Caracterización fisicoquímica de cuarzo en el municipio de La Playa de Belén, departamento de Norte de Santander

DOI: http://dx.doi.org/10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.3.a03

Investigación

Caracterización fisicoquímica de cuarzo en el municipio de La Playa de Belén, departamento de Norte de Santander

Physiochemical characterization of quartz in the municipality of La Playa de Belén-North Santander department

Lina Marcela Hoyos Palacio^*,
Edwin Espinel Blanco^**,
Yeixon Quintero Martínez^***

^* Ingeniera química, doctora en Ingeniería y Termodinámica. Coordinadora de la Línea de Nanotecnología y Biomateriales, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia. Contacto: lina.hoyos@upb.edu.co
^** Ingeniero mecánico, magíster en Ingeniería. Investigador del grupo GITYD, Universidad Francisco de Paula Santander, Seccional Ocaña, Ocaña, Colombia. Contacto: eeespinelb@ufpso.edu.co
^*** Ingeniero mecánico. Investigador del grupo GITYD, Universidad Francisco de Paula Santander, Seccional Ocaña, Ocaña, Colombia. Contacto: yquinterom@ufpso.edu.co

Como citar: Hoyos Palacio, L. M., Espinel Blanco, E., & Quintero Martínez, Y. (2015). Caracterización fisicoquímica de cuarzo en el municipio de La Playa de Belén, departamento de Norte de Santander. Revista Tecnura, 19(45), 41-51. doi: 10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.3.a03

RESUMEN

El cuarzo es un silicato, se presenta en una gran variedad de condiciones geológicas, aparece en muchas rocas ígneas y metamórficas, y es un constituyente principal de pegmatitas graníticas. Entre los minerales, el cuarzo es el más próximo a un compuesto químico puro y tiene propiedades físicas constantes. Debido a sus aplicaciones y usos, se convierte en un material que contribuye a mejorar las condiciones de vida del hombre, por tal razón se hace evidente la necesidad de conocer sus propiedades para proponer aplicaciones óptimas. Este trabajo describe las propiedades físicas y químicas del cuarzo en el municipio de La Playa de Belén, departamento de Norte de Santander, Colombia, mediante el uso de técnicas elementales. Se utilizan las técnicas de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) con analizador de energías dispersas (EDS), difracción de rayos X (DRX), análisis termogravimétrico (TGA) y diferencial termogravimétrico (DTG). Con este análisis se obtuvieron las características composicionales, químicas, morfológicas y se evaluó el comportamiento térmico de acuerdo con la composición.

Palabras clave: caracterización, cuarzo, fisicoquímicas, materiales, propiedades.

ABSTRACT

Keywords: characterization, materials, physicochemical, properties, quartz.

Los minerales son materiales que conforman las rocas de la corteza terrestre, son los que más abundan y están formados por silicatos, óxidos y otros compuestos de oxígeno, como carbonatos en cantidades mínimas (Mendoza, Baron Gonzalez, & Parra Vargas, 2007). Las diferentes asociaciones de minerales caracterizan las rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, y así como las venas minerales, las pegmatitas, las rocas meteorizadas y los suelos, tienen la facultad de dar información sobre las condiciones ambientales en que se formaron, sus componentes, la determinación de propiedades químicas y físicas. El suelo está constituido en gran parte por silicatos; los ladrillos, las piedras, el cemento y el vidrio empleados en la construcción son silicatos o se derivan de estos y son los materiales cerámicos más importantes (Cornellis, Cornelius, & Hurbult, 1996).

