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caolinita

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La caolinita ( / ˈ k eɪ . ə l ə ˌ n aɪ t , - l ɪ -/ KAY -ə-lə-nyte, - ⁠ lih- ; también llamada caolín ) [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] es un mineral arcilloso , con la composición química Al 2 Si 2 O 5 ( OH ) 4 . Es un mineral de silicato laminar , con una lámina "tetraédrica" ​​de tetraedros de silicato ( SiO 4 ) unida a una lámina "octaédrica" ​​de octaedros de aluminato ( AlO 2 (OH) 4 ) a través de átomos de oxígeno en un lado, y otra lámina similar a través de enlaces de hidrógeno en el otro lado. [ 8 ] [ 9 ]

La caolinita es un mineral blando, terroso y generalmente blanco ( arcilla filosilicatada dioctaédrica ), producido por la meteorización química de minerales de silicato de aluminio como el feldespato . Tiene una baja capacidad de contracción y expansión , así como una baja capacidad de intercambio catiónico (1–15 meq/100  g).

Las rocas ricas en caolinita y halloysita se conocen como caolín ( / ˈ k eɪ . ə l ɪ n / ) o arcilla china . [ 10 ] En muchas partes del mundo, el caolín adquiere un color rosa, naranja o rojo debido al óxido de hierro , lo que le confiere un distintivo tono rojizo . Las concentraciones más bajas de óxido de hierro dan como resultado colores blancos, amarillos o naranja claro en el caolín. A veces se encuentran capas alternas más claras y más oscuras, como en el Parque Estatal Providence Canyon en Georgia, Estados Unidos.

El caolín es una materia prima importante en muchas industrias y aplicaciones. Los grados comerciales de caolín se suministran y transportan en forma de polvo, terrones, fideos semidesecados o lodo . La producción mundial de caolín en 2021 se estimó en 45 millones de toneladas, [ 11 ] con un valor de mercado total de 4240 millones de dólares estadounidenses. [ 12 ]

Nombres

El nombre inglés kaolin fue tomado prestado en 1727 de los informes franceses de François Xavier d'Entrecolles de 1712 sobre la fabricación de porcelana de Jingdezhen . [ 13 ] D'Entrecolles estaba transcribiendo el término chino高嶺土, ahora romanizado como gāolǐngtǔ en pinyin , tomado del nombre de la aldea de Gaoling ("Cresta Alta") cerca de Ehu en el condado de Fuliang , ahora parte de la prefectura de Jingdezhen de la provincia de Jiangxi . [ 14 ] [ 15 ] El área alrededor de la aldea se había convertido en la principal fuente de caolín de Jingdezhen a lo largo de la dinastía Qing . [ 15 ] El sufijo mineralógico -ita se agregó más tarde para generalizar el nombre para abarcar minerales casi idénticos de otros lugares.

La caolinita también se menciona ocasionalmente con los nombres arcaicos lithomarge y lithomarga, del latín lithomarga , una combinación de litho- ( griego antiguo : λίθος , líthos , "piedra") y marga (" marga "). En un uso moderno más preciso, lithomarge se refiere específicamente a una forma compactada y masiva de caolín. [ 16 ]

Química

Notación

La fórmula química de la caolinita , tal como se escribe en mineralogía , es Al₂Si₂O₅ (OH) ₄ , [ 4 ] sin embargo , en aplicaciones cerámicas , la misma fórmula se escribe típicamente en términos de óxidos, dando como resultado Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O . [ 17 ]

Estructura

Estructura de la caolinita, mostrando los enlaces de hidrógeno entre capas.

