Producción de carbonato de calcio de alta pureza a partir de dolomita: control de la morfología y mejora del valor del producto

01 Introducción: De la Recuperación de Recursos de Calcio a la Utilización de Alto Valor

La dolomita tiene un rango de temperatura de descomposición teórica de 730–900 °C. Entre 730 y 790 °C, se descompone en MgO libre y CaCO₃, mientras que el CaCO₃ se descompone alrededor de los 900 °C [2]. Según la relación Ca/Mg, la dolomita se puede clasificar en dolomita magnesítica (1.0–1.5), dolomita (1.5–1.7), dolomita microcalcítica (1.7–2.0), dolomita calcítica (2.0–3.5) y dolomita pura (1.648) [1].

Tras la separación eficiente de calcio y magnesio, cómo convertir los recursos de calcio separados en productos de carbonato de calcio de alto valor añadido con morfología controlable se ha convertido en un foco de investigación en el procesamiento profundo de la dolomita. Actualmente, a través de procesos como la carbonatación, la lixiviación con amonio y los métodos de ácido clorhídrico, se pueden preparar productos de carbonato de calcio de alta pureza con diversas morfologías, incluyendo formas cúbicas, en forma de huso, en forma de pelusa y vaterita, a partir de dolomita.

02 Principales Rutas de Proceso para la Preparación de Carbonato de Calcio

2.1 Método de Carbonatación para la Preparación de Carbonato de Calcio

El método de carbonatación produce carbonato de calcio ligero (nano) a través de un sistema de "calcinación-carbonatación". La purificación adicional produce productos de carbonato de calcio de alta calidad, mientras que el filtrado es una solución recuperable de Mg(HCO₃)₂ [2]. Sin embargo, dado que tanto el hidróxido de calcio como el hidróxido de magnesio participan en la carbonatación durante la preparación, la obtención simultánea de productos de carbonato de calcio e hidróxido de magnesio sigue siendo un desafío [4].

Yu Feng et al. [12] utilizaron una solución de dolomita refinada de alta concentración como materia prima para preparar bigotes de carbonato de calcio tipo aragonita con una alta relación de aspecto mediante el método de carbonatación. El estudio investigó los efectos de la temperatura de carbonatación, la velocidad de agitación, el caudal de CO₂ y el tiempo de envejecimiento. El producto de carbonato de calcio resultante alcanzó un rendimiento del 95%, una relación de aspecto de bigote de 30–35, un contenido de bigote del 99.7% y una blancura del 99.9%, con una distribución uniforme. El análisis del mecanismo indicó que el Mg²⁺ inhibió el crecimiento del carbonato de calcio tipo calcita y promovió el crecimiento del carbonato de calcio tipo aragonita, preferentemente a lo largo del plano cristalino (120).

2.2 Método de Lixiviación con Amonio para la Preparación de Carbonato de Calcio

El método de lixiviación con amonio implica la reacción de sales de amonio con cal de dolomita para obtener una solución de sal de calcio, seguida de la introducción de CO₂ para producir carbonato de calcio. Este método es fácil de operar, implica reacciones suaves y produce carbonato de calcio de alta pureza.

Fan Tianbo et al. [9] emplearon un método modificado de Solvay amoníaco-soda utilizando dolomita como materia prima sin aditivos orgánicos para preparar carbonato de calcio con un alto contenido de vaterita en condiciones alcalinas. La muestra resultante tuvo un área superficial específica de 32.653 m²/g y un tamaño de poro de 2.972 nm, proporcionando un espacio favorable para la carga de biomoléculas. El análisis del mecanismo reveló que el sistema tampón NH₄⁺-NH₃ no solo aumentó la sobresaturación del carbonato de calcio, sino que también mejoró el entorno de la solución, con cantidades traza de Mg²⁺ promoviendo la formación de morfologías cristalinas perfectas.

Jia Xiaohui et al. [8] lograron la síntesis controlada de carbonato de calcio metaestable vaterita y aragonita en un sistema de reacción CaCl₂-NH₃-CO₂ utilizando la solución de digestión rica en calcio obtenida. El contenido de vaterita alcanzó el 97.69%, con un área superficial específica de 32.653 m²/g y un tamaño de poro promedio de 2.972 nm.

2.3 Método de Ácido Clorhídrico para la Preparación de Carbonato de Calcio

Wu Feng et al. [2] utilizaron dolomita como materia prima, ácido clorhídrico como agente lixiviante y Ca(OH)₂ y NaOH como reguladores de pH para preparar carbonato de calcio ligero de grado industrial mediante el método de carbonatación. Los resultados mostraron que la calcinación de dolomita a 900 °C durante 30 minutos produjo dolomita ligeramente calcinada con un contenido de CaO de aproximadamente 64.14%. Bajo condiciones de lixiviación optimizadas (relación sólido-líquido de 1:4, agitación a 20 °C durante 60 minutos, envejecimiento durante 2.0 horas, ajuste del pH de la pulpa a 1.0 con ácido clorhídrico de 3.0 mol/L y agitación a 80 °C durante 30 minutos), la tasa de lixiviación de Ca²⁺ alcanzó el 99.38%.

Se utilizó un proceso de ajuste de pH por etapas para eliminar iones de hierro y manganeso. El filtrado se carbonató pasando CO₂ a un caudal de 100 mL/min bajo una velocidad de agitación de 800 r/min hasta que el pH de la suspensión alcanzó 7.6. Esto produjo carbonato de calcio ligero con un tamaño de partícula mediano D50 de 2.404 µm, una pureza promedio del 99.04% y una blancura promedio del 98.76%. El reemplazo parcial de NaOH con Ca(OH)₂ para ajustar el pH redujo efectivamente los costos químicos.

03 Control de Morfología del Carbonato de Calcio y Rendimiento de Aplicación

3.1 Preparación de Carbonato de Calcio con Morfologías Diversas

Ajustando las condiciones del proceso, actualmente se pueden preparar productos de carbonato de calcio con diversas morfologías a partir de dolomita:

• En forma de huso: Wang Xin et al. [11] produjeron CaCO₃ ligero tipo calcita con forma de huso, de aproximadamente 2 µm de longitud y 0.6 µm de ancho

• En forma de bigote: Yu Feng et al. [12] prepararon bigotes de carbonato de calcio tipo aragonita con una relación de aspecto de 30–35; Wang Dongyi et al. [10] produjeron bigotes de carbonato de calcio con una relación de aspecto de 20

• En forma cúbica: Deng Xiaoyang et al. [7] prepararon cristales de carbonato de calcio en forma cúbica con un tamaño de partícula promedio de 5–10 µm

• Vaterita: Jia Xiaohui et al. [8] y Fan Tianbo et al. [9] prepararon carbonato de calcio con contenidos de vaterita del 97.69% y morfologías bien definidas, respectivamente

3.2 Validación del Rendimiento de Aplicación

Fan Yuanyang et al. [5] realizaron experimentos de adición de PVC utilizando el producto de bigotes de carbonato de calcio preparado. Los resultados mostraron que el material de PVC alcanzó una deformación máxima a la tracción de 225% y una tensión máxima a la tracción de 13 MPa, lo que indica una tenacidad significativamente mejorada y proporciona un fuerte apoyo para la aplicación práctica.

Fan Tianbo et al. [9] prepararon carbonato de calcio con alto contenido de vaterita con un área superficial específica de 32.653 m²/g y un tamaño de poro promedio de 2.972 nm, ofreciendo características estructurales favorables para la carga de biomoléculas.

04 Conclusión

Se han logrado avances significativos en las tecnologías para preparar carbonato de calcio a partir de dolomita. En condiciones de laboratorio, la pureza del carbonato de calcio puede superar el 99%, con diversas morfologías de producto, incluyendo formas cúbicas, en forma de huso, en forma de bigote y vaterita, caracterizadas por un tamaño de partícula uniforme y alta blancura. El método de carbonatación, el método de lixiviación con amonio y el método de ácido clorhídrico ofrecen características distintas, lo que permite seleccionar la ruta de proceso adecuada en función de la morfología del producto objetivo y los requisitos de pureza. Con los continuos avances en la comprensión de los mecanismos de control de la morfología y la optimización de las condiciones del proceso, las perspectivas de aplicación industrial para la producción de productos de carbonato de calcio de alto valor añadido a partir de dolomita son prometedoras.