CONGRESO CONAMET/SAM 2004 CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL DE LOS PRODUCTOS DE CLORACION DE ILMENITA G.G. Fouga(1,2,3), Gaviria J.P(1,3,4), D.M. Pasquevich(1,2) y A.E. Bohé(1,2) (1) (2) Centro Atómico Bariloche, CNEA, S.C de Bariloche 8400 Río Negro Argentina Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. [email protected] (3) Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo (4) Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica RESUMEN La cloración y la carbocloración son procesos aplicados en metalúrgica extractiva para la extracción de metales tales como Zr, Ti, V, Ta y Nb, en forma de cloruros a partir de minerales polimetálicos o de baja ley. Aprovechando las diferentes propiedades fisicoquímicas, es posible clorar la ilmenita selectivamente o separar los cloruros de Fe del óxido de titanio. En este trabajo se presenta una caracterización microestructural de los productos de reacción de la cloración de ilmenita. Se llevaron a cabo estudios termogravimétricos y gravimétricos tomando como variables las condiciones de temperatura, presión de Cl2, y cantidades relativas de los reactivos sólidos. Los productos de cloración fueron extraídos en atmósfera inerte y analizados mediante DRX, SEM, EDS, TEM y espectroscopia Mössbauer. Palabras claves: ilmenita, cloración, titanatos 1. INTRODUCCIÓN El rutilo es el mineral más importante para la extracción de TiO2 de alta pureza o Ti metálico debido a su alto contenido de Ti y bajo contenido de elementos tales como Ca, Mg y Fe. Las menas que contienen minerales de titanio están ampliamente distribuidas en muchas partes del mundo. Las dos principales fuentes de titanio son el Rutilo (TiO2) y la Ilmenita (FeTiO3). Algunas de las menas minoritarias de titanio son Anatasa y Brokita (TiO2), Ulvoespinela (Fe2TiO4), Perovskita (CaTiO3), Pseudobrokita (Fe2TiO5), etc. [1]. La ilmenita es el mineral de titanio más abundante en la naturaleza, se encuentra como mineral accesorio en rocas ígneas, pegmatitas y filones. Como constituyente de arenas negras está asociado a la magnetita, rutilo, zircón y monacita. [1] La ilmenita es comúnmente utilizada en la manufactura de pigmento blanco de dióxido de titanio. Conforme aumenta la demanda de Ti metálico disminuyen las fuentes de rutilo incrementándose el interés de explotación de menas titaníferas de baja ley tales como la ilmenita (FeTiO3). Este mineral tiene una alta concentración de hierro el cual debe ser separado para incrementar el contenido de Ti, para lo cual han sido propuestos diferentes métodos [2,3]. Se ha propuesto la aplicación de los procesos de cloración y carbocloración en la extractiva de metales en forma de cloruros a partir de minerales de baja ley. Aprovechando las diferentes propiedades fisicoquímicas, es posible clorar selectivamente o separar estos cloruros. El proceso de cloración de ilmenita se puede llevar a cabo utilizando diferentes agentes clorantes y puede además involucrar varios tratamientos previos de preconcentración. 2. DESARROLLO EXPERIMENTAL 2.1 Materiales Los materiales iniciales utilizados en este trabajo fueron: argón 99,99% (AGA, Argentina), cloro 99,8% (Indupa, Argentina) e ilmenita preconcentrada procedente de Venezuela. Esta ilmenita mineral posee aproximadamente un 3 % de Mn el cual se encuentra en su estructura sustituyendo al Fe. 2.2 Sistema Termogravimétrico Los cambios de masa ocurridos durante la cloración de la ilmenita fueron medidos utilizando un sistema termogravimétrico de alta resolución el cual fue descripto por Pasquevich et. al [4]. Este sistema consiste en una electrobalanza, (Cahn Instruments Inc., Model 2000), especialmente adaptada para trabajar con gases corrosivos; una línea de gases y un sistema de adquisición de datos. Este sistema posee una sensibilidad de ± 5 μg operando a 1100 °C bajo un flujo de gas de 4-9 l/h, medidos en condiciones normales de temperatura y presión. Se llevaron