En comparación con otros minerales arcillosos, la caolinita es química y estructuralmente simple. Se describe como un mineral arcilloso 1:1 o TO porque sus cristales consisten en capas TO apiladas. Cada capa TO consta de una lámina tetraédrica ( T ) compuesta de iones de silicio y oxígeno unidos a una lámina octaédrica ( O ) compuesta de iones de oxígeno, aluminio e hidroxilo. La lámina T se denomina así porque cada ion de silicio está rodeado por cuatro iones de oxígeno que forman un tetraedro. La lámina O se denomina así porque cada ion de aluminio está rodeado por seis iones de oxígeno o hidroxilo dispuestos en los vértices de un octaedro. Las dos láminas de cada capa están fuertemente unidas entre sí mediante iones de oxígeno compartidos, mientras que las capas se unen mediante enlaces de hidrógeno entre el oxígeno de la cara externa de la lámina T de una capa y el hidroxilo de la cara externa de la lámina O de la siguiente capa. [ 18 ]

Una capa de caolinita no tiene carga eléctrica neta, por lo que no hay cationes grandes (como calcio, sodio o potasio) entre las capas, a diferencia de la mayoría de los demás minerales arcillosos. Esto explica la capacidad de intercambio iónico relativamente baja de la caolinita. Los estrechos enlaces de hidrógeno entre las capas también impiden que las moléculas de agua se infiltren entre ellas, lo que explica el carácter no hinchable de la caolinita. [ 18 ]

Al humedecerse, los diminutos cristales laminares de caolinita adquieren una capa de moléculas de agua que provoca que los cristales se adhieran entre sí y le confieren a la arcilla de caolín su cohesión. Los enlaces son lo suficientemente débiles como para permitir que las placas se deslicen unas sobre otras al moldear la arcilla, pero lo suficientemente fuertes como para mantenerlas en su lugar y permitir que la arcilla moldeada conserve su forma. Al secarse la arcilla, se elimina la mayor parte de las moléculas de agua y las placas se unen directamente mediante enlaces de hidrógeno, de modo que la arcilla seca es rígida pero aún frágil. Si se humedece de nuevo, la arcilla volverá a ser plástica. [ 19 ]

Transformaciones estructurales

Las arcillas del grupo de la caolinita experimentan una serie de transformaciones de fase al ser sometidas a tratamiento térmico en aire a presión atmosférica.

Molienda

La molienda de alta energía del caolín da como resultado la formación de una fase amorfizada mecanoquímicamente similar al metacaolín , aunque las propiedades de este sólido son bastante diferentes. [ 20 ] El proceso de molienda de alta energía es muy ineficiente y consume una gran cantidad de energía. [ 21 ]

El secado

Por debajo de 100  °C, la exposición al aire con baja humedad provocará la evaporación lenta del agua líquida presente en el caolín. Con un bajo contenido de humedad, la masa se puede describir como seca como el cuero , y con una humedad cercana al 0% se la denomina completamente seca .

Por encima de 100  °C, se pierde el agua libre restante. Por encima de unos 400  °C, los iones hidroxilo (OH⁻ ) se pierden de la estructura cristalina de la caolinita en forma de agua: el material ya no puede plastificarse absorbiendo agua. [ 22 ] Esto es irreversible, al igual que las transformaciones posteriores; esto se conoce como calcinación .

Metacaolín

La deshidratación endotérmica de la caolinita comienza a 550–600 °C produciendo metacaolín  desordenado , pero se observa una pérdida continua de hidroxilo hasta 900 °C (1650 °F) . [ 23 ] Aunque históricamente hubo mucha controversia sobre la naturaleza de la fase de metacaolín, una extensa investigación ha llevado a un consenso general de que el metacaolín no es una simple mezcla de sílice amorfa ( SiO₂ ) y alúmina ( Al₂O₃ ) , sino más bien una estructura amorfa compleja que conserva cierto orden de largo alcance (pero no estrictamente cristalino ) debido al apilamiento de sus capas hexagonales . [ 23 ]  

Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 → Al 2 Si 2 O 7 + 2 H 2 O

espinela

Un calentamiento posterior a 925–950  °C convierte el metacaolín en una espinela de aluminio-silicio , a la que a veces también se hace referencia como una estructura de tipo gamma-alúmina:

