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Efecto del tratamiento mecánico por molienda en las propiedades texturales de pirofilita

Sánchez Soto, Pedro José

Abstract

Se ha investigado el efecto del tratamiento mecánico por molienda en seco, empleando un molino de bolas, en las propiedades texturales de pirofilita. Las isotermas de adsorción-desorción de gas nitrógeno a -195 ºC, determinadas en el material original y modificado por molienda, no han mostrado fenómenos de histéresis pronunciados. Se ha encontrado que los volúmenes de gas adsorbidos aumentan de forma gradual al incrementarse el tiempo de molienda, presentando un máximo a los 30 minutos. A partir de este tiempo de tratamiento, aquéllos disminuyen hasta llegar a una situación muy similar a la inicial. La evolución de los valores de superficie específica (SBET), determinados mediante aplicación de la ecuación BET, ha permitido apreciar un rápido incremento al aumentar el tiempo de molienda desde 2 m2xg-1 en la muestra original hasta un máximo de 60 m2xg-1 a los 30 minutos, llegando a un valor de 7.5 m2xg-1 a los 325 minutos. Este comportamiento se atribuyó a una disminución del tamaño de las partículas del silicato laminar por efecto de la molienda hasta un límite. Por encima de este límite, las partículas comienzan a reagregarse y aglomerarse mediante un proceso mecanoquímico de soldadura en frío, originado por una alta reactividad superficial y, en consecuencia, disminuyen progresivamente los valores de SBET lo que coincide con el mayor grado de alteración estructural que se produce en el material y la amorfización consiguiente. Asimismo, del estudio textural realizado se ha mostrado la ausencia de microporos en el proceso de fisisorción del gas nitrógeno por los materiales modificados debido al efecto de la molienda, deduciéndose que dicho proceso se produce en multicapas. Una estimación de la distribución de tamaño de los poros formados con el tratamiento de molienda ha indicado una contribución de los tamaños comprendidos entre 20 y 50 Å al aumento de SBET. Por encima de 30 minutos de molienda esta contribución disminuye progresivamente al producirse el proceso de reagregación de las partículas y, en particular, con una contribución importante de los poros de diámetros inferiores a 40 Å.

Full text

59 BOLETIN DE LA SOCIEDAD ESPAÑOLA DE ARTICULO Ce ámica y Vid io E ec o del a amien o mecánico po molienda en las p opiedades ex u ales de pi o ili a P. J. SÁNCHEz-SOTO Ins i u o de Ciencia de Ma e iales de Se illa (ICMS), Cen o Mix o Agencia Es a al Consejo Supe io de In es igaciones Cien í icas (CSIC)- Uni e sidad de Se illa, 41092-Se illa Se ha in es igado el e ec o del a amien o mecánico po molienda en seco, empleando un molino de bolas, en las p opiedades ex u ales de pi o ili a. Las iso e mas de adso ción-deso ción de gas ni ógeno a -195 ºC, de e minadas en el ma e ial o iginal y modi icado po molienda, no han mos ado enómenos de his é esis p onunciados. Se ha encon ado que los olúmenes de gas adso bidos aumen an de o ma g adual al inc emen a se el iempo de molienda, p esen ando un máximo a los 30 minu os. A pa i de es e iempo de a amien o, aquéllos disminuyen has a llega a una si uación muy simila a la inicial. La e olución de los alo es de supe icie especí ica (S BET ), de e minados median e aplicación de la ecuación BET, ha pe mi ido ap ecia un ápido inc emen o al aumen a el iempo de molienda desde 2 m 2 xg -1 en la mues a o iginal has a un máximo de 60 m 2 xg -1 a los 30 minu os, llegando a un alo de 7.5 m 2 xg -1 a los 325 minu os. Es e compo amien o se a ibuyó a una disminución del amaño de las pa ículas del silica o lamina po e ec o de la molienda has a un lími e. Po encima de es e lími e, las pa ículas comienzan a eag ega se y aglome a se median e un p oceso mecanoquímico de soldadu a en ío, o iginado po una al a eac i idad supe icial y, en consecuencia, disminuyen p og esi amen e los alo es de S BET lo que coincide con el mayo g ado de al e ación es uc u al que se p oduce en el ma e ial y la amo ización consiguien e. Asimismo, del es udio ex u al ealizado se ha mos ado la ausencia de mic opo os en el p oceso de isiso ción del gas ni ógeno po los ma e iales modi icados debido al e ec o de la molienda, deduciéndose que dicho p oceso se p oduce en mul icapas. Una es imación de la dis ibución de amaño de los po os o mados con el a amien o de molienda ha indicado una con ibución de los amaños comp endidos en e 20 y 50 Å al aumen o de S BET . Po encima de 30 minu os de molienda es a con ibución disminuye p og esi amen e al p oduci se el p oceso de eag egación de las pa ículas y, en pa icula , con una con ibución impo an e de los po os de diáme os in e io es a 40 Å. Palab as cla e: pi o ili a, molienda, p opiedades ex u ales, iso e mas, po os E ec o he g inding mechanical ea men on he py ophili e ex u al p ope ies I has been in es iga ed he e ec o mechanical ea men by d y g inding, using a ball mill, on he ex u al p ope ies o py ophylli e. The ni ogen gas adso p ion-deso p ion iso he ms, ob ained a -195 ºC in he o iginal and g ound samples, ha e no showed p onounced hys e esis. Howe e , i has ben ound ha he gas adso bed olumes inc ease g adually a inc easing g inding ime, wi h a maximum a 30 min. A e his, hese alues dec ease up o a si ua ion e y simila o he o iginal ung ound sample. The