a cabo mediciones isotérmicas y no isotérmicas. En ambos casos se colocó la muestra en un crisol de cuarzo el cual fue calentado a 100 °C en flujo de Ar con el fin de eliminar el agua. En los experimentos no isotérmicos el cloro CONGRESO CONAMET/SAM 2004 En la Figura 2 podemos ver los cambios de energía libre de reacción de las reacciones (1) a (7) entre 25 y 950 °C. 30 2 20 ΔG° kcal/mol Cl2 gaseoso fue introducido y las muestras fueron calentadas en la mezcla resultante Ar-Cl2 (pCl2 = 33 kPa) hasta 950 °C. Durante el proceso de calentamiento los cambios de masa fueron continuamente monitoreados a intervalos regulares de tiempo (1 seg). Se utilizó una velocidad de calentamiento lineal de 2,7 K· seg-1. En el caso de las mediciones isotérmicas las muestras fueron calentadas en flujo de Ar desde 100 °C hasta la temperatura de reacción seleccionada. Luego de que se estabilizara la temperatura se inyectó el cloro gaseoso en el tubo. En algunas mediciones, la cloración fue interrumpida a distintos grados de conversión definidos previamente. 10 4 0 1 -10 5 3 7 -20 -30 6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Temperatura (°C) 2.3 Reactor en flujo En la figura 1 se muestra un esquema del reactor en flujo. El reactor consistió en un tubo de cuarzo. La muestra fue colocada dentro de un crisol de cuarzo. La temperatura fue mantenida mediante un horno eléctrico horizontal. El gas cloro fue introducido cuando el sistema estaba a la temperatura de trabajo y al final del experimento se utilizó argón para purgar el reactor. Como se puede observar en el diagrama anterior la energía libre standard de formación del FeCl2(g) es positiva prácticamente en todo el rango de temperaturas analizadas. Por otro lado el ΔG° de formación de FeCl2(s), FeCl3(s) y FeOCl es positivo mientras que el ΔG° de formación del FeCl3(g) es negativo para temperaturas superiores a 410 °C. Por otro lado es sabido que el FeOCl es inestable a temperaturas superiores a 420 °C [11], el FeCl3 es gaseoso por encima de los 316 °C y el FeCl2 funde a 677 °C [6]. Por lo anterior la cloración de la ilmenita podría involucrar la formación de óxidos de hierro, cloruros de hierro y óxido de titanio. 3.2 Resultados experimentales Los materiales iniciales y los productos de reacción fueron examinados por microscopía electrónica de barrido (SEM, Philips Electronic Instruments) y difracción de rayos X, (Philips PW1310/01), con filtro de Ni y radiación Kα de Cu. Las muestras también fueron analizadas por EDS. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Consideraciones Termodinámicas El análisis termodinámico para las reacciones de cloración de la ilmenita fue realizado utilizando el software HSC Chemistry for Windows [5]. Las reacciones consideradas se detallan a continuación: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 3.2.1 Termogravimetría no isotérmica En la figura 3 se muestra el difractograma correspondiente a la muestra inicial acompañado por el patrón de referencia [7]. La composición general del mineral indica que el 52,7 % corresponde a TiO2 con una alta estabilidad termodinámica en atmósfera de cloro. De hecho, para la reacción de cloración de TiO2 el ΔG° = 12,77 kcal/mol de Cl2. Por otro lado, la cloración directa de MnO y FeO (ΔG° 600 °C = -10 y –3 kcal/mol de Cl2 respectivamente), es termodinámicamente factible. Por consiguiente la cloración de Fe y Mn causa la ruptura de la estructura de la ilmenita. 100 Intensidad Relativa Figura 1: Esquema del reactor en flujo. FeTiO3 +Cl2(g) → FeCl2 + TiO2 + ½O2(g) FeTiO3 +Cl2(g) → FeCl2(g)+ TiO2 + ½O2(g) 2/3FeTiO3 +Cl2(g) → 2/3FeCl3 + 2/3TiO2 + 1/3O2(g) 2/3FeTiO3 +Cl2(g) → 2/3FeCl3(g) + 2/3TiO2 + 1/3O2(g) FeTiO3 +Cl2(g) → 2FeOCl + 2TiO2 2FeTiO3 +Cl2(g) → 2/3Fe2O3 + 2TiO2 + 2/3FeCl3(g) 3FeTiO3 +Cl2(g) → Fe2O3 + 3TiO2 + FeCl2(g) Figura 2: Cambio de energía libre standard en función de la temperatura FeTiO3 Ilmenita JPCD N° 29-0733 50 0 100 50 0 20 30 40 50 2θ 60 70 80 Figura 3: Difractograma de la muestra inicial y patrón de referencia. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 Cambio de masa (mg) En la figura 4 se presenta la curva termogravimétrica de la cloración no isotérmica de la ilmenita desde temperatura ambiente hasta 950 °C. La pérdida de masa indica que la reacción de cloración comienza a 185 °C y ésta pérdida puede ser atribuida a la volatilización del Fe como FeCl3, el cual es gaseoso a temperaturas superiores a 315 °C [6] y del Mn como MnCl2, con una presión de vapor de 5,88 x 10-7 atm. 2 1 85 °C 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 T (°C) Figura 4: Curva termogravimétrica no isotérmica. 3.2.2 Termogravimetrías isotérmicas ΔM/Mi Se midieron los cambios de masa a siete temperaturas diferentes entre 650 y 950 °C cada 50 °C. La figura 5 muestra la curva temogravimétrica para cada temperatura. En cada curva se pueden distinguir tres zonas diferentes. 0.12 0.08 0.04 0.00 -0.04 -0.08 -0.12 -0.16 -0.20 -0.24 Zona I Zona II Zona III o 650 C 700 oC 750 ooC 800 C kcal/mol, valor que puede asociarse a un control químico o mixto de la reacción. 3.2.3 Cambios morfológicos durante la cloración Con el fin de observar el tipo de ataque químico sobre las partículas de ilmenita se analizaron las muestras en diferentes estadíos de reacción mediante MEB y EDS. Para una muestra tratada a 650 °C y con un ΔM/M = 0,06 las partículas presentan superficies lisas similares a la muestra de partida (Figura 6a). Para las partículas tratadas a 750 °C, y cuando estas han alcanzado una pérdida relativa de masa de 0.1 que corresponde a un 18 % en el grado de reacción, la superficie muestra un alto nivel de porosidad con un diámetro promedio de poros de 0,2 μm (Figura 6b). A temperaturas superiores a 800 °C se observan dos tipos de morfologías diferentes: cristales facetados creciendo sobre una superficie con alta porosidad (Figuras 6c y 6d). Estos cristales presentan una composición promedio de Fe: 54 y Ti: 43 % (expresados en porcentaje atómico). Mientras que las zonas con elevada porosidad corresponden a 100 % de Ti. La formación de los cristales es un proceso complejo, el cual puede involucrar recristalizaciones en estado sólido e interacciones sólido-gas. Los productos sólidos podrían reaccionar a través de procesos en varias etapas, acompañados por recombinación de productos gaseosos y la formación de productos intermedios. La superficie porosa puede ser generada por la liberación de los cloruros volátiles provenientes del bulk. a) b) c) d) 850 oC o 900 C o 950 C 0 200 400 600 800 1000 Time (s) Figura 5: curvas termogravimétricas a distintas temperaturas. En la zona 1, correspondiente a un estadio inicial de la cloración, se observa una ganancia de masa durante un período aproximado de 50 segundos, probablemente correspondiente a la formación de los cloruros líquidos de Fe y Mn. La ganancia de masa es muy sensible con la temperatura, decrece de 650 a 850 °C y no se observa a temperaturas mayores. La zona II corresponde a un período de pérdida de masa a una velocidad de reacción aproximadamente constante. Finalmente en la zona III se observa una etapa en la cual la pérdida de masa es más lenta. El cálculo de la energía de Activación aparente del sistema (Ea), en base a los resultados de la figura 5, en donde se observan dos regiones cinéticas en función de la temperatura, se realizó aplicando el método de Flynn. Para la zona II se determinó una Ea = 5 kcal/mol lo cual indica un proceso controlado por transporte de materia. Para la zona III se obtuvo una Ea = 25 Figura 6: Cambios morfológicos durante la cloración de la ilmenita. 