Imaginario Social e-ISSN: 2737-6362 julio - diciembre 2020 Vol. 3-2-2020 http://revista-imaginariosocial.com/index.php/es/index Recepción: 03 de abril 2019 Aceptación: 05 de junio 2020 1-16
Bibliographic review of the use of resulting sludge in
the salt purification process: an approach to the mechanical behavior of the
sludge inside a mixture of hydraulic cement mortar
Luis Eduardo Cock Bautista
Corporación Universitaria Minuto de Dios –
Centro Regional Zipaquirá. Zipaquirá, Colombia
https://orcid.org/0000-0003-2868-0848 -
Gonzalo Andrés Flechas
Corporación Universitaria Minuto de Dios –
Centro Regional Zipaquirá. Zipaquirá, Colombia
Programa de Ingeniería Civil
Resumen
El
artículo presenta una investigación exploratoria del tipo revisión
bibliográfica sobre el estudio del aprovechamiento de residuos minerales del
proceso de explotación de la sal gema como materia prima en ingeniería civil y
un acercamiento al comportamiento mecánico de lodos de salmuera en una mezcla
de mortero de cemento hidráulico. Tratar estos dos temas
tiene
por objeto presentar posibles soluciones a la problemática ambiental que surge
con la inadecuada disposición o uso final del residuo del proceso de
fabricación de sal conocido como lodo de salmuera. Los resultados se obtienen
en pruebas de resistencia a la compresión según norma NTC220 (Determinación de
la resistencia de morteros de cemento hidráulico usando cubos de 50mm o 50.8mm
de lado) con dos muestras para su análisis: una control y otra a la que se le
adicionó lodo de salmuera resultante del proceso de purificación de la sal
proveniente de las minas del municipio de Zipaquirá. Los resultados son alentadores en cuanto a
que las dos muestras alcanzan aceptables resultados de resistencia a la edad de
28 días, además que la revisión bibliográfica arroja hallazgos relevantes para
este comportamiento como una relación directa entre la concentración de
cloruros en roca y la resistencia que presenta. En conclusión, este primer
acercamiento del posible uso del material con fines ingenieriles invita a
ahondar en sus usos, con sus correspondientes nuevos ensayos como es el caso de
mejoramiento de bases en vías o su uso como material cementante suplementario.
Palabras
clave: Lodos de salmuera, mortero, pruebas de resistencia,
explotación, sal gema.
Abstract
The article presents an exploratory research of the
bibliographic review type on the study of the use of mineral residues from the
process of exploitation of gem salt as a raw material in civil engineering and
an approach to the mechanical behavior of brine sludge in a mixture of
hydraulic cement mortar. . Treating these two topics
aims to present possible solutions to the environmental problem that arises
with the improper disposal or final use of the residue from the salt
manufacturing process known as brine mud. The results are obtained in tests of
compressive strength according to the NTC220 standard (Determination of the
resistance of hydraulic cement mortars using 50mm or 50.8mm cubes on each side)
with two samples for analysis: one control and the other to which it added
brine mud resulting from the purification process of the salt from the mines of
the municipality of Zipaquirá. The results are encouraging
in that the two samples achieve acceptable resistance results at the age of 28
days, in addition that the literature review yields relevant findings for this
behavior as a direct relationship between the concentration of chloride in rock
and the resistance it presents. .In conclusion, this
first approach to the possible use of the material for engineering purposes
invites us to delve into its uses, with its corresponding new tests, such as
the improvement of road bases or its use as supplementary cementitious material.
Key word: Brine sludge, mortar, resistance tests, exploitation, rock salt.
Introducción
La sal es un producto esencial en la
vida diaria y es tan común su uso que se puede encontrar en las cocinas de
todos los hogares en diversidad de presentaciones. Además de ser un producto de
consumo diario, también fue un elemento económico de gran impacto en épocas
neolíticas o precolombinas (Filguns et al., 2013), ya que constituía un
material con valor tanto social como económico en las regiones en las cuales se
explotaba por lo que logró un rol de
intercambio entre bienes y servicios en la época. Un claro ejemplo de ello fue
el intercambio de sal de Zipaquirá por ollas de barro de Tocancipá: el historiador
Andrés Olivos Lombana, en su libro Olleros y Sembradores, así lo cuenta: “Desde
los tiempos muiscas y hasta finales del siglo XVII perduró el trueque. En este
caso los indios de Tocancipá llevaban sus ollas y algo de leña, y a cambio
recibían sal como pago”.
Hoy en día la sal sigue teniendo
protagonismo en la cotidianidad de las personas, es fundamental en la economía
de la región de la sabana de Bogotá y está presente en la dieta de los hogares
colombianos, en la manutención de animales y como materia prima de productos de
aseo. Sirve en el control de la fermentación en procesos de productos lácteos;
en la desinfección de aguas o en la industria química para la producción de
cloro y soda cáustica, así como en la producción de sulfato de sodio y ácido
clorhídrico (Agencia Nacional de Minería, 2019). En Colombia, como se observa
en la siguiente tabla, tiene diferentes usos en la industria:
Tabla
1
Usos
industriales de la sal en Colombia. (Agencia Nacional de Minería, 2019)
La sal, denominada químicamente como Cloruro
de sodio, bajo la fórmula NaCl, es un mineral que se encuentra en la naturaleza
y sus reservas son consideradas incalculables dada su variedad de fuentes de
obtención (Agencia Nacional de Minería, 2019) como los océanos en donde la sal
marina se extrae por secado, a través de evaporación solar, o mediante la
extracción minera de sal gema, también conocida como halita, mediante procesos
más avanzados como la disolución in-situ de la cual se hablará más adelante.
1.1
Explotación de la sal a nivel mundial y local
Una de las explotaciones más antiguas
de sal se encuentra en Muntanya de Sal en el municipio de Cardona,
perteneciente a la provincia de Barcelona en España. Se trata de la primera
mina de Europa Occidental que inició actividad entre 4200 a 4500 a. C. (Filguns
et al., 2013) y cuyo método de explotación fue a través del medio mecánico
usando piedras pulidas como herramientas de tallado. En la actualidad los
países que lideran la producción salina son China y Estados Unidos con una
producción anual de 69 y 43 millones de toneladas respectivamente, lo que
corresponde al 40 % de la explotación mundial (Agencia Nacional de Minería,
2019), les sigue India con 20 millones de toneladas y junto a éstos Canadá,
Alemania, Australia y Chile.
Colombia tiene una producