blanco, soluble en agua
La roca del piso es una arcillolita de color gris con granos de cuarzo subredondeados a
subangulares, presente fragmentos de carbón debido muy probablemente al proceso sedimentario
CARBON
“Es una roca sólida, parda o negra, combustible, de origen sedimentario,
conteniendo más del 50% en peso de material carbonáceo, y cantidades
menores de materia mineral formada por la descomposición parcial de
materia vegetal sin acceso libre de aire, en ambiente saturado de agua
compactada bajo la influencia de temperatura y presión en el tiempo
geológico”.
ORIGEN
Es una roca cuyo origen proviene de la acumulación y alteración físicoquímica de materia vegetal. Las acumulaciones originales de la vegetación
(primordialmente plantas leñosas) dan por resultado la formación de
turba, sustancia precursora del carbón. La turba se convierte en carbón
después de quedar sepultada y con un incremento de presión y
temperatura.
COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL CARBÓN
CO2 + H2O + Energía Solar ⇒ O2 + (CHO) Celulosa, Ligninas
Grasas Ceras
Resinas y otros.
4
FACTORES Y CONDICIONES NECESARIOS PARA LA FORMACIÓN DE
CARBÓN
Los siguientes son los factores y condiciones que contribuyen en la formación del
carbón:
•
Ambiente de pantano y clima favorable para el de la flora (crecimiento de plantas).
•
Subsidencia del área durante la acumulación y compactación de los restos de materia
vegetal, permitiendo acumulación posterior.
•
Condiciones de humedad suficientes para impedir la oxidación del material vegetal
antes de su descomposición junto con una suficiente y rápida acumulación de la
materia orgánica para impedir la acción bacterial.
•
Proximidad al mar o cuenca de sedimentación para que la materia vegetal sea cubierta
por sedimentos cuando el nivel del mar se eleve o el área se hunda lentamente.
•
Sitio de acumulación protegido del efecto de los agentes erosivos.
4. PROPIEDADES DEL CARBÓN
El carbón se evalúa de acuerdo con ciertas propiedades. Las más importantes son
• Poder calorífico
• Humedad
• Cenizas
• Azufre
• Tamaño
• Características de coquización
•Porosidad.
• Punto De Ignición
• Friabilidad
•Dureza
5
PROCESO DE CARBONIFICACIÓN
La carbonificación se refiere a la transformación progresiva de la turba en lignina, carbón subbituminoso, carbón bituminoso, semiantracita, antracita y meta-antracita. El grado de
transformación del carbón en esta serie se refiere al RANGO DEL CARBON.
Aeróbico
Carbohidratos:
Proteínas:
Lignina:
Ceniza:
MINERALIZACIÓN
A:
CO2, H2O, NH3
20-55%
0.2 – 18%
10-35%
∼ 10%
Aeróbico
Anaeróbico
Anaeróbico
CO2
Tiempo
Microorganismos
Carbohidratos, proteínas,
lignina
Productos de descomposición
Sustancia húmica (ácidos
húmicos)
Humificación
Tiempo
H2O
Formación de
Turba
Temperatura
presión
Formación de Carbón
pardo
Cambio incremental de: lignina, productos
intermedios, ácidos húmicos.
En dirección a:
Disminución de O, H, N
Incremento de C, y aromaticidad
Formación de carbón
bituminoso
TIPO Y RANGO DE UN CARBÓN
EL TIPO. Significa la distinción que se hace con respecto a la naturaleza de los fragmentos
vegetales que lo originaron y a las condiciones del depósito.
EL RANGO. Tiene relación con el grado de evolución alcanzado por un carbón desde el
momento en que depositamos los fragmentos vegetales hasta el momento actual. Se ha
considerado que existe una serie continua de rango que va desde la turba, pasando por los
lignitos y las hullas y finalizando con las antracitas.
VARIEDADES DE CARBÓN
TURBA. La turba es una acumulación de materia vegetal que ha sufrido grados
variables de desintegración y descomposición, contiene un alto porcentaje de oxígeno y
agua.
6
VARIEDADES DE CARBÓN
LIGNITO. El lignito se diferencia de la turba en que no puede ser cortado como esta,
tiene un menor contenido de humedad, un mayor contenido de carbono (generalmente
60%= y no se le observa celulosa libre.
Los lignitos tienen una composición en materiales volátiles superior al 45%, un alto
contenido en agua, del 20 al 40%, y un bajo poder calorífico. Debido al efecto de la
presión por progresivo enterramiento, y las condiciones reductoras en profundidad, el
esqueleto molecular de los lignitos se ha comprimido, formándose cadenas cerradas, con
pérdida de oxígeno e hidrógeno.
En función de la intensidad del proceso de carbonización que hayan sufrido,
diferenciamos los lignitos pardos, más similares a la hulla, y los lignitos turbosos, con un
menor grado de carbonización, en los que se pueden llegar a reconocer estructuras
vegetales originales. La mayoría se relaciona con la orogénesis alpina y datan de
mediados de la era secundaria o principios de la terciaria.
El lignito se forma a partir de turba, durante la etapa de carbonización propiamente
dicha, en condiciones anaerobias y ácidas. La turba inicial mantiene un alto porcentaje
en agua cuando es sepultada, generalmente por sedimentos aluviales, y si la roca madre
es permeable, acaba transformándose en lignito, con pérdida de oxigeno, anhídrido
carbónico y agua.
VARIEDADES DE CARBÓN
Lignito Oxidado
Frente de Explotación de Lignitos
CARBON BITUMINOSO: Su denominación se debe a que los productos liberados
durante su destilación se refieren como BITUMEN. El carbón bituminoso es en general
laminado, y sus capas varían apreciablemente en el lustre.
Se diferencian por su contenido de materia volátil o de carbono fijo, algunos de ellos
tienen propiedades aglomerantes durante la carbonización.
7
VARIEDADES DE CARBON
CARBON CANNEL: Este término tiene su origen en la palabra “cannel” ( LLAMA) debido
a la propiedad de encenderse fácilmente, con una llama brillante, viva, debido al alto
porcentaje de constituyentes volátiles. El carbón cannel pertenece al grupo de carbones
denominados SAPROPELICOS, Consiste principalmente de esporas, formas menores de
plantas acuáticas y pequeñas partículas de vegetación. Tiene fractura concoidea y es de color
negro o pardo oscuro.
SEMIANTRACITA: Este término se refiere al carbón entre bituminoso bajo – volátil y
antracita. De ésta última se diferencia en que su fractura concoidea no está tan bien
desarrollada, su encendido en el fuego es más fácil debido a su mayor contenido de materia
volátil y emite una pequeña llama amarilla cuando se enciende.
ANTRACITA Tiene un color negro, y lustre mate a brillante y aún semimetálico. Se
enciende con una llama azul pálida, de casi imperceptible olor y no coquiza. Comúnmente
rompe con fractura concoidea. La antracita posee la mayor dureza de los carbones
COMPONENTES INORGÁNICOS DEL CARBÓN
Convencionalmente, la parte inorgánica del carbón se compone de HUMEDAD y
MATERIA MINERAL.
HUMEDAD. La humedad es un componente importante de los carbones, tanto desde el
punto de vista científico como el práctico.
La vegetación misma tiene un alto porcentaje de agua. En los pantanos que dan origen
al carbón se encuentra una mezcla mecánica de vegetación, agua y minerales.
Al progresar la carbonificación, la cantidad de agua presente varía según la etapa del
proceso.
HUMEDADES DEL CARBÓN.
Fundamentalmente la humedad del carbón se puede subdividir en cuatro categorías: humedad
inherente, humedad superficial, agua de hidratación de minerales y humedad de
descomposición.
8
HUMEDADES DEL CARBÓN
HUMEDAD INHERENTE. . A esta humedad se le denomina también humedad de lecho.
Teóricamente es la humedad que puede contener un carbón en una atmósfera con 100% de
humedad relativa.
HUMEDAD SUPERFICIAL. Es la que se encuentra en la superficie de las partículas de carbón.