3.2.4 Análisis de los residuos sólidos y productos condensados durante la cloración de ilmenita Con el fin de identificar los compuestos obtenidos en las distintas cloraciones, los residuos sólidos fueron analizados por difracción de rayos X y espectroscopia Mössbauer. La tabla 1 muestra las CONGRESO CONAMET/SAM 2004 fases identificadas en los residuos sólidos de las cloraciones en el reactor de la figura 1. Las fases que se muestran en la tabla 1 corresponden a la zona 1 del reactor (crisol), (figura 7). Los productos condensados en las paredes del reactor, zonas 2 y 3 fueron MnCl2 y FeCl3 respectivamente. La fase condensada en la zona 2 se observó sólo a temperaturas superiores a los 600 °C. La figura 8 muestra un espectro de Mössbauer del FeCl3 obtenido en la zona 3 del reactor. Este cloruro de Fe+3 se obtuvo en todo el rango de temperaturas estudiado. Zona 1 Zona 3 Zona 2 Figura 7: zonas del reactor. Tabla 1: fases identificadas en los residuos sólidos de las cloraciones en el reactor de la figura 1 Temp °C Alfa DRX Espectroscopia Mössbauer 250 °C <1 MnCl2 2H2O (251043) Fe2Ti3O9 (471777) Pseudorutilo FeTiO3 (290733) Ilmenita FeOCl 400 °C 600 °C 700 °C IS (Fe) (mm/s) QS (mm/s) Fe2Ti3O9 Pseudorutilo FeTiO3 Ilmenita FeOCl 0,348 1,216 0,36 0,568 0,651 0,936 <1 MnCl2 2H2O (251043) Fe2Ti3O9 (400850) Pseudorutilo FeTiO3 (290733) Ilmenita FeOCl Fe2Ti3O9 Pseudorutilo FeTiO3 Ilmenita FeOCl 0,369 1,156 0,4 0,527 0,8 0,954 <1 MnCl2 2H2O (251043) Fe2Ti3O9 (400850) Pseudorutilo FeTiO3 (290733) Ilmenita Fe2O3 (330664) Hematita. TiO2 (211276) Rutilo Fe2Ti3O9 Pseudorutilo FeTiO3 Ilmenita Fe2O3 Hematita 499 0,37 1,192 0,381 0,562 0,711 -0,093 MnCl2 2H2O (251043) Fe2Ti3O9 (400850) Pseudorutilo Fe2O3 (330664) Hematita. TiO2 (211276) Rutilo Fe2Ti3O9 Pseudorutilo FeTiO3 Ilmenita Fe2O3 Hematita 507 0,367 1,201 0,379 0,556 0,748 -0,103 Fe2Ti3O9 Pseudorutilo Fe2O3 Hematita. 518 0,364 0,365 0,578 -0,108 Fe2Ti3O9 Pseudorutilo Fe2O3 Hematita. 520 0,372 0,386 0,584 -0,12 Fe2Ti3O9 Pseudorutilo Fe2O3 Hematita 520 0,371 0,387 0,57 -0,102 Fe2Ti3O9 Pseudorutilo Fe2O3 Hematita 517 0,361 0,378 0,582 -0,092 0,29 700 °C 0,45 700 °C 0,85 750 °C ≅1 800 ° ≅1 800 °C 1 Fe2Ti3O9 (400850) Pseudorutilo Fe2O3 (330664) Hematita. TiO2 (211276) Rutilo Fe2Ti3O9 (400850) Pseudorutilo Fe2O3 (330664) Hematita. TiO2 (211276) Rutilo TiO2 (211276) Rutilo Fe2Ti3O9 (400850) Pseudorutilo Fe2O3 (330664) Hematita TiO2 (211276) Rutilo TiO2 (211276) Rutilo (100%) 384000 380000 cuentas 376000 372000 368000 364000 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 mm/s Figura 7: espectro Mössbauer del FeCl3 anhidro condensado en la zona 3 del reactor. 10 H (kG) --- Los espectros Mössbauer fueron llevados a cabo a temperatura ambiente usando una fuente de 57Co/Rh en un espectrómetro de transmisión de aceleración constante. El espectrómetro fue calibrado usando una lámina standard de α-Fe y el corrimiento isomérico reportado (IS) es relativo al centro del espectro del α -Fe. Los espectros fueron ajustados con mínimos cuadrados por medio de curvas Lorentzianas. El espectro Mössbauer de la figura 7 se ajustó con un singlete de IS(Fe) = 0.427 ± 0.003 mm/s. Este resultado concuerda con los valores reportados para FeCl3 anhidro [8]. En la figura 8 se muestran los espectros Mössbauer de la ilmenita de partida y los residuos de las cloraciones en el reactor de la figura 1. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 a) b) c) d) 3.2.5 Análisis de los residuos sólidos de las cloraciones de ilmenita e) f) -10 -8 -6 -4 -2 0 mm/s 2 4 6 8 A temperaturas mayores que 600°C (Fig 8d, 8e, 8f) se observa la aparición de una fase con interacción magnética. A 600°C esta fase posee un campo hiperfino H = 499 kG y un corrimiento isomérico IS(Fe) = 0.381 mm/s. A medida que aumenta la temperatura el valor del campo también lo hace, mientras que el valor de IS permanece prácticamente constante (Tabla 1). Esta fase puede asignarse a hematita, cuyos parámetros según la bibliografía son H = 518 kG, IS(Fe) = 0.37 mm/sv [9]. El motivo por el cual a las menores temperaturas el campo de la fase magnética posea un valor menor al reportado podría ser que la hematita formada sea defectuosa, por lo que en los tratamientos a mayores temperaturas estos defectos se acomodan y el campo obtenido concuerda con el valor de literatura (a 800 °C el sextete posee un H = 518 kG). La presencia de hematita también fue confirmada por DRX. En la Figura 8 puede observarse que la relación entre la cantidad de Fe2Ti3O9 y la hematita que se forma va disminuyendo a medida que aumenta la temperatura, lo que podría sugerir que este titanato sería un intermediario en la reacción de cloracion de la ilmenita, hasta que finalmente todo el Fe es clorado, quedando como producto final TiO2. 