Ulexita

ABSTRACT

This research is aimed for obtaining boric acid by reaction between ulexite and carbon dioxide (CO2), replacing the traditionally used sulfuric acid. The carbon dioxide when dissolved in water produces carbonic acid which reacts with the ulexite affording boric acid. This research was carried out at the laboratory, a way to validate the technical feasibility of the proposed method and to obtain a physicochemical design, equilibrium and reaction data.

*Corresponding author: rob_parra@hotmail.com

RESUMEN

En este trabajo de investigación se propone obtener ácido bórico, por reacción entre la ulexita y el dióxido de carbono (CO2), en sustitución del ácido sulfúrico, tradicionalmente empleado. El dióxido de carbono al ser disuelto en agua genera ácido carbónico que reacciona con la ulexita produciendo ácido bórico. Esta investigación se llevó a cabo a nivel laboratorio, a manera de validar la viabilidad técnica del método propuesto y obtener datos de diseño físico-químicos, de equilibrio y de reacción.

INTRODUCCION

El salar de Uyuni es el mayor desierto de sal continuo del mundo, con una superficie de 12 000 km2. Está situado a unos 3 650 msnm en el suroeste de Bolivia, en el departamento de Potosí dentro de la región altiplánica de la Cordillera de los Andes. El salar de Uyuni no sólo se constituye en una de las mayores reservas de litio en el mundo, sino que también cuenta con importantes cantidades de potasio, boro y magnesio, tal es así que en la salmuera se estima una reserva de 7,7 millones de TM de boro , con una concentración media de 466 mg/l [1] [13],

Sin embargo, el boro no solamente se encuentra en la salmuera del salar de Uyuni, sino también en el borde de la costra del salar, como ulexita –borato de sodio y calcio- en forma lenticular horizontal, superpuesta alternativamente a arcillas intermedias, dispuesta en capas de 50 a 300 m de diámetro y de 3 a 100 cm de espesor [10] [11]. Las reservas de boratos ubicadas en Río Grande, Challviri, Capina, Pastos Grandes y Laguani (sud-oeste potosino) que pueden ser explotables en condiciones económicamente favorables ascienden a 16 millones de TM de ulexita [3]. En resumen, de los dos tipos de fuentes de boro encontrados en nuestro país, las mayores cantidades de boro se encuentra en la costra salina del salar de Uyuni (7,7 millones de TM de boro). El boro que contiene la ulexita (2,2 millones de TM de boro) representa sólo el 22,22 % de las reservas encontradas en Bolivia.

Sin embargo, el mineral ulexita tiene una ley en boro de 13,34 % en peso, a diferencia del boro disuelto en la salmuera del Salar de Uyuni de a penas 0,05 %. Entonces, la ulexita por su alto contenido en boro es un mineral cuya explotación, beneficio e industrialización es de primerísima importancia para el país.

Aunque la ulexita tiene uso aprovechable en estado natural, este presenta inconvenientes debido a las impurezas que tiene, por lo que para poder usarlo en condiciones de mayor calidad es necesario convertirlo en ácido bórico u otro derivado de mayor valor agregado.

El ácido bórico es un compuesto químico que contiene boro, hidrógeno y oxígeno. Es un ácido débil. Existe en forma de cristales incoloros o de polvo blanco y es soluble en agua. Es un producto de boro comercialmente importante empleado frecuentemente como antiséptico, insecticida, producto ignífugo y conservante alimentario. También se emplea en adhesivos, detergentes, en la fabricación de cristal y papel [9].

Downloadable from: Revista Boliviana 42 de Química. Volumen 30 No1. Año 2013 http://www.bolivianchemistryjournal.org, http://www.scribd.com/bolivianjournalofchemistry

REVISTA BOLIVIANA DE QUÍMICA

Bolivian Journal of Chemistry Received 12 01 2013

Vol. 30, No.1, pp. 42-49, Ene./Jun. 2013 30(1) 42-49, Jan./Jun. 2013 Published 20 09 2013

El método tradicional para la obtención del ácido bórico a partir de ulexita es mediante el uso del ácido sulfúrico, según la siguiente reacción:

(1)

En nuestro país, el problema de esta metodología es el uso del ácido sulfúrico, que es sustancia controlada según la LEY DEL RÉGIMEN DE LA COCA Y SUSTANCIAS CONTROLADAS [5] ya que este sirve como precursor para la elaboración de cocaína. Esta Ley en su artículo 18o indica:

“La importación, exportación, elaboración y comercialización de sustancias químicas de uso industrial enumeradas en la lista V del anexo de la ley 1008 y las que se agreguen posteriormente, serán autorizadas, fiscalizadas y controladas por los organismos técnicos del Consejo Nacional Contra el uso indebido y tráfico Ilícito de drogas”. La adquisición y uso del ácido sulfúrico implica gran cantidad de controles y los trámites correspondientes se tornan perjudiciales para empresas productivas que usan este reactivo, con el supuesto preliminar de funcionarios gubernamentales, de que pueden ser desviados al narcotráfico y quién use este reactivo químico, según la Ley 1008, presumiblemente es culpable de narcotráfico y tiene que demostrar lo contrario. Además, de perjudicar al desarrollo industrial, este hecho ocasiona una distorsión de precios del ácido sulfúrico en nuestro país, elevándolo respecto a los precios internacionales. Por lo mencionado anteriormente, se puede apreciar que el uso industrial de ácido sulfúrico se torna complicado; además, conlleva una serie de controles periódicos para demostrar que no se desvíe este ácido al narcotráfico, lo que provoca que la industria en nuestro país se vea limitada y perjudicada en el uso libre del ácido sulfúrico. De esta manera nace la necesidad de buscar nuevas alternativas tecnológicas para reemplazar el uso del ácido sulfúrico en la fabricación de ácido bórico, en condiciones ventajosas, obteniendo buenos rendimientos.

El dióxido de carbono al ser disuelto en agua genera ácido carbónico que reacciona con la ulexita y se produce ácido bórico [8], de manera paralela se obtiene carbonato de calcio, carbonato de sodio y agua. Las reacciones químicas que se llevan a cabo son las siguientes:

(2)

(3)

Luego de la reacción química, el ácido bórico se purifica por cristalización, centrifuga, lava y finalmente se seca [9]. La variación de energía libre es el término de mayor importancia termodinámica en una reacción, hasta tal punto que sólo puede ocurrir si dicha variación de energía libre es negativa, es decir, si en las condiciones predominantes los productos de la reacción tienen menor energía libre que los reactivos [4].

(4)

Aplicada a este caso se tiene:

Los datos termodinámicos se muestran en la tabla 1 [12]:

(5)

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REVISTA BOLIVIANA DE QUÍMICA

Bolivian Journal of Chemistry Received 12 01 2013

Vol. 30, No.1, pp. 42-49, Ene./Jun. 2013 30(1) 42-49, Jan./Jun. 2013 Published 20 09 2013

Tabla 1.- Propiedades termodinámicas a 298,15 K

COMPUESTO

Na Ca B5 O9 8H2O

H2CO3

H3BO3

CaCO3

Na2CO3

H2O

-1318,50

-149,00

-231,60

-269,78

-250,40

-56,69

Reemplazando en la ecuación (5) se obtiene:

- 248,72 [Kcal/mol] (6)

Entonces, a 25 oC se tiene una energía libre negativa y el proceso transcurre de manera espontánea hacia el equilibrio. En esta reacción química, el gas reactivo (CO2) se burbujea a través de una solución que contienen partículas de sólido suspendidas, es decir, intervienen 3 fases: líquida, sólida y gaseosa, por lo que es una reacción heterogénea que transcurre según las siguientes etapas [4]:

Etapa 1: Absorción con reacción química (según ecuación 2) de la fase gaseosa a la fase líquida en la superficie de la burbuja, depende de la concentración del gas, del tamaño de la burbuja (agitación) y de la temperatura.

Etapa 2: Difusión en la fase líquida desde la superficie de la burbuja hacia el seno del líquido, está influenciada por la temperatura, concentración de H2CO3 en el líquido y agitación.

Etapa 3: Difusión del seno del líquido hasta la superficie externa de la partícula sólida, la velocidad de transferencia de masa del gas desde el seno de la solución hasta la superficie externa de la partícula sólida está determinada por la temperatura, el área superficial externa de las partículas de ulexita, la concentración másica de la partícula sólida y la concentración del gas en la superficie externa de la partícula.

Etapa 4: Reacción dentro de la partícula sólida, en esta reacción la fase líquida se puede considerar que la solución de H2CO3 es pura, y se encuentra en exceso, por tanto se puede decir que su concentración se mantiene constante en un tiempo moderado. Pudiendo expresar la ley de velocidad de primer orden con respecto al ácido carbónico. Entonces, la reacción en la partícula depende del tamaño de la ulexita, de la concentración del ácido carbónico y de la temperatura.

Etapa 5: Difusión interna del reactivo y productos en la partícula sólida, es dependiente de la temperatura, de la concentración de H2CO3 y tamaño de la partícula.

De acuerdo a lo anterior, cada paso puede verse como una resistencia para la velocidad de reacción global. El paso más lento se constituye la etapa de control.

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