e olu ion o speci ic su ace a ea (S BET ), de e mined using he BET equa ion, has showed a apid inc ease as inc easing g inding ime om a alue o 2 m 2 xg -1 (o iginal) up o a maximum o 60 m 2 xg -1 a 30 min, being 7.5 m 2 xg -1 a 325 min. This beha iou is explained conside ing he dec ease o pa icle size o he laye ed silica e as in luenced by g inding, bu un ill a limi . Abo e his limi , he pa icles s a o a e-agg ega e and agglome a e by a mechanochemical p ocess o cold-welding, which is o igina ed by hei high su ace eac i i y. Consequen ly, he alues o S BET dec ease p og essi ely, which coincides wi h he g ea e s uc u al deg ee p oduced in his silica e and he subsequen amo phiza ion p ocess. E en so, he p esen ex u al s udy has showed he ausence o mic opo es in hese g ound ma e ials by isiso p ion o ni ogen gas, concluding ha his p ocess is p oduced by mul ilaye s. The po e size dis ibu ion o g ound py ophylli e samples has p o ed a con ibu ion o sizes anging be ween 20-50 Å o he inc ease o S BET . Abo e 30 min, his con ibu ion dec eases p og essi ely by he e-agg ega ion p ocess o he pa icles, wi h an impo an con ibu ion o size po es lowe han 40 Å. Keywo ds: py ophylli e, g inding, ex u al p ope ies, iso he ms, po es Bol. Soc. Esp. Ce am. V. 48, 2, 59-68 (2009) 60 Bol. Soc. Esp. Ce am. V. 48, 2, 59-68 (2009) P. J. SÁNCHEZ-SOTO 1. InTRODuCCIÓn La educción del amaño de las pa ículas de ma e ias p imas ce ámicas se log a po medio de un a amien o mecánico po molienda (1,2). Sin emba go, además de p oduci se es a educción, se inducen cambios impo an es en la es uc u a c is alina y en las p opiedades del sólido que pueden da luga a eacciones químicas o iginadas po un aumen o de la eac i idad en el sis ema, englobándose den o de lo que se ha enido denominando como mecanoquímica (3-6). En abajos an e io es en es a misma e is a se ealizó en p ime luga una e isión de las in es igaciones ealizadas sob e la es uc u a de pi o ili a, sus ca ac e ís icas gene ales, p opiedades más impo an es, su sín esis y o mación de soluciones sólidas, los yacimien os más ele an es, además de sus p incipales aplicaciones como ca ga y en la cons ucción, ob ención de ca alizado es y sín esis de nue os ma e iales, des acando su u ilización como ma e ia p ima ce ámica y en e ac a ios (7,8). En o o abajo pos e io , se ealizó un es udio de la in luencia de los a amien os mecánicos y é micos en ma e ias p imas que con ienen pi o ili a, con especial én asis en el desa ollo de ases de al a empe a u a (mulli a y c is obali a) en los ma e iales pu os y en mezclas con o os mine ales (9). Sin emba go, en es e úl imo sólo se expusie on algunos esul ados de a iación del á ea supe icial especí ica en unción del iempo de a amien o po molienda, an o de pi o ili a pu a como de mezclas mine ales que la con ienen. En la ob ención de dichos esul ados y a e ec os compa a i os, se empleó el denominado mé odo del pun o B ó de pun o singula (a p esión ela i a 0.2) median e el cual se pueden es ima alo es de supe icie especí ica, en una p ime a ap oximación, y que implica conside a la o mación de una monocapa comple a, gene almen e po ex apolación en la cu a de la iso e ma. Sin emba go, es más co ec o en el análisis de la ex u a de ma e iales en los que se in es igan sus p opiedades de adso ción-deso ción u iliza modelos acep ados en su ango de alidez, como se desc ibe en el p esen e abajo. No obs an e, es e p ime mé odo más simple pe mi e una de e minación ela i amen e ápida (con un equipo au omá ico, el e o es imado es de ± 4 %, exac i ud de la medida 99 % y ep oducibilidad del 99.5 %), aunque sin en a en un análisis más igu oso y de allado de la iso e ma comple a. El obje i o del p esen e abajo ha sido ob ene in o mación ex u al de una mues a de pi o ili a some ida a a amien os mecánicos po molienda, empleando un molino de bolas plane a io y en seco, dado que p ác icamen e has a aho a no se conocían da os al espec o en la bibliog a ía. Pa a ello, en los ma e iales a ados se han es udiado las iso e mas de adso ción-deso ción de ni ógeno, a la empe a u a de ni ógeno líquido. De aquí se han de e minado los alo es de supe icie especí ica y, en consecuencia, su e olución al aumen a el iempo de molienda. Asimismo, en el análisis ex u al se ha in es igado la posible exis encia de mic opo os o iginados po el a amien o y se ha ealizado ambién una es imación compa a i a de la dis ibución de amaño de los po os en los ma e iales esul an es de la molienda. 2. EXPERIMEnTAL 2.1 Ma e ial es udiado Se ha u ilizado una mues a come cial de pi o ili a suminis ada po Wa d’s N.S. Es ablishmen Inc. de Roches e (New Yo k, EE.UU.) que con iene 90 % en peso de es e silica o jun o a can idades muy pequeñas de mica (5 % ) y caolini a (5 %) y exen a de cua zo, según análisis mine alógico (9). Los da os de análisis químico mos a on una al a p opo ción de SiO2 (66.42 % en peso) y Al2O3 (27.31 %), además de muy pequeñas can idades de elemen os como son CaO (0.09 %), MgO (0.1 %), Na2O (0.10 %), TiO2 (0.1 %) y Fe2O3 (0.2 %); el con enido de K2O (0.24 %) se asocia a la mica p esen e. La pé dida po calen amien o a 1000 ºC (5.41 % en peso) es á de acue do con la que co esponde a una pi o ili a ideal (5%). El ma e ial se p esen a en ozos desmenuzables y posee cie a un uosidad debido a su ca ác e lamina , aunque en la supe icie ex e na se obse an ib as ag upadas en o ma de ose as y con b illo g aso. Dichas o maciones se sepa an con acilidad del es o de la masa y se elimina on. La desc ipción geológica y la génesis de es a pi o ili a, p oceden e de un yacimien o en Hillsbo o (Es ado de Ca olina del No e, EE.UU.), ha sido ealizada po di e sos au o es (10, 11). 