2 Al 2 Si 2 O 7 → Si 3 Al 4 O 12 + SiO 2

Mullita plaquetaria

Tras la calcinación por encima de 1050  °C, la fase espinela se nuclea y se transforma en mullita laminar y cristobalita altamente cristalina :

3 Si 3 Al 4 O 12 → 2 [ 3 Al 2 O 3 · 2 SiO 2 ] + 5 SiO 2

Mullita de aguja

Finalmente, a 1400 °C aparece la mullita  en forma de agujas , lo que proporciona un aumento sustancial en la resistencia estructural y la resistencia al calor. Se trata de una transformación estructural, no química. Consulte la sección de gres para obtener más información sobre esta forma.

Aparición

Mina de caolín en la República Checa

La caolinita es uno de los minerales más comunes; se extrae, como caolín, en Australia , Brasil , Bulgaria , China , República Checa , Francia , Alemania , India , Irán , Malasia , Sudáfrica , Corea del Sur , España , Tanzania , Tailandia , Reino Unido , Estados Unidos y Vietnam . [ 2 ]

Los mantos de caolinita son comunes en Europa occidental y septentrional. La edad de estos mantos abarca desde el Mesozoico hasta el Cenozoico temprano. [ 24 ]

La arcilla caolinita se encuentra en abundancia en suelos formados por la meteorización química de rocas en climas cálidos y húmedos ; por ejemplo, en zonas de selva tropical . Al comparar suelos a lo largo de un gradiente hacia climas progresivamente más fríos o más secos, la proporción de caolinita disminuye, mientras que la de otros minerales arcillosos como la ilita (en climas más fríos) o la esmectita (en climas más secos) aumenta. Estas diferencias en el contenido de minerales arcillosos, relacionadas con el clima, se utilizan a menudo para inferir cambios climáticos en el pasado geológico, donde los suelos antiguos han sido enterrados y preservados. [ 25 ]

Una planta procesadora de caolín

En el sistema de clasificación del Instituto Nacional de Estudios e Investigaciones Agronómicas (INERA), los suelos en los que la fracción arcillosa es predominantemente caolinita se denominan caolisoles (de caolín y suelo). [ 26 ]

En Estados Unidos, los principales depósitos de caolín se encuentran en el centro de Georgia , en un tramo de la línea de cascadas de la costa atlántica entre Augusta y Macon . Esta área de trece condados se conoce como el cinturón del "oro blanco"; Sandersville es conocida como la "Capital Mundial del Caolín" debido a su abundancia de caolín. [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] A finales del siglo XIX, existía una activa industria minera de caolín a cielo abierto en el extremo sureste de Pensilvania, cerca de las ciudades de Landenberg y Kaolin , y en lo que hoy es la Reserva White Clay Creek. El producto se transportaba en tren a Newark , Delaware, en la línea Newark-Pomeroy , a lo largo de la cual aún se pueden ver muchas minas de arcilla a cielo abierto. Los depósitos se formaron entre el Cretácico superior y el Paleógeno inferior , hace aproximadamente entre 100 y 45 millones de años, en sedimentos derivados de rocas ígneas y metacaolín erosionadas. [ 14 ] La producción de caolín en Estados Unidos durante 2011 fue de 5,5 millones de toneladas. [ 30 ]

Una secadora Buell en el Reino Unido, que se utiliza para secar caolín procesado.