Es el exceso de la humedad inherente.
HUMEDAD LIBRE: Es la perdida por el carbón hasta alcanzar el equilibrio aproximado con la
atmósfera del lugar donde se realiza la preparación. Se adhiere mecánicamente al carbón.
HUMEDAD RESIDUAL: Localizada en el interior de los poros y capilares, retenidas por
fuerzas de absorción y condensación capilar.
Es insensible a las condiciones atmosféricas se considera una característica básica del carbón
relacionada con el Rango, después de la remoción de esta humedad el carbón está en estado
“seco”.
COMPOSICIÓN PETROGRÁFICA DEL CARBÓN
El carbón puede ser considerado como una bio - roca (para hacer énfasis en su origen
orgánico), de color oscuro (negro o pardo), combustible, de origen sedimentario, constituida
básicamente por materia vegetal, con algunos minerales presentes.
La componente orgánica del carbón puede provenir de:
™ Algas, fitoplancton, zooplancton.
™ Plantas mayores grandemente descompuestas.
™ Plantas mayores poco descompuestas.
Estos materiales vegetales muy diferentes en cuanto a su composición química y a su
estructura que forman parte de las plantas originales.
COMPOSICIÓN MACROPETROGRÁFICA
La mayoría de los carbones húmicos presentan bandas diferenciables al ojo humano cuya
apariencia puede ser vidriosa, sedosa, opaca o fibrosa llamados litotipos o tipos de roca
visible.
9
LITOTIPOS DE CARBONES HÚMICOS
TIPO DE
CARBON
LITOTIPO
CARACTERÍ
CARACTERÍSTICAS
MACROSCOPICAS
VITRENO
CLARENO
HÚMICO
DURENO
FUSENO
CANNEL
SAPROPELICO
BOGHEAD
Parte negra, brillante y quebradiza del
carbón, que se encuentra en capas muy
delgadas
Negro
semibrillante
(entre
vitreno y dureno),
dureno), muy
finamente
estratificado
.
Presencia de esporas, cutículas y
trozos leñosos.
Negro o negro grisáceo pero siempre
mate, duro, superficie resistente que
rompe con irregularidad
Sustancia negra, blanda y pulvurulenta
que se encuentra en el carbón.
Negro, mate o con lustre ligeramente
grasoso.
Muy similar al cannel,
cannel,
coloración parda y trazo café.
presenta
PETROGRAFÍA DE LOS CARBONES
LOS MACERALES DEL CARBON :
Los carbones se forman en su mayor parte de acumulaciones de plantas muertas. A causa de
las variaciones en las velocidades y las condiciones de descomposición, se forman en la fase
bioquímica de la carbonización componentes diferentes llamados macérales.
GRUPO DE MACERALES
•
Vitrinita. Constituida por los tejidos leñosos de los tallos y raíces. Es el constituyente
más abundante e importante del carbón, no presenta relieve y tiene un color que varia
entre gris y blanco si se observa en luz reflejada; es rica en oxígeno.
Exinita. Constituida por la exina de las esporas y el polen, la cutícula de las hojas, resinas,
ceras y algas. Presenta relieve y tiene un color negro a gris oscuro en luz reflejada, su
porcentaje en los carbones es generalmente bajo. Es rica en hidrógeno.
•
Inertinita: Se origina sobretodo de tejidos leñosos y escleróticos de los hongos; presenta
relieve; su color va desde gris claro hasta blanco amarillaceo; dureza y densidad muy altas;
ricas en carbono y pobres en nitrógeno, no funde en los procesos de coquización.
10
GRUPO DE MACERALES
Los grupos de la vitrinita y la inertinita forman generalmente la matriz del carbón
En una hulla los macerales del grupo de la vitrinita contienen más material volátil y menor
porcentaje de carbono que los macerales del grupo de la inertinita.
Los macerales del grupo de la exinita, ricos en resinas y ceras son los relativamente más altos en
hidrógeno y sufren pocas transformaciones en la primera etapa de la carbonificación.