10 Figura 8: espectros Mössbauer del mineral de partida y de los residuos sólidos de las cloraciones isotérmicas llevadas a cabo en el reactor de la figura 1 a diferentes temperaturas. a) Ilmenita de partida, b) 250°C, c) 400 °C, d) 600 °C, e) 700 °C y f) 800°C. El espectro de la ilmenita original (Fig 8a) se ajustó con dos dobletes de parámetros IS(Fe) = 1.03 mm/s, QS = 0.763 mm/s y IS(Fe) = 0.7 mm/s, QS = 0.345 mm/s, respectivamente. El primer doblete es típico de la ilmenita [9] mientras que el segundo corresponde a un compuesto de Fe+3, que podría tratarse ser un titanato de hierro, o un titanato mixto de hierro y manganeso. A 250°C y 400°C (Fig 8b y 8c) los espectros se ajustaron con 3 dobletes que corresponden a las fases Fe2Ti3O9, ilmenita y FeOCl, en acuerdo con lo obtenido por DRX. Los parámetros de estas fases concuerdan con los valores reportados en bibliografía [10, 11]. Los valores de los parámetros de ajuste están tabulados en la Tabla 1. Los difractogramas de las muestras cloradas en la balanza termogravimétrica fueron comparados a distintas pérdidas de masa y temperatura. Como puede observarse en la Tabla 2, debajo de 850°C es posible detectar rutilo como el óxido mayoritariamente formado, junto con la generación de hematita y la formación de un nuevo titanato (Fe2Ti3O9). Este último producto podría haberse formado por medio de interacciones sólido-gas, siendo favorecidas por la lenta velocidad de remoción de los productos gaseosos en el flujo de argón-cloro en los experimentos termogravimétricos. A temperaturas mayores que 900°C, otro titanato fue identificado (Fe3Ti3O10), que posee hierro en dos estados de oxidación. Por lo tanto, la interacción sólido-gas entre los productos no puede desatenderse. Consecuentemente, a medida que la cloración del mineral avanza, el residuo formado por el titanato detectado es menos reactivo que la ilmenita, lo que está en acuerdo con la menor velocidad de reacción de la tercer etapa. Tabla 2: fases identificadas en los residuos sólidos de las cloraciones isotérmicas en el sistema termogravimétrico. Temperatura 650 °C 700 °C 750 °C 800 °C 850 °C 900 °C 950 °C XRD Rutilo, Fe2Ti3O9, Hematita Rutilo, Fe2Ti3O9, Hematita Rutilo, Fe2Ti3O9, Hematita Rutilo, Fe2Ti3O9, Hematita. Rutilo, Fe2Ti3O9, Hematita. Rutilo, Fe2Ti3O9, Ilmenita, Fe2TiO5 Rutilo, Fe3Ti3O10, Ilmenita. CONGRESO CONAMET/SAM 2004 4 CONCLUSIONES La cloración directa de la ilmenita es un proceso apropiado para la eliminación del Fe y Mn en forma de cloruros por volatilización a temperaturas superiores a 600 °C. La reacción ocurre a través de la formación de titanatos intermedios los cuales disminuyen la reactividad de la muestra con el cloro. La ganancia de masa durante el primer estadio del proceso de cloración indica que la formación de FeCl3 se produce a través de una etapa intermedia en donde tiene lugar la formación de una fase condensada. La presencia del Fe2Ti3O9 y Fe2O3 demuestra que la atmósfera de Cl2(g) beneficia la continua oxidación del Fe+2 a Fe+3 durante el proceso de cloración. Las interacciones los productos sólidos y gaseosos son importantes a temperaturas elevadas. La reacción involucra la ruptura de la estructura de las partículas de ilmenita. 5 REFERENCIAS [1] Cornelis, Klein – Manual de mineralogía. 4 th Ed. Reverté 1997. [2] Sohn H.Y. 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