Durante el Máximo Térmico del Paleoceno-Eoceno, los sedimentos depositados en el área de Espluga Freda en España se enriquecieron con caolinita de una fuente detrítica debido a la denudación . [ 31 ]

Síntesis y génesis

Se presentan dificultades al intentar explicar la formación de caolinita en condiciones atmosféricas mediante la extrapolación de datos termodinámicos de las síntesis a alta temperatura más exitosas. [ 32 ] La Iglesia y Van Oosterwijk-Gastuche (1978) [ 33 ] pensaron que las condiciones bajo las cuales la caolinita se nuclearía pueden deducirse de diagramas de estabilidad, basados ​​como están en datos de disolución. Debido a la falta de resultados convincentes en sus propios experimentos, La Iglesia y Van Oosterwijk-Gastuche (1978) tuvieron que concluir, sin embargo, que había otros factores, aún desconocidos, involucrados en la nucleación de caolinita a baja temperatura. Debido a las tasas de cristalización muy lentas observadas de caolinita a partir de solución a temperatura ambiente Fripiat y Herbillon (1971) postularon la existencia de altas energías de activación en la nucleación de caolinita a baja temperatura.

A altas temperaturas, los modelos termodinámicos de equilibrio parecen ser satisfactorios para la descripción de la disolución y nucleación de la caolinita , porque la energía térmica es suficiente para superar las barreras energéticas involucradas en el proceso de nucleación . La importancia de las síntesis a temperatura ambiente y presión atmosférica para la comprensión del mecanismo involucrado en la nucleación de minerales arcillosos radica en superar estas barreras energéticas. Como indicaron Caillère y Hénin (1960) [ 34 ], los procesos involucrados deberán estudiarse en experimentos bien definidos, porque es prácticamente imposible aislar los factores involucrados por mera deducción a partir de sistemas fisicoquímicos naturales complejos como el ambiente del suelo . Fripiat y Herbillon (1971), [ 35 ] en una revisión sobre la formación de la caolinita, plantearon la pregunta fundamental de cómo un material desordenado (es decir, la fracción amorfa de los suelos tropicales) podría transformarse en una estructura ordenada correspondiente. Esta transformación parece tener lugar en suelos sin grandes cambios en el medio ambiente, en un período de tiempo relativamente corto y a temperatura (y presión ) ambiente.

La síntesis a baja temperatura de minerales arcillosos (con la caolinita como ejemplo) tiene varios aspectos. En primer lugar, el ácido silícico que se suministra al cristal en crecimiento debe estar en forma monomérica, es decir, la sílice debe estar presente en una solución muy diluida (Caillère et al., 1957; [ 36 ] Caillère y Hénin, 1960; [ 34 ] Wey y Siffert, 1962; [ 37 ] Millot, 1970 [ 38 ] ). Para evitar la formación de geles de sílice amorfos que precipitan de soluciones sobresaturadas sin reaccionar con los cationes de aluminio o magnesio para formar silicatos cristalinos , el ácido silícico debe estar presente en concentraciones inferiores a la solubilidad máxima de la sílice amorfa. El principio que subyace a este requisito previo se encuentra en la química estructural: "Dado que los iones polisilicato no tienen un tamaño uniforme, no pueden organizarse junto con los iones metálicos en una red cristalina regular". (Iler, 1955, p. 182 [ 39 ] ) 

El segundo aspecto de la síntesis a baja temperatura de caolinita es que los cationes de aluminio deben estar hexacoordinados con respecto al oxígeno (Caillère y Hénin, 1947; [ 40 ] Caillère et al., 1953; [ 41 ] Hénin y Robichet, 1955 [ 42 ] ). Gastuche et al. (1962) [ 43 ] y Caillère y Hénin (1962) han concluido que la caolinita solo puede formarse cuando el hidróxido de aluminio está en forma de gibbsita . De lo contrario, el precipitado formado será un "gel aluminosilícico mixto" (como lo  expresó Millot, 1970, p. 343). Si fuera el único requisito, se podrían obtener grandes cantidades de caolinita simplemente agregando polvo de gibbsita a una solución de sílice. Sin duda, se producirá un grado considerable de adsorción de la sílice en solución por las superficies de la gibbsita, pero, como se ha dicho anteriormente, la mera adsorción no crea la red laminar típica de los cristales de caolinita.

