Minería y refinación: grafito | La-Tecnologia

En mi adolescencia, trabajé durante algunos veranos en un pequeño parque de diversiones como operador de atracciones. Mirando hacia atrás, toda la experiencia fue muy divertida, a pesar de que el salario mínimo de 3,37 dólares la hora y la exposición al clima voluble de Nueva Inglaterra, que va desde la lluvia helada hasta el calor tropical extremo que provoca un golpe de calor, no lo parecen. Así en ese momento.

Uno de mis trabajos, que recuerdo con mucho cariño, era conducir coches chocadores. Como todo lo demás en el parque, la atracción era vieja y desgastada, y el mantenimiento era una tarea diaria. Para evitar que el suelo de chapa de acero de la pista se oxidara, cada mañana teníamos que aplicar una capa de «pintura» de grafito. Era una tarea increíblemente complicada: si te manchabas las manos con un mínimo de mugre grasienta de color negro plateado, estaría ahí todo el día. Y durante los primeros paseos del día, antes de poner las cosas en el suelo, era menos probable que los invitados emocionados llenaran sus zapatos con cosas, y dado que todos siempre se subían al asiento del automóvil antes de sentarse en él, bueno, digámoslo Fue fácil determinar quién subió a los autos chocadores y quién atrás, especialmente cuando llevaba pantalones cortos blancos.

Las propiedades que hicieron que el grafito fuera ideal para los autos chocadores (resbaladizo, conductor de electricidad, resistente y barato) son también propiedades que lo hacen adecuado para innumerables procesos industriales. Estas cosas están apareciendo en todas partes y se están volviendo cada vez más importantes a medida que aumenta el ritmo de descarbonización del transporte. El grafito es un material sorprendentemente útil y bastante común, pero no es fácil de extraer y purificar. Así que echemos un vistazo a lo que se necesita para extraer y refinar el grafito.

Calor, presión y bichos.

La historia del grafito comienza hace dos mil millones de años, cuando los océanos estaban llenos de cianobacterias. Después de haber logrado el truco evolutivo de descubrir la fotosíntesis, estos organismos absorbieron casi una cantidad ilimitada de dióxido de carbono de la atmósfera precámbrica, convirtiendo las capas superiores del océano en una espesa sopa bacteriana. Cuando murieron, sus restos ricos en carbono se acumularon en el fondo del océano y finalmente quedaron enterrados bajo gruesas capas de sedimento, donde la presión y el calor podrían comenzar a hacer su química.

Si bien todas estas bacterias muertas son la fuente fundamental de grafito (sin mencionar todos los demás minerales de carbono, desde el carbón hasta el petróleo y los diamantes), el tipo exacto de grafito que se forma depende de las condiciones geológicas. La forma más abundante de grafito es el grafito en escamas, que se produjo cuando esas cianobacterias muertas formaron rocas y piedra caliza ricas en carbono que luego se vieron obligadas a condiciones de alta presión y temperatura debido a la actividad tectónica. Estas condiciones metamórficas produjeron rocas con cristales de grafito atrapados en su interior. El grafito amorfo, por otro lado, se formó cuando las cianobacterias muertas formaron depósitos de carbón, que luego fueron ingeridos en un horno de tierra. El calor y la presión quemaron todo menos el carbono del carbón, dejando casi en su totalidad carbono puro.

Independientemente de cómo se forme el grafito, los cristales de carbono casi puros le confieren propiedades químicas y físicas únicas. El grafito es un mineral muy blando, a menudo tan blando como el talco. Consiste en múltiples capas de carbono de un átomo de espesor apiladas una encima de otra, lo que ha llevado a la popularidad del grafito como lubricante. Anteriormente se pensaba que la lubricidad del grafito provenía de líquidos como el aire o el agua que quedaban atrapados entre estas capas monoatómicas, dándoles cierto deslizamiento, o simplemente del hecho de que las hojas individuales se separaban entre sí. Pero el pensamiento actual es que el grafito es resbaladizo porque las capas adyacentes están deformadas entre sí en un eje perpendicular a las líneas de las capas; Esto tiene el efecto de abrir la superposición entre las capas, permitiéndoles deslizarse unas sobre otras.

Además de su ductilidad, el grafito tiene un gran número de propiedades útiles, algunas de las cuales han sido explotadas desde la antigüedad. Las culturas neolíticas usaban grafito natural como colorante para la cerámica, y las propiedades refractarias del metal (solo se funde a temperaturas superiores a 3.600 grados Celsius) se han utilizado en procesos industriales de alta temperatura durante casi 500 años, como crisoles y moldes para hacer cerámica. Fundición de metales. Hoy en día, el grafito tiene una vertiginosa variedad de aplicaciones, apareciendo en todo, desde lápices hasta electrodos utilizados para fundir aluminio. Pero el mercado más nuevo y quizás más grande para el grafito es la fabricación de baterías para todo, desde teléfonos celulares hasta automóviles eléctricos. El grafito constituye aproximadamente el 95% del ánodo en la mayoría de las baterías de litio, y se necesitan entre 50 y 100 kg de grafito para fabricar las baterías de un coche eléctrico.