2.2 P epa ación de mues as al e adas po molienda La mues a o iginal de pi o ili a, al p esen a se en es ado masi o, se some ió a una i u ación p e ia du an e cinco segundos en un molino de anillos concén ico He zog, modelo HSM 100, empleando un ecipien e de ace o al c omo de 200 mL de capacidad ú il. El ma e ial ob enido se homogeneizó po sucesi os cua eos y amizado inal en seco po debajo de 50 µm. Se conside ó es a mues a como ma e ial de pa ida pa a o os a amien os, denominándose P(0). Pa a ealiza los a amien os mecánicos po molienda en seco se empleó un molino de bolas plane a io Re sch modelo S-1, empleando un ecipien e de po celana du a de 350 mL de capacidad y 10 bolas de es e mismo ma e ial de 20 mm de diáme o y de unos 10 g de peso cada una. La elocidad se ijó en 250 pm y la can idad de mues a ue de 2.200 g, en condiciones de abajo simila es a o as in es igaciones en el mismo labo a o io (12). Una ez ealizados los a amien os has a 325 minu os como máximo, las mues as de pi o ili a al e adas po molienda se en asa on en iales con cie e he mé ico y se almacena on en un desecado . La denominación de las mues as al como P(10), P(15) e c., sigue la pau a de la le a P como ab e ia u a de pi o ili a, seguida de un pa én esis con un núme o que indica el iempo de a amien o de molienda en minu os. 2.3 Mé odos expe imen ales 2.3.1 OBTENCIóN DE LAS ISOTERMAS DE ADSORCIóN- DESORCIóN Las iso e mas de adso ción-deso ción de gas ni ógeno (N-45, 99.99 % de pu eza) se ob u ie on a la empe a u a del ni ógeno líquido (- 195 ºC) empleando un sis ema olumé ico con encional de adso ción de gases cons uido 61 Bol. Soc. Esp. Ce am. V. 48, 2, 59-68 (2009) EFECTO DEL TRATAMIENTO MECÁNICO POR MOLIENDA EN LAS PROPIEDADES TEXTURALES DE PIROFILITA en id io Py ex, simila al desc i o po Munue a (13), con alguna modi icación, que pe mi e alcanza una p esión de equilib io p óxima a la unidad. Se ob ienen así los olúmenes adso bidos (Vads exp esado en mL en Condiciones No males de Tempe a u a y P esión, CNTPxg-1) en unción de la p esión ela i a del adso ba o (P/P0). El peso de mues a empleado pa a la ob ención de la iso e ma de adso ción de ni ógeno ue de 0.5 g pesados en balanza analí ica que se e acua on p e iamen e has a una p esión de 10 o a empe a u a ambien e, seguida de calen amien o a 140 ºC du an e 2 ho as. 2.3.2 TRATAMIENTO DE LOS DATOS: áREA SUPERFICIAL ESPECíFICA Y DISTRIBUCIóN DE TAMAñO DE POROS El á ea supe icial especí ica ó supe icie especí ica, que co esponde al á ea ex e na del sólido accesible al ni ógeno gaseoso, se de e minó po aplicación de la clásica ecuación B unaue -Emme -Telle (BET) a los da os de la iso e ma de adso ción en su ango de alidez (14). Al se ampliamen e conocida, es a ecuación BET no se desc ibi á aquí. Po b e edad, sólo menciona en es e apa ado que a pa i de es a ecuación se ob iene el olumen necesa io de gas, medido en Condiciones No males de Tempe a u a y P esión (CNTP), pa a o ma una monocapa en la supe icie de la mues a (Vm) y una cons an e C (que engloba el calo de adso ción en la p ime a capa y el calo de licue acción del adso ba o) al ep esen a g á icamen e (P/P0)/Vads(1- P/ P0) en e a P/P0 y eniendo en cuen a el alo de 16.2 Å2 pa a la supe icie cubie a po una molécula de ni ógeno. Pa a ealiza un análisis ex u al más comple o, la aplicación del mé odo de la ec a “ ” de Lippens y De Boe (15) pe mi e es ablece la posible exis encia de mic opo os en las mues as es udiadas. Pa a cons ui las ec as se ob u ie on los da os de “ ” denominados “espeso es o g oso es expe imen ales de la capa adso bida” pa a cada p esión ela i a, según la ecuación = (15.47xVads)/SBET [1] La ep esen ación de Vads en e a los espeso es “ ” es ánda pe mi e la de ección de la p esencia de mic opo os de amaño in e io a 15 Å (<1.5 nm) si la o denada en el o igen esul a dis in a de ce o. Como pa ones “ ” se u iliza on los da os con an elación desc i os po De Boe (16). Asimismo, de las ep esen aciones “ ” se ob u ie on alo es de supe icie especí ica S a pa i de la pendien e de las ec as según la exp esión S = (15.47xVads)/ s [2] siendo s el espeso o g oso de la capa es ánda . A pa i de los da os de las iso e mas de adso ción- deso ción de ni ógeno se ealizó un cálculo de la dis ibución de amaño de po os, basado en la ecuación de Wheele como han desc i o en de alle Munue a (13) y F ipia e al. (17), en e o os. Po b e edad, simplemen e se menciona á que en dicha ecuación se conside a el olumen de po os (Vp), el olumen de la mul icapa adso bida en los po os de adio mayo que uno dado ( c) mien as que los po os de meno adio se encuen an llenos de líquido. Se iene en cuen a pa a ello la clásica ecuación de Kel in (17), la cual p edice o mación de menisco líquido po debajo de la p esión de sa u ación del apo , median e la cual se puede calcula el amaño de los po os de u ilidad pa a cálculos de su dis ibución. En la ecuación de Wheele se encuen a ambién una unción, denominada L( ) que, en p incipio, se desconoce. U ilizando el mé odo de C ans on e Inkley (17,18) incluyendo los g oso es o espeso es es ánda es de capa “ ” dados po Lippens y de Boe (15), se es imó dicha dis ibución de amaños de los po os en las mues as es udiadas. Es o se lle ó a cabo simplemen e a e ec os compa a i os pa a ilus a la e olución de es os ma e iales con el a amien o mecánico po molienda. La dis ibución de amaño de po os la suminis a un p og ama de o denado (19) que pe mi e aplica la ecuación BET a los da os expe imen ales, calcula el alo de supe icie especí ica, cu a “ ” y o os esul ados de in e és. Después se lle an a cabo las ep esen aciones g á icas de los esul ados ob enidos. 