Existen otras razones por las cuales se deben estudiar los silicatos: el silicio es el elemento más abundante después del oxígeno, y el óxido de silicio, SiO₂, es el más abundante de todos los óxidos, siendo el cuarzo la forma más conocida (Holmes, 1980). Este compuesto forma una estructura ordenada regular y una irregular que se llama vidrio de cuarzo o sílice (Alipour & Denoyel, 2011). El cuarzo se emplea en aparatos ópticos y científicos, en chips de silicio, en la producción de vidrio (Anderson, 1998), es además la materia prima de artesanías, utensilios domésticos, producción de porcelanas, vidrios y objetos refractarios (Shackelford, 2010), tallado en lentes y prismas. A los usos ya mencionados se une su utilización como material de relleno en la preparación de resinas compuestas o composites dentales (Veranes, 2003), escoria activada alcalinamente autoclave mezclada con polvo de cuarzo (Rashad, 2012).

Los estudios sobre las propiedades y aplicaciones del cuarzo a través de técnicas elementales han permitido comprender este material (Leal, Cortona, & Pagan, 2005), la evolución de la cementación y la historia de la formación basada de isótopos de oxígeno en los cubrimientos de cuarzo (Hyodo, Kozdon, Pollington, & Valley, 2014), así como su aplicación en la técnica de deflexión de microbalanza de cristal de cuarzo y haz de sonda electroquímica combinado en disolventes eutécticas profundas (Hilman, Ryder, Zaleski, Ferreira , Beasley, & Vieil, 2014), entre otras muchas aplicaciones que tienen este mineral.

La caracterización fisicoquímica del cuarzo se realiza para conocer las propiedades de mayor relevancia de este mineral. Para esto se empleó una metodología descriptiva, el diseño de un plan de muestreo y técnicas elementales para la caracterización de materiales, las cuales permitieron conocer su composición química y morfológica; además se evaluó el comportamiento térmico de acuerdo con la composición.

METODOLOGÍA

Ubicación

La zona donde se extrajeron las muestras se encuentra ubicada en el municipio de La Playa de Belén, departamento de Norte de Santander, Colombia, a una altitud de 1.754 metros sobre el nivel del mar, bajo las coordenadas N 08°11 ’13,2” y W 073°16’22,3”, con una temperatura promedio de 21°C.

Selección de muestras

La selección de las muestras en el área de estudio se realizó por medio del diseño de un muestreo estratificado, como lo muestra la Tabla 1. Este método consiste en dividir el área de estudio en estratos sin que estos solapen o interfieran entre sí (Alfaro, 2002), de esta manera se logra obtener muestras representativas que permiten conocer las características del conjunto de rocas estudiadas. Para garantizar que todas las muestras tengan la misma posibilidad de ser elegidas, se estableció dividir el área de estudio en cuatro estratos, cada uno dividido a su vez en tres secciones; por cada sección se tomaron muestras de tres kilogramos, de las cuales se seleccionaron muestras al azar para comprobar la variabilidad o uniformidad.

El tamaño de la muestra tomada de campo se redujo al tamaño de estudio del laboratorio. Se realizó de acuerdo con el procedimiento definido en la Norma Técnica Colombiana NTC 3674, la cual describe las prácticas para la reducción del tamaño de las muestras de agregados, tomadas en campo, para realizar ensayos. De acuerdo con la norma se eligió trabajar con el Método B cuarteo.

Las muestras se redujeron en cantidad y tamaño, por lo cual se utilizó una porra para impactar las rocas y fragmentarlas hasta obtener partículas del tamaño de 75 micras. Además se utilizó un mortero de porcelana para macerar el mineral y conseguir partículas homogéneas.

Para determinar la humedad de las muestras de cuarzo se adaptó la norma mexicana NMX-L-159-SCFI-2003, la cual especifica el procedimiento para determinar las propiedades de la barita empleada en fluidos de perforación. Se utilizó el mineral en polvo con un tamaño de grano de 75μm pasante del tamiz número 200. Se usó una cantidad de 80 gramos de masa, medidos en una balanza digital marca Pioneer Ohaus Corp. Pinebrook, con una precisión de 0,05 gramos. Se vertió el mineral en recipientes secos de vidrio, se introdujeron en un horno digital de precisión marca Pinzuar Ltda., modelo PG 190, a una temperatura de ± 110 °C por un tiempo de 24 horas.