Los macerales se diferencian entre sí particularmente en carbones de bajo rango por sus
cantidades de carbono y materia volátil
INCLUSIONES MINERALES EN LOS CARBONES
La materia mineral puede hallarse diseminada, en concreciones o en intercalaciones en el carbón.
Se puede presentar como arcillas (kaolinita), carbonatos (calcita, siderita, entre otros), cuarzo,
sulfuros (pirit), óxidos (muy común la hematita), fosfatos y otros compuestos.
CARBONES COLOMBIANOS
11
ANÁLISIS DE MUESTRAS
CARACTERIZACION DE CARBONES
FRENTE DE EXPLOTACIÓN DE LIGNITOS
MUESTRA MACROSCOPICA
Muestra 1: Frente de explotación Mina Eliceo
Muestra 2: Material Carbonoso del frente de explotación, mina Eliceo
Muestra 3: Mina Eliceo, manto superior
Muestra 4: Mina Don Fidel, Frente de Explotación
Muestra 5: Mina Don Efraín. Patio de almacenamiento
RESULTADO DE ANÁLISIS INMEDIATOS
MUESTRA
HUMEDAD
RESIDUAL
%
CENIZAS
%
MATERIA
VOLATIL
%
PODER
CALORIFICO
C/gr
C/gr
CARBONO
FIJO
%
12.00
8.63
46.90
5350
32.47
12.83
12.97
47.09
5195
32.47
38.58
4470
24.47
AZUFRE
%
M1M1- MINA
ELICEO
M2 – FREN.
EXPL. MIN
1.79
NO SE
REALIZO
ELICEO
M3M3- MANT.
SUP. MIN.
NO SE
8.65
28.30
REALIZO
ELICEO
M4 – FREN.
EXPL. MIN.
NO SE
5.21
9.16
60.22
7178
25.41
REALIZO
DON FIDEL
M5 – PAT.
ALM. MIN.
DON EFRAÍN
NO SE
12.02
5.41
47.81
6355
34.76
REALIZO
12
CARACTERÍSTICAS DE UN CARBÓN TÉRMICO
MUESTRA
HUMEDAD
RESIDUAL
%
CENIZAS
%
MATERIA
VOLATIL
%
PODER
CALORIFICO
C/gr
C/gr
CARBONO
FIJO
%
CARBÓ
CARBÓN
TÉRMICO
1.5
10.0
39.0
7000
50.0
AZUFRE
%
≤ 1.79
ANALISIS PETROGRAFICO
El resultado de los análisis petrográficos, realizados en el laboratorio de petrografía de la U.P.T.C.
Sogamoso, a las muestras de lignito del sector Cruz de Murcia dio los siguientes resultados:
VITRINITA
68.8 %
SEMIFUSINITA
2.0 %
LIPTINITA
20.0 %
MATERIA MINERAL 9.2 %
---------100.0 %
La muestra presenta fracturamiento por la perdida de humedad, se evidencia un alto contenido de
Sulfuro de Hierro ( Pirita ) en avanzado proceso de lexiviación.
ANALISIS PETROGRAFICO
Microfotografía M1
Microfotografía M2
Muestra macroscopica M1
Microfotografía M2
13
ANALISIS AGROLOGICO
RESULTADOS ANALITICOS
%
Humedad ( % )
27.8
Cenizas ( % )
6.22
Perdidas por volatilización ( % )
66.0
Carbono Orgánico Oxidable ( % )
29.0
CARACTERIZACION FRACCION ORGANICA
Análisis realizados sobre 15 gr. De producto disuelto en 100 ml
de KOH 4%
ELEMENTO
Sólidos insolubles en KOH 4 %
51.4
Sólidos solubles en KOH 4 %
20.8
CARACTERIZACION FRACCION SOLUBLE KOH 4%
Sólidos precipitados a PH ácido (PH 2.0)
14.9
Sólidos Solubles a PH ácido (PH 2.0)
5.92
Corbono Orgánico Oxidable Soluble en KOH 4%
14.2
Corbono Orgánico Oxidable Precipitado a PH ácido(PH 2.0)
9.96
Corbono Orgánico Oxidable Soluble a PH ácido (PH2.0)
4.19
4 ANALISIS COMPARATIVO DE RESULTADOS
CARÁCTER.
HUMEDAD
RESIDUAL
%
CENIZAS
%
MATERIAL
VOLATIL %
PODER
CALORIFICO
CARBONO FIJO
CARBONONSO
LUBLE KOH %
LABORAT.
LAB. AGRILAB
27.8
6.22
66.0
-
29.0
14.2
LAB. IRME U.P.T.C.
12.0
8.63
46.9
5300
32.47
-
TABLA DE
CONSULTA
-
-
-
-
73.8
10 al 30
El alto porcentaje de humedad se debe a la alta porosidad que presentan los Lignitos o
carbones de bajo rango. A las muestras analizadas se les realizó pruebas de deshidratación
las cuales se contraen presentado fracturas, su densidad disminuye, pero al someterlas
nuevamente al contacto con el agua absorben parte de la humedad perdida, este fenómeno
es denominado como Histéresis de humedad del carbón.
14
APLICACIONES MEDIOAMBIENTALES
9 HUMUS COMERCIAL COMO MEJORADOR DE SUELOS.
9 ORIGEN Y NATURALEZA DE HUMUS COMERCIALES.
9 SUSTANCIAS HUMICAS PROCEDENTES DE CARBONES.
9 ENMIENDAS HÚMICAS.
9 LOS ÁCIDOS HUMICOS Y SU ORIGEN .
ORIGEN NATURAL
CONTENIDO DE ÁCIDOS HÚMICOS
Y FÚLVICOS EN % (FROM - TO)
Leonardita
Turba negra
Turba
Carbón pardo
Estiércol
Compost
Suelo
Lodo
Carbón duro
40 – 85
10 – 40
10 – 20
10 – 30
5 – 15
2–5
1–5
–5
0–1
9 DESCONTAMINACIÓN DE AGUAS RESIDUALEAS
9 CEMENTOS Y CONCRETOS
CONCLUSIONES
¾ De acuerdo a los resultados de los análisis de laboratorio obtenidos, tanto los análisis inmediatos, los
análisis petrográficos y químicos, nos determinan un carbón de bajo rango con un alto grado de oxidación.
¾ Por su alto contenido de Vitrinita e Inertinita se determina que es un Lignito de bajo rango, que por su alto
grado de alteración tiene un bajo poder calorífico.
¾ Dados los parámetros internacionales para el contenido de ácidos húmicos de la Leonardita, el porcentaje
obtenido de las muestras analizadas son muy bajos, lo que nos determina un material con bajo contenido de
ácidos húmicos que no corresponde a las características de la Leonardita.
¾ Debido a que el carbón es un material altamente poroso y que la porosidad depende del rango, esta es
una de las principales propiedades físicas del carbón, las muestras analizadas tienen densidad baja y una
porosidad alta, este carbón cuando ha perdido la humedad se contrae y su porosidad se reduce pero cuando
nuevamente se humedece recobra nuevamente parte de su porosidad.
¾ De acuerdo a las características que presentan las muestras analizadas, estas podrían ser utilizadas como
mejorador de suelos ya que mejoraría la aireación facilitando la descomposición de la materia orgánica.
¾ Por el alto contenido de humedad y que la recupera fácilmente cuando se ha deshidratado
completamente, se podría utilizar en la descontaminación de aguas residuales.
15
UNIVERSIDAD DE LA SABANA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESPECIALIZACION EN INGENIERIA AMBIENTAL
GRUPO DE INVESTIGACION PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA
IDENTIFICACIÓN DE LAS POSIBLES FUENTES DE LIGNITOS OXIDADOS PRESENTES EN
EL SECTOR CRUZ DE MURCIA. MUNICIPIO DE PAIPA Y SUS POSIBLES APLICACIONES
MEDIO AMBIENTALES
JOSÉ MARIO RODRÍGUEZ HERNÁNDEZ
ABRIL DE 2005
CHÍA – CUNDINAMARCA
16