El tercer aspecto es que estos dos componentes iniciales deben incorporarse en un cristal mixto con una estructura laminar. A partir de la siguiente ecuación (dada por Gastuche y DeKimpe, 1962) [ 44 ] para la formación de caolinita

2Al(OH) 3 + 2H 4 SiO 4 → Si 2 O 5 •Al 2 (OH) 4 + 5H 2 O

Se puede observar que se deben eliminar cinco moléculas de agua de la reacción por cada molécula de caolinita formada. Gastuche y DeKimpe (1962) aportaron evidencia de campo que ilustra la importancia de la eliminación de agua de la reacción de la caolinita. Al estudiar la formación del suelo en una roca basáltica en Kivu ( Zaïre ), observaron cómo la presencia de caolinita dependía del "grado de drenaje" del área en cuestión. Se encontró una clara distinción entre áreas con buen drenaje (es decir, áreas con una marcada diferencia entre estaciones húmedas y secas) y áreas con drenaje deficiente (es decir, áreas perennemente pantanosas ). La caolinita solo se encontró en áreas con claras alternancias estacionales entre húmedas y secas. Tamura y Jackson (1953) destacaron la posible importancia de las condiciones alternas húmedas y secas en la transición de alófano a caolinita. [ 45 ] Moore (1964) también señaló el papel de las alternancias entre humectación y secado en la formación de caolinita. [ 46 ]

Síntesis de laboratorio

Las síntesis de caolinita a altas temperaturas (más de 100 °C [212 °F] ) son relativamente bien conocidas. Existen, por ejemplo, las síntesis de Van Nieuwenberg y Pieters (1929); [ 47 ] Noll (1934); [ 48 ] Noll (1936); [ 49 ] Norton (1939); [ 50 ] Roy y Osborn (1954); [ 51 ] Roy (1961); [ 52 ] Hawkins y Roy (1962); [ 53 ] Tomura et al. (1985); [ 54 ] Satokawa et al. (1994) [ 55 ] y Huertas et al. (1999). [ 56 ] Se conocen relativamente pocas síntesis a baja temperatura (cf. Brindley y DeKimpe (1961); [ 57 ] DeKimpe (1969); [ 58 ] Bogatyrev et al. (1997) [ 59 ] ).  

DeKimpe et al. (1961) describieron síntesis de caolinita en laboratorio a temperatura ambiente y presión atmosférica. [ 60 ] A partir de esos ensayos, el papel de la periodicidad se vuelve convincentemente claro. DeKimpe et al. (1961) utilizaron adiciones diarias de alúmina (como AlCl 3 · 6 H 2 O ) y sílice (en forma de silicato de etilo ) durante al menos dos meses. Además, se realizaron ajustes diarios del pH mediante la adición de ácido clorhídrico o hidróxido de sodio . Estas adiciones diarias de Si y Al a la solución, en combinación con las titulaciones diarias con ácido clorhídrico o hidróxido de sodio durante al menos 60 días, habrán introducido el elemento de periodicidad necesario. Solo ahora se puede comprender plenamente el papel real de lo que se ha descrito como el "envejecimiento" ( Alterung ) de los aluminosilicatos amorfos (como señaló, por ejemplo, Harder, 1978 [ 61 ] ). Por lo tanto, el tiempo no produce ningún cambio en un sistema cerrado en equilibrio; pero una serie de alternancias de condiciones que cambian periódicamente (que por definición tienen lugar en un sistema abierto) producirán la formación a baja temperatura de cada vez más caolinita de fase estable en lugar de aluminosilicatos amorfos (mal definidos).