Burbujas plateadas

Sólo hay unos pocos lugares en el mundo donde existen vetas de grafito puro (Sri Lanka es la única fuente comercialmente viable de este tipo) y este grafito tiende a reservarse para usos especializados. Por lo tanto, como ocurre con la mayoría de los minerales comercialmente valiosos, la extracción y refinación del grafito depende de encontrar depósitos que contengan suficiente material para justificar el esfuerzo y el gasto que implica liberarlo de las rocas en las que está contenido. Las minas de grafito suelen ser minas a cielo abierto, con todos los equipos y procesos habituales: voladuras para liberar rápidamente enormes cantidades de mineral, enormes palas y camiones de transporte, y plantas trituradoras para reducir las rocas que contienen grafito a tamaños manejables.

Después de la trituración inicial, el mineral de grafito se muele hasta obtener un polvo fino. Para liberar grafito de la roca circundante o impurezas, el tamaño de las partículas debe ser más pequeño que las escamas de grafito dentro de la roca. Esto se logra mediante una serie de operaciones de molienda con molinos de bolas y molinos de barras. Dependiendo del tipo de roca y la forma del grafito, a veces se pueden utilizar ácidos para disolver las impurezas alrededor del grafito. Sin embargo, el grafito prácticamente se separa de las impurezas mediante algún tipo de proceso de flotación. El grafito es mucho menos denso que la roca circundante, lo que facilita la creación de una espuma que eleva el grafito a la parte superior del tanque de flotación, donde se puede raspar, dejando que las impurezas más densas se hunda. Los métodos de flotación tienen el beneficio añadido de facilitar la transferencia del grafito a diferentes procesos de la planta mediante bombeo.

La suspensión rica en grafito resultante de la flotación se somete a una serie de pasos para eliminar las impurezas residuales y aumentar la concentración de grafito. Estos pasos incluyen filtración, centrifugación y separación. A veces se utiliza un separador en espiral; El lodo fluye a través de una compuerta en espiral que contiene partículas más ligeras y el agua tiende a fluir a lo largo del borde exterior mientras que las partículas de impureza más densas se acumulan a lo largo de la parte interior de la presa. Cuando la suspensión de grafito alcanza la pureza deseada, se seca en un horno, se tamiza hasta un tamaño específico y se embolsa para su envío.

La producción mundial de grafito natural en 2021 alcanzó más de mil millones de toneladas. China produce aproximadamente el 80% de esa cantidad y la mayor parte del resto proviene de Brasil, Turquía e India. En este momento sólo existe una mina de grafito en América del Norte, en la mina Lac d’Ile en Quebec. Estados Unidos no tiene ninguna operación minera de grafito activa, aunque en el pasado ha habido minas en Montana y Alabama.

coca caliente

Sin embargo, los minerales naturales no son la única fuente de grafito. Los métodos para producir grafito sintético existen desde la década de 1890 y, aunque producen grafito de alta pureza, tienen un precio elevado. El grafito sintético se fabrica exponiendo carbono amorfo (no cristalino) a temperaturas extremadamente altas para reorganizar los átomos de carbono en la estructura cristalina adecuada. La elección de la materia prima es crucial si el proceso pretende producir grafito de alta calidad; El carbono debe haber pasado por una «fase intermedia» en algún momento de su historia térmica, ya que la mayor parte del trabajo de producir y alinear las unidades estructurales básicas de los cristales de carbono ya se había realizado. El tratamiento térmico final es en realidad solo un proceso de recocido que indexa las láminas de carbono uniatómicas en su forma en capas final.

Resulta que la materia prima ideal es un subproducto del refinado del petróleo: el coque o coque. Este material rico en carbono es esencialmente el material de bajo valor que queda después de hervir todos los destilados superiores, como el diésel y la gasolina. El coque es esencialmente una masa sólida de moléculas de cadena larga, principalmente carbono, pero con algo de materia orgánica volátil y un poco de agua atrapada en su interior, las cuales deben eliminarse calentando o calcinando el coque en un horno rotatorio horizontal. El proceso del grafito se lleva a cabo en un horno Atchison, que lleva el nombre de Edward Goodrich Acheson, quien se topó con el proceso del grafito sintético mientras buscaba una manera de producir carborundo sintético.

Un horno Acheson es esencialmente una enorme resistencia formadora de carbono: una cámara llena de coque calcinado con electrodos de grafito enterrados en cada extremo. El proceso del grafito comienza cuando una corriente masiva pasa a través de los electrodos de grafito, calentando la carga de coque a 2600°C aproximadamente. El proceso continúa hasta que se completa el proceso de grafito. Por lo general, esto sólo lleva unos días, pero el enfriamiento del horno y del grafito del interior puede llevar semanas. Este proceso se puede utilizar para producir polvo de grafito sintético en bruto, pero se utiliza más comúnmente para crear piezas de grafito, como electrodos para refinar metales. En este caso, el alquitrán de hulla se mezcla con coque antes de la cocción, para que actúe como aglutinante y dé más resistencia mecánica al electrodo de grafito.

Debido al coste de las materias primas y a la enorme cantidad de energía necesaria para producirlas, el grafito sintético cuesta aproximadamente el doble que el grafito natural. Hay algunas aplicaciones en las que esto tiene sentido; Los electrodos de fusión mencionados anteriormente son un buen ejemplo, ya que pueden fabricarse en su forma final. El grafito sintético también tiende a ser más adecuado para su uso en materiales compuestos como la fibra de carbono.

Ya sea natural o sintético, no se puede negar que obtener grafito es un asunto complicado: o quemamos diésel para hacer muchos agujeros en el suelo o seguimos refinando el petróleo para poder bombear megavatios de electricidad a través de los desechos. Es probable que nuestra necesidad de grafito aumente, por lo que es de esperar que alguien descubra una forma mejor.