3. RESuLTADOS OBTEnIDOS y DISCuSIÓn En las Figs. 1-3 se p esen an las iso e mas de adso ción- deso ción de ni ógeno ob enidas a la empe a u a del ni ógeno líquido pa a es as mues as de pi o ili a o iginal P(0) y molidas a dis in os iempos, has a 325 minu os como máximo, como ya se ha desc i o en la pa e expe imen al. Así puede obse a se compa a i amen e el cambio g adual que expe imen a la o ma de las iso e mas de es as mues as. Es indica i o menciona que la mues a o iginal P(0) p esen a alo es mínimos de olúmenes de gas adso bidos que aumen an con o me lo hace el iempo de molienda. Los alo es máximos de Vads alcanzados po el ma e ial a ado se p oducen a los 30 minu os de molienda. A pa i de Fig. 1. Iso e mas de adso ción-deso ción de ni ógeno (g) a -195 ºC de pi o ili a o iginal y some ida a a amien o mecánico po molienda en molino de bolas du an e 10 y 15 min. 62 Bol. Soc. Esp. Ce am. V. 48, 2, 59-68 (2009) P. J. SÁNCHEZ-SOTO es e iempo dichos alo es disminuyen y, de una o ma p og esi a, se uel e a una si uación que es muy simila a la inicialmen e obse ada en la mues a P(0). Según las ecomendaciones de la IUPAC (20), las iso e mas ob enidas (Figs. 1-3) pod ían clasi ica se den o del ipo II que co esponde a la o ma no mal encon ada al es udia sólidos adso ben es no po osos o mac opo osos. En gene al, se ap ecian enómenos de his é esis poco p onunciados en e p esiones ela i as de 0.4 y 1, coincidiendo las amas de ambas iso e mas pa a alo es de p esiones ela i as in e io es a 0.4; po encima de es e alo , al aumen a el iempo de a amien o mecánico po molienda, exis en algunas di e encias en e las dos cu as. Es as di e encias se ap ecian especialmen e en las mues as P(30), P(32) y P(34), ol iéndose después a una si uación muy simila a la obse ada pa a la mues a P(0). Teniendo en cuen a las ecomendaciones de la IUPAC (20), las iso e mas de adso ción-deso ción de pi o ili a some ida a a amien o mecánico po molienda se pueden clasi ica pe enecien es al ipo h3, es o es, cu as obse adas en ag egados o pa ículas lamina es (“pla e- like pa icles”) que o iginan po os en o ma de endija, lo que cab ía espe a al se la pi o ili a un silica o lamina (7). Además, pa ece deduci se que exis e un p oceso de ag egación y aglome ación de las pequeñas pa ículas p oducidas en el a amien o del ma e ial al aumen a el iempo de molienda. Es e p oceso se puso de mani ies o en es udios mo ológicos p e ios empleando mic oscopía elec ónica de ba ido y u ilizando ambién o as mues as de pi o ili a (21,22). Los ag egados y aglome ados son i egula es y p og esi amen e an esul ando más densos, des uyéndose el ca ác e lamina inicial. No obs an e, se ha comp obado en es os es udios p e ios que los aglome ados es án cons i uidos po pa ículas pequeñas ag egadas muy ín imamen e en e ellas. Se conside a que al aumen a el iempo de molienda, la aglome ación de las pa ículas o iginadas se in ensi ica debido a la mayo ene gía supe icial de las mismas, como ocu e en o os sólidos (1-3,5,6). El cambio más impo an e en la pi o ili a se puede ap ecia que ocu e en e 30 y 32 minu os bajo las condiciones expe imen ales de molienda ( éase apa ado 2.2). En consecuencia, el á ea supe icial accesible al gas ni ógeno debe disminui , como e ec i amen e se comp ueba obse ando los esul ados de las Figs. 1-3. Sin emba go, la ene gía mecánica suminis ada debe consumi se en una mayo al e ación es uc u al del silica o, an o a la go como a co o alcance, como ya se puso en e idencia po di acción de ayos X (21-24) y espec oscopía de esonancia magné ica nuclea de es ado sólido de los núcleos de Si y de Al (25). De es e modo, se ha pues o de mani ies o que, e ec i amen e, en e 30 y 32 minu os se p oduce un g ado de up u a muy in enso en e las capas oc aéd ica y e aéd ica de la es uc u a 2:1 del silica o lamina (25). Median e la aplicación del modelo BET a la se ie de alo es ob enidos a pa i de las iso e mas an e io es, se ob ienen ep esen aciones lineales en un ango limi ado, desde 0.05 has a 0.35, de p esiones ela i as. La pendien e y o denada de dichas ec as pe mi en de e mina la cons an e C de la ecuación BET (que engloba el calo de adso ción en la p ime a capa y el calo de licue acción del adso ba o) y el olumen exac o de la monocapa (13-17,20). El alo de es a cons an e en la mues a P(0) es de 56 y se ele a a 212 en la P(10), alcanzado un máximo de 537 en la P(15), eniendo p ác icamen e el mismo alo (ca. 200) en las es an es mues as de pi o ili a molida a excepción de la P(325), en la que su alo es de 291. A pa i de Vm, se calcula on los alo es de supe icie especí ica. Es os alo es se ep esen an en la Fig. 4, donde se puede ap ecia su e olución con el iempo de molienda. Cabe des aca que la acción de segundos del molino de anillos empleado pa a la ob ención de la