Determinación de la densidad

Esta propiedad del mineral se determinó por medio de la adecuación de la norma técnica colombiana NTC 221, la cual establece el método para establecer la densidad del cemento hidráulico. El material fue secado durante 24 horas a 100 °C, se pesó cada muestra de 63 gramos de tamaño de grano del pasante en tamiz número 200 (75μm), de acuerdo con el procedimiento descrito en la norma.

Las condiciones que se utilizaron para este caso de estudio son las siguientes: atmósfera oxidante de O2 (aire), la velocidad lineal de calentamiento fue de 10 °C/min y el límite máximo de temperatura de 700 °C.

Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), con analizador del Espectrómetro de Energías Dispersas (EDS)

El recubrimiento de las muestras se realizó en un equipo marca Denton Vacuum, y se utilizó recubrimiento de oro. El cuarzo fue adherido al soporte con cinta de grafito. El microscopio que se usó para analizar las muestras es marca Jeol JSM-6490LV.

Para el empleo de la técnica de difracción de rayos x se utilizó un equipo marca Panalytical, cuya referencia es X'pert PRO MPD. El tipo de radiación empleada fue radiación de cobre con una longitud de onda característica lambda (λ) de 1,5406 angstrom (Å). El barrido se realizó entre 6 y 70 grados, el paso fue de 0,013 grados y el tiempo por paso de 59 segundos. El tubo fue polarizado con una potencia de 1,8 kW (40 mAmp, 45kV).

RESULTADOS

Humedad

Donde,

m: es la masa inicial de la muestra, en gramos g.

m₂: es la masa de la muestra seca, en gramos g.

La humedad determinada por la práctica es menor que 0,1%, lo cual garantiza que las muestras estudiadas presentan bajo contenido de agua. Esto se debe a que los enlaces que unen el mineral son considerados de tipo iónico en el 50% y covalente en el otro 50%, lo que hace del cuarzo un mineral con enlaces químicos fuertes y por esta característica no lo afecta.

El método usado permitió determinar la densidad específica de las muestras de cuarzo. La práctica de encontrar la densidad de un mineral consiste en establecer la relación entre una cantidad determinada de masa y el volumen del líquido desplazado por dicha cantidad de masa en el frasco de Le Chatelier y se establece en la ecuación (2). Los valores de densidad encontrados se resumen en la  Tabla 3.

Donde,    

ρ: Densidad calculada del cuarzo (g/cm³).
m: es la masa de la muestra de cuarzo en gramos (g).
v_d: es el volumen desplazado (cm³).

La densidad de las muestras de cuarzo encontrada fue de 2,65 g/cm³ con ±0,01 g/cm³, que es igual al valor teórico estandarizado para el material de 2,65 g/cm³, lo cual evidencia la pureza encontrada en la composición química y la calidad del mineral.

La técnica usada permite comparar los termogramas obtenidos con datos teóricos y de esta manera determinar la presencia o no de materiales diferentes al cuarzo. En la figura 1. se observan los termogramas para las muestras 1, 4, 7 y 11.

Los termogramas permiten observar que alrededor de los 573 °C se presenta altas variaciones en las curvas pertenecientes a la derivada de la pérdida de masa (DTG). Esto se debe al cambio de fase cristalina de cuarzo-α a cuarzo-β, transición de tipo desplazativo que indica que el volumen de la muestra aumenta debido al cambio en las dimensiones de la red cristalina sin que se presente ruptura de los enlaces. Todos los termogramas presentan variación en la pérdida de masa y su derivada en el rango de temperatura comprendido entre 60 °C y 260 °C debido a la deshidratación de los silicatos y a la pérdida de peso.

Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), con analizador del Espectrómetro de Energías Dispersas (EDS)

En la figura 2 se presentan las micrografías con las cuales se evaluó las características morfológicas para cada una de las muestras observadas a 500 X. Las imágenes permitieron comprobar el tipo de fractura concoidal o en capas característica del cuarzo. Asimismo se observa la forma irregular de los cristales, un aspecto importante para la influencia si se utiliza como material industrial por la unión mecánica que se produce si se aglomera con otros compuestos.