Aplicaciones

Principal

En 2009, hasta el 70% del caolín se utilizaba en la producción de papel . Tras la disminución de la demanda por parte de la industria papelera, como consecuencia de la competencia con otros minerales y del impacto de los medios digitales, en 2016 la cuota de mercado se distribuyó de la siguiente manera: papel, 36%; cerámica, 31%; pintura, 7% y otros, 26%. [ 62 ] [ 63 ] Según el USGS , en 2021 la producción mundial de caolín se estimó en alrededor de 45 millones de toneladas. [ 64 ]

  • Las aplicaciones en papel requieren caolines de alta luminosidad, baja abrasión y baja delaminación. Para recubrimientos de papel, se utiliza para mejorar el brillo, la luminosidad, la suavidad y la receptividad a las tintas; puede representar hasta el 25 % de la masa del papel. Como carga de papel, se utiliza como extensor de pulpa y para aumentar la opacidad; puede representar hasta el 15 % de la masa. [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]
  • En las pastas cerámicas blancas , el caolín puede constituir hasta el 50% de las materias primas. En las pastas sin cocer, contribuye a la resistencia en verde, la plasticidad y las propiedades reológicas, como la velocidad de colada. Durante la cocción, reacciona con otros componentes de la pasta para formar las fases cristalina y vítrea. Con programas de cocción adecuados, es clave para la formación de mullita . Los grados más valorados tienen bajos contenidos de óxidos cromóforos, de modo que el material cocido tiene una alta blancura. [ 68 ] [ 66 ] [ 69 ] [ 70 ] En los esmaltes, se utiliza principalmente como agente de control reológico, pero también contribuye a cierta resistencia en verde. Tanto en esmaltes como en fritas, aporta algo de SiO 2 como formador de red vítrea y Al 2 O 3 como formador de red y modificador. [ 71 ]

Otros industriales

Médico

Productos cosméticos

  • Como relleno en cosméticos .
  • Para mascarillas faciales o jabón.
  • para tratamientos corporales de spa, como envolturas corporales, capullos o tratamientos localizados.

Arqueología

Geofagia

  • Los humanos a veces comen caolín por placer o para suprimir el hambre, [ 77 ] una práctica conocida como geofagia . En África, el caolín utilizado para tales fines se conoce como kalaba (en Gabón [ 78 ] y Camerún [ 77 ] ), calaba y calabachop (en Guinea Ecuatorial ). El consumo es mayor entre las mujeres, especialmente durante el embarazo, [ 79 ] y su uso a veces es dicho por las mujeres de la región como un hábito análogo al de fumar cigarrillos entre los hombres. La práctica también se ha observado en una pequeña población de mujeres afroamericanas en el sur de los Estados Unidos , especialmente en Georgia , probablemente traída con las tradiciones de los africanos mencionados anteriormente a través de la esclavitud . [ 80 ] [ 81 ] Allí, el caolín se llama tierra blanca , tiza o arcilla blanca . [ 80 ]

Ingeniería geotécnica

  • Los resultados de la investigación muestran que la utilización de caolinita en ingeniería geotécnica puede ser reemplazada alternativamente por illita, más segura, especialmente si su presencia es inferior al 10,8 % de la masa rocosa total. [ 82 ]

Usos a pequeña escala

Producción

La producción mundial de caolín por país en 2012 se estimó en: [ 85 ]

Propiedades típicas

Algunas propiedades típicas seleccionadas de varios caolines de grado cerámico son: [ 62 ]

Seguridad

El caolín se considera generalmente seguro , pero puede causar irritación leve de la piel o las mucosas. Los productos de caolín también pueden contener trazas de sílice cristalina , un carcinógeno conocido si se inhala. [ 86 ]

En Estados Unidos, la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) ha establecido el límite legal ( límite de exposición permisible ) para la exposición al caolín en el lugar de trabajo en 15  mg/m³ de exposición total y 5  mg/m³ de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) ha establecido un límite de exposición recomendado (REL) de 10  mg/m³ de exposición total y 5  mg/m³ de exposición respiratoria durante una jornada laboral de 8 horas. [ 87 ]

Véase también

Referencias

Citas

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