mues a o iginal P(0), como se desc ibió en la pa e expe imen al, pa ece habe sido co ec a pa a no p oduci cambios impo an es en la ex u a del ma e ial, pues se egis an mínimos alo es de supe icie especí ica, a pesa de lo in ensi o del disposi i o si se compa a con un molino de bolas. El alo máximo de supe icie especí ica que se p oduce anscu idos 30 min de molienda en molino de bolas es de 60 m2xg-1 que co esponde al á ea ex e na del sólido que es accesible al ni ógeno gaseoso. Si se compa a con los esul ados ob enidos en es a misma mues a median e aplicación del mé odo del pun o B, ya mencionado (7), los alo es ob enidos aquí son lige amen e supe io es pe o la e olución y cambios obse ados son simila es. La cu a de e olución de los alo es de supe icie especí ica p esen a un aumen o muy p onunciado desde alo es muy bajos has a el máximo de 60 m2xg-1 cuando se llega a los 30 min de molienda, lo que implica en onces mul iplica po 30 el alo inicial. A pa i de es e máximo, la supe icie especí ica disminuye con apidez a un alo de 41 m2xg-1 anscu idos 32 min, dec eciendo Fig. 2. Iso e mas de adso ción-deso ción de ni ógeno (g) a -195 ºC de pi o ili a some ida a a amien o mecánico po molienda en molino de bolas du an e 30 y 32 min. 63 Bol. Soc. Esp. Ce am. V. 48, 2, 59-68 (2009) EFECTO DEL TRATAMIENTO MECÁNICO POR MOLIENDA EN LAS PROPIEDADES TEXTURALES DE PIROFILITA p og esi amen e has a un alo de 7.5 m2xg-1 a los 325 min. Es e compo amien o es simila al obse ado en o os ma e iales some idos a a amien o mecánico po molienda, donde se comp ueba la exis encia de un lími e p ác ico de molienda (1-6,26,27), aunque en el caso de pi o ili a se ha conseguido ap ecia que es muy d ás ico al pasa de 30 a 32 min (Fig. 4), bajo las condiciones expe imen ales a las que se ha lle ado a cabo. Es e lími e queda de e minado po la endencia de las pa ículas p oducidas a eag ega se, es ableciéndose un equilib io en e la agmen ación y educción de amaño, que p oducen un aumen o del á ea supe icial especí ica, y la ag egación, disminuyendo és a úl ima. Así pues, es e lími e ha de ene se en cuen a a la ho a de educi el amaño de pa ículas po molienda de pi o ili a al conside a la como ma e ia p ima ce ámica, una ez es ablecidas unas condiciones expe imen ales de a amien o. Un ac o de in luencia en es e compo amien o de disminución de los alo es de supe icie especí ica es el siguien e. El p oduc o esul an e de la deg adación que se o igina en el a amien o mecánico po molienda puede llega a es a unido po un ma e ial cemen an e muy eac i o y amo o, o iginado ambién en la molienda, el cual ac úa de p o ec o pa a un pos e io aumen o de educción de las pa ículas al p og esa el iempo de a amien o (26). En las p ime as e apas de molienda, una se ie de p ocesos como son la deslaminación de es e silica o, plegado de las láminas y educción del amaño de las mismas, como se ha comp obado po mic oscopía elec ónica de ba ido (21,24), dan luga a un aumen o impo an e de los alo es de supe icie especí ica. Si aumen a el iempo de molienda, pueden in e acciona g upos ac i os supe iciales o iginados en la o u a del ma e ial, p oduciéndose una aglome ación de las pa ículas y disminuyendo, en consecuencia, el á ea supe icial accesible pa a el p oceso de isiso ción del gas ni ógeno. La p esencia de es os g upos ac i os supe iciales es muy impo an e en los denominados p ocesos de aglome ación mecanoquímica (5,6). Okuda y colabo ado es (28) es udia on la molienda en seco y húmedo de una mues a de pi o ili a de Japón en molino de bolas, sin desc ibi apenas de alles ex u ales, únicamen e encon ando alo es de supe icie especí ica en el ma e ial a ado po debajo del máximo ob enido en las condiciones expe imen ales u ilizadas en el p esen e abajo (Fig. 4). O os in es igado es, como Hayashi e al. (29) ambién ob u ie on en sus expe iencias de molienda de pi o ili a alo es de supe icie especí ica muy in e io es a los aquí mos ados; además, u iliza on adi i os que impiden la aglome ación de las pa ículas en la molienda, de ipo indus ial, de mezclas de pi o ili a con o os mine ales. La u ilización de disol en es y adi i os, los cuales se adso ben sob e la supe icie de las pa ículas del ma e ial some ido a a amien o mecánico po molienda, educe la ene gía supe icial de las supe icies de ac u a o iginadas po es e a amien o y, en consecuencia, e i an la e-ag egación y aglome ación como han demos ado di e sos au o es (2,26). Siguiendo la e olución de los alo es de supe icie especí ica en unción del iempo de molienda mos ados en la Fig. 4 y, de acue do con es udios an e io es sob e silica os lamina es (30), se pueden ap ecia e ec i amen e dos zonas de a iación que co esponden a dos p ocesos di e en es, Fig. 3. Iso e mas de adso ción-deso ción de ni ógeno (g) a -195 ºC de pi o ili a some ida a a amien o mecánico po molienda en molino de bolas du an e 34, 60, 120 y 325 min. Fig. 4. E olución de los alo es de supe icie especí ica SBET en m2xg-1 de la mues a de pi o ili a o iginal y some ida a a amien o mecánico po molienda a di e sos iempos ( , min). 