En las micrografías a 100 X que se muestran en la figura 3 se observa que las partículas son irregulares en su forma y homogéneas la distribución de tamaño de grano, lo cual permite verificar y mejorar las apreciaciones de acuerdo con la superficie de los cristales y con ello la calidad del material porque se observa la superficie irregular y alisada característica del cuarzo. Asimismo, se observa que existe una gran distribución de partículas que van desde tamaños de 1pm hasta mayores de 75μm.

Con la finalidad de conocer la composición química de las muestras, se analizaron con una microsonda de dispersión energética, lo cual permitió determinar la composición química de las muestras de cuarzo (Tabla 4). Se encontró que todas las muestras son puras, excepto la primera, en la cual aparece una pequeña inclusión de hierro de 1,05% del peso total de la muestra debido a la contaminación durante la trituración.

La composición química del cuarzo corresponde a un mineral de alta pureza por su contenido único de SiO₂, que cumple con los requerimientos de calidad industriales tales como la cristalería, componentes ópticos, electrónico y como materia prima para la obtención de sílice fundida (Leal, Cortona, & Pagan, 2005).

Difracción de rayos X

Las intensidades encontradas en la difracción de rayos X se compararon con las descritas en el Manual de Mineralogía (Dana & Hurlbut, 1960). Se comprobó que las intensidades corresponden al mismo valor del intervalo angular 2θ, como se puede observar en los difractogramas de la figura 4, en la cual se aprecia que la única fase presente es del cuarzo, y complementa los resultados obtenidos mediante la técnica del espectroscopio de energías dispersas, en el cual se determinó la alta pureza de las muestras de cuarzo.

En los difractogramas se observan diferentes picos de intensidades de rayos X difractados por la muestra de cuarzo. El valor más intenso se toma como 100, se toman los otros dos picos más intensos y por regla de tres se halla la intensidad relativa (I/I₀). Los datos son comparados con la tarjeta 33116 de la base de datos PDF-2 Power Diffraction File, International Center Diffraction. Los resultados se resumen en la tabla 5.

Para calcular el tamaño de los cristalitos se utilizó la ecuación de Scherrer. Este método consiste en extraer la información del tamaño del cristalito. Si la red cristalina está libre de deformación y los cristales predominan de manera general en las muestras, entonces se puede estimar el tamaño promedio del cristal empleando la ecuación (3). Los resultados se resumen en la tabla 6.

β: es el tamaño promedio de cristal.

k: es el factor de forma del cristal y su valor es de 0,89.

λ: es la longitud de onda de la radiación utilizada (λ_Cu), que es de 1,5406.

θ: es la posición del pico de difracción.

FWHM: es el ancho a la altura media del pico de difracción de la muestra.

Con la caracterización del cuarzo del municipio de La Playa de Belén se encontró, por medio de las tres técnicas utilizadas y la determinación de la densidad, que el mineral es 100% puro, que lo categoriza como cuarzo de alta pureza, al estar por encima de 99,95% de composición de SiO₂.

Con el estudio realizado se establecieron las características del afloramiento de cuarzo del municipio, tales como la composición química elemental, el porcentaje de los elementos, la morfología y el comportamiento térmico con el cambio de temperatura.

Este trabajo se llevó a cabo en el marco del proyecto "Desarrollo de un sistema de monitoreo cardiaco vestible mediante el uso de nanosensores de base textil reforzados con nanotubos de carbono", el cual fue aprobado por el Sistema General de Regalías en el año 2010. La investigación realizada tiene como objetivo principal realizar la caracterización específica de cuarzos en una zona del país, de gran interés para futuras explotaciones y exploraciones mineras, que posibilite el uso de este material en el desarrollo de aplicaciones biomédicas.

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