64 Bol. Soc. Esp. Ce am. V. 48, 2, 59-68 (2009) P. J. SÁNCHEZ-SOTO conside ados p ocesos p ima ios y secunda ios. Los p ocesos p ime a ios gene an un aumen o de la ene gía lib e del sis ema y aumen a la capacidad de eacción química, es deci , la eac i idad del ma e ial. Es os p ocesos son los siguien es: dispe sión mecanoquímica acompañada po ans o maciones es uc u ales supe iciales y la ac i ación mecanoquímica, a ec ándose la es uc u a in e na y los enlaces químicos. La ene gía necesa ia pa a es os p ocesos se suminis a como ene gía mecánica abso bida. Los p ocesos secunda ios ienen luga espon áneamen e en el sis ema “ac i ado” y es án acompañados po una disminución de la ene gía lib e. Es os son: ag egación, de i ada de la eac i idad de las ue zas de cohesión; aglome ación, de i ada de las eacciones químicas en las supe icies de las pa ículas, y o os pos e io es como quimiso ción, eacciones supe iciales, ec is alizaciones y eacciones químicas en e ases sólidas, de g an in e és desde el pun o de is a de la sín esis de ma e iales (5,6). En el mismo sen ido que lo mencionado an e io men e, en es os p ocesos de educción de amaño de las pa ículas po molienda pueden ocu i enómenos como los indicados en in es igaciones, ya clásicas, po G egg (1), po los cuáles las pa ículas o as p oducidas po molienda ienden a edondea se y ag ega se. Es e úl imo p oceso iene su o igen en lo que se ha denominado como una “soldadu a en ío” de las pa ículas po impac o se e o del medio de molienda, en es e caso bolas y ja o del p opio molino plane a io con el ma e ial. Es e hecho se e a o ecido al disminui su amaño y aumen a el con enido en mic o ensiones, como se ha comp obado en es udios p eceden es que e ec i amen e aumen an (9,22,23), lo que da luga a una disminución ap eciable de la supe icie especí ica a medida que aumen a el iempo de a amien o mecánico. Los p ocesos de ag egación y e-aglome ación pueden ocu i de o ma na u al en sólidos pul e ulen os debido a las ue zas adhesi as que siemp e ac úan en e pa ículas de muy pequeño amaño, como son las p oducidas en el p ocesamien o de ma e iales po molienda. Los mecanismos de enlace en e pa ículas han sido discu idos en de alle po a ios au o es, po ejemplo Rump y Schube (31). En el caso de pi o ili a, Okuda y colabo ado es (28) mos a on que la o mación de ca gas nega i as basales po molienda, independien emen e del pH del medio, es án p obablemen e o iginadas po sus i uciones isomó icas en la capa e aéd ica en la es uc u a, con ibuyendo la capa oc aéd ica al aumen o de la densidad de ca gas nega i as a ele ados alo es de pH. En es e sen ido, me eció in e és in es iga las p opiedades supe iciales de pi o ili a o iginal y molida en lo que espec a a su eacción con iones H+ y OH- en medios de dis in a ue za iónica (NaCl). Después de algunas expe iencias y median e aplicación de un modelo ma emá ico (32), p opues o y desa ollado p e iamen e (33), se llegó a la conclusión que la mues a de pi o ili a molida 32 min, desc i a en el p esen e abajo, p esen a una a inidad mucho mayo po los iones OH- que po los H+ ap oximándose al compo amien o de la sílice (34). Asimismo, la asime ía de las cu as ob enidas, an o expe imen ales como eó icas, sugie e una p e e encia impo an e de la supe icie del ma e ial po el anión del elec oli o (en ese caso Cl-). También se ha obse ado un aumen o de la capacidad de cambio po molienda, pe o los alo es de Okuda y colabo ado es (28) esul a on se in e io es al ob enido en la in es igación p e iamen e ealizada (32). En o o silica o some ido a a amien o mecánico de molienda, pe o que ya inicialmen e poseía un alo impo an e de supe icie especí ica, se obse ó un ápido dec ecimien o de és a al aumen a el iempo de molienda (27). Dicho dec ecimien o se a ibuyó al colapso de los mic opo os p esen es inicialmen e en el ma e ial o iginal y, al mismo iempo, se o ma on g uesos ag egados de pa ículas según los esul ados de mic oscopía elec ónica. Es in e esan e des aca que incluso en expe iencias de labo a o io se pueden encon a aumen os y disminuciones impo an es de los alo es de supe icie especí ica, en ín ima elación con la es uc u a de los compues os que se o iginan po a amien o mecánico y de los p oduc os esul an es (35-39). Así pues, es impo an e es udia la o mación de mic opo os, si exis en, en ma e iales some idos a a amien o mecánico po molienda como es el caso p esen e. Las ep esen aciones “ ” de Lippens y de Boe (15) pe mi en ap ecia la posible p esencia de mic opo os en las mues as es udiadas. Las cu as “ ” ob enidas pa a las mues as molidas P(15), P(30) y P(32) u ilizando el pa ón co espondien e, según la ecuación [1], se ep esen an en la Fig. 5. En odos los casos se ob ienen líneas ec as que pasan po el o igen, indicando así que la adso ción de ni ógeno es á ocu iendo en mul icapas y no exis e con ibución de mic opo os. Es in e esan e menciona que al pasa de 30 a 32 minu os de molienda, pa ece deduci se de la cu a que se p oduce cie o g ado de condensación capila en los po os del adso ben e. Es di ícil de in e p e a es o, pe o debe es a muy elacionado con el inicio del p oceso de ag egación y aglome ación de las pa ículas de es e ma e ial, además Fig. 5. Rep esen aciones “ ” de pi o ili a some ida a a amien o mecá- nico po molienda en molino de bolas du an e 15, 30 y 32 min. 65 Bol. Soc. Esp. Ce am. V. 48, 2, 59-68 (2009) EFECTO DEL TRATAMIENTO MECÁNICO POR MOLIENDA EN LAS PROPIEDADES TEXTURALES DE PIROFILITA de un mayo g ado en la pé dida de la mo ología inicial de ca ác e lamina . Rep esen aciones “ ” de ipo lineal indica ían es uc u as no-po osas y con des iaciones hacia a iba o ascenden es indica ían exis encia de mesopo os; hacia abajo o descenden es, y/o cambios de pendien es, exis encia de mic opo os (16). De la pendien e co espondien e al amo lineal de cada cu a se calcula on los alo es de supe icie especí ica (S ) según la ecuación [2]. Los esul ados ob enidos más ep esen a i os de la e olución de pi o ili a molida se incluyen en la Tabla 1. Se puede ap ecia una buena conco dancia en e los esul ados de supe icie especí ica ob enidos median e aplicación de la ecuación BET y es os úl imos, siendo la di e encia en e ambos del o den de un ± 6 %, e incluso in e io , siendo meno aún a los 30 minu os de molienda, cuando se ha llegado al alo máximo de supe icie especí ica en es e p oceso de molienda (Fig. 4). La aplicación de un p og ama de cálculo a los da os de deso ción de las iso e mas (Fig. 1-3) y los ep esen ados en la Fig.5 suminis a, además, in o mación sob e la dis ibución del amaño de po os po el mé odo desc i o en la pa e expe imen al. Aunque se pod ía ealiza un análisis mucho más exhaus i o de es os esul ados, además de emplea o os mé odos asequibles en la bibliog a ía, se ha es imado con enien e ealiza es os cálculos siguiendo es udios p eceden es (13,36-38) a e ec os de compa ación y de egis o de la e olución del ma e ial molido. Los esul ados de la dis ibución ob enida pa a la deso ción se p esen an en la Fig. 6. Po una pa e, eniendo en cuen a lo expues o al comen a la o ma de las iso e mas de adso ción-deso ción (Figs. 1-3), que son del ipo h3 (20) obse adas en ag egados o pa ículas lamina es (se mencionan como “pla e-like pa icles”), en la pi o ili a some ida a molienda se o igina ían po os en o ma de endija. Po o a pa e, a la is a de los esul ados de la Fig. 6, se comp ueba el aumen o p og esi o de la con ibución de los amaños de po os o iginados po a amien o mecánico al alo de la supe icie especí ica, sob e odo aquellos de amaño comp endido en un ango en e 20 y 50 Å, disminuyendo después p og esi amen e es a con ibución al pasa po encima de los 30 minu os de molienda. Es de des aca la di e encia que se egis a en e las dis ibuciones de e minadas pa a las mues as P(30) y P(32), con una disminución impo an e de la con ibución de los po os de diáme os in e io es a unos 40 Å, lo que pod ía es a en conexión di ec a con el inicio del p oceso de ag egación y aglome ación de las pa ículas, como ya se ha comen ado, y que epe cu e en la disminución de la supe icie especí ica accesible a las moléculas de gas ni ógeno. Es in e esan e des aca que algunos au o es han mencionado la o mación de mic opo os en es os silica os 2:1 ( alco y pi o ili a) median e la acción combinada de, en p ime luga , un a amien o mecánico po molienda, seguido de un a aque químico de ipo ácido (HCl 4 M a 80 ºC du an e 2 h) al p oduc o molido (40,41). En el caso de pi o ili a, los esul ados ob enidos sugie en que los mic opo os p oceden de la eliminación del aluminio po lixi iación ácida de mues as molidas, pe o ambién exis e una con ibución de “mic opo os in apa icula es” p oducidos en el p oceso de molienda cuyo núme o dec ece al aumen a el iempo de molienda (41). Fig. 6. Es imación de la dis ibución de po os, calculada a pa i de los da os de deso ción de las iso e mas (Figs. 1-3), pa a las mues as de pi o ili a some idas a a amien o mecánico po molienda en molino de bolas du an e desde 10 has a 325 min. Po úl imo, se han de e minado ambién los olúmenes absolu os adso bidos a alo es iguales de p esiones ela i as, ob eniéndose los cocien es en e el olumen asociado a la mues a de pa ida P(0) y las some idas a a amien o mecánico po molienda, ob eniendo las cu as denominadas “ ” según se ha p opues o y aplicado en la bibliog a ía (42-44). Dichas ep esen aciones esul a on se p ác icamen e ho izon ales y se omi en po b e edad. De es e úl imo esul ado se puede deduci que la disminución del amaño de las pa ículas de pi o ili a, p oducidas en la molienda, o igina la a iación más impo an e de la supe icie especí ica obse ada en las mues as es udiadas (Fig. 4). A un esul ado análogo se ha llegado en el es udio de o os ipos de ma e iales some idos a p ocesos de molienda (36). 4. SuMARIO y COnCLuSIOnES En el p esen e abajo se ha es udiado el e ec o del a amien o mecánico po molienda en seco empleando un molino de bolas en las p opiedades ex u ales de pi o ili a, un silica o lamina que p esen a in e és como ma e ia p ima ce ámica y en la ab icación de e ac a ios, en e 66 Bol. Soc. Esp. Ce am. V. 48, 2, 59-68 (2009) P. J. SÁNCHEZ-SOTO o as aplicaciones de ele ancia. Pa a ello se han ob enido las iso e mas de adso ción-deso ción de gas ni ógeno a la empe a u a de ni ógeno líquido en los ma e iales a ados bajo unas condiciones expe imen ales es ablecidas. A pa i de los esul ados ob enidos, se ha encon ado que los olúmenes de gas adso bidos aumen an de o ma g adual al inc emen a se el iempo de molienda, siendo és os mayo es a los 30 minu os y disminuyen a pa i de es e iempo de a amien o, has a llega a una si uación muy simila a la del ma e ial o iginal. No se han obse ado enómenos de his é esis p onunciados en las iso e mas de adso ción-deso ción. Median e aplicación de la ecuación BET (14) en su ango de alidez a los da os de adso ción, se han de e minado los alo es de supe icie especí ica que co esponde al á ea ex e na del sólido accesible al ni ógeno gaseoso. La e olución de es e pa áme o ha pe mi ido comp oba , en p ime luga , su ápido inc emen o al aumen a el iempo de molienda desde un alo inicial de 2 m2xg-1 has a un máximo de 60 m2xg-1 a los 30 min de a amien o. El aumen o de supe icie especí ica se a ibuyó a una disminución del amaño de las pa ículas del silica o lamina po e ec o de la molienda. Sin emba go, se llegó a un lími e en es a educción a los 30 minu os po encima del cual las pa ículas comienzan a eag ega se y aglome a se median e un p oceso mecanoquímico de soldadu a en ío, o iginado po impac os en el medio de molienda y a una al a eac i idad supe icial de las pa ículas, disminuyendo p og esi amen e la supe icie especí ica. Es o úl imo coincide con el mayo g ado de al e ación es uc u al, como es la up u a del enlace en e las capas e aéd ica y oc aéd ica del silica o, que se p oduce en el ma e ial y la amo ización consiguien e, como ya se demos ó en es udios p eceden es (24,25). Con 325 min de molienda, iempo máximo de a amien o ealizado, el ma e ial ob enido p esen ó un alo de 7.5 m2xg-1. Asimismo, del es udio ex u al ealizado eniendo en cuen a los esul ados de olúmenes de gas absolu os adso bidos, a alo es iguales de p esiones ela i as, en elación al olumen asociado a la mues a o iginal y las modi icadas po molienda (42), se ha concluido que la a iación más impo an e de la supe icie especí ica obse ada en las mues as molidas es á asociada a la disminución del amaño de las pa ículas de pi o ili a p oducidas en la molienda. Se ha lle ado a cabo un análisis de las ep esen aciones “ ” (15), mul icapas de espeso “ ” ó espeso es expe imen ales de la capa adso bida pa a cada p esión ela i a. Dicho análisis ha mos ado la ausencia de mic opo os en el p oceso de isiso ción del gas ni ógeno po los ma e iales modi icados debido al e ec o de la molienda, deduciéndose que dicho p oceso se p oduce en mul icapas. Es os esul ados es án en conco dancia con lo que se obse a al es udia las iso e mas de adso ción-deso ción de los ma e iales modi icados po molienda, p opias de ag egados o pa ículas lamina es con po os en o ma de endija y sin mic opo os. En cuan o a la dis ibución de amaño de los po os que se p oduce en el ma e ial some ido a molienda, se ha ealizado una es imación po cálculo eniendo en cuen a los da os de deso ción de las iso e mas a e ec os de un análisis ex u al compa a i o. A pa i de los esul ados ob enidos, se ha comp obado un aumen o p og esi o de la con ibución de los amaños de po os, sob e odo los que es án comp endidos en e 20 y 50 Å al alo de la supe icie especí ica. Po encima de 30 minu os de molienda, es a con ibución disminuye p og esi amen e. Es de des aca la di e encia que se egis a en e las dis ibuciones de e minadas pa a las mues as P(30) y P(32), con una disminución impo an e de la con ibución de los po os de diáme os in e io es a los 40 Å. Es e esul ado se ha in e p e ado en elación con el inicio del p oceso de ag egación y aglome ación de las pa ículas o iginadas en la molienda y que epe cu e en la disminución del á ea supe icial accesible a las moléculas de gas ni ógeno. En de ini i a, como conclusión inal, es posible induci al e aciones impo an es en las p opiedades ex u ales de pi o ili a como consecuencia de un a amien o mecánico po molienda, en es e caso empleando un molino de bolas en seco, y que es án en elación di ec a con las al e aciones es uc u ales que dicho a amien o p oduce en el silica o. Ta b l a 1. Re s u l T a d o s d e l a s R e p R e s e n Ta c i o n e s “ ” p a R a m u e s T R a s s e l e c c i o n a d a s d e piRo iliTa s o m e T i d a a T R aTa m i e n T o m e c á n i c o p o R m o l i e n d a e n m o l i n o d e b o l a s a disTinTos T i e m p o s . Tiempo de molienda (min) Pendien e de la ep esen ación “ ” Coe icien e de co elación S (m2xg-1) SBET (m2xg-1)Δ 15 3.292 0.999 50.92 54.98 -5.84 30 3.856 0.994 59.65 60.00 -0.58 32 2.746 0.985 42.48 41.55 +2.24 Δ = [(S – SBET)/SBET] x 100 67 Bol. Soc. Esp. Ce am. V. 48, 2, 59-68 (2009) EFECTO DEL TRATAMIENTO MECÁNICO POR MOLIENDA EN LAS PROPIEDADES TEXTURALES DE PIROFILITA 5. AGRADECIMIEnTOS Es e abajo es á dedicado al D . D. José Luis Pé ez Rod íguez, P o eso de In es igación del CSIC, con ocasión de su 70 cumpleaños y al se di ec o de la Tesis Doc o al del au o (1986-1990). Asimismo, se ag adecen las acilidades p es adas pa a la ob ención de las iso e mas en el labo a o io del P o eso D . Juan Co nejo Sue o (IRNAS, CSIC) y la ines imable ayuda del D . Manuel Macías Azaña, P o eso Ti ula de la Uni e sidad de Se illa, a la ho a del a amien o de los da os expe imen ales con el p og ama de cálculo. También han sido muy impo an es y en iquecedo as pa a el au o las discusiones man enidas sob e es os esul ados, en su conjun o, con odos los an e io men e mencionados y con los P o eso es José Mª T illo de Ley a, Ca ed á ico de Química Ino gánica de la Uni e sidad de Se illa, y Jesús Sanz Láza o, P o eso de In es igación del CSIC (ICMM, CSIC). Se ag adece ambién la inanciación ecibida a un p eceden e p oyec o de in es igación (Re . MAT96-0507) que pe mi ió comple a y inaliza , en su iempo, es as in es igaciones. BIBLIOGRA ÍA 1. S.J. G egg, Su ace Chemis y S udy o Comminu ed and Compac ed Solids, Chem. Ind., 11, 611-617 (1968). 2. M. Somasunda an, Theo ies on g inding, p. 105-124 en: Ce amic P ocessing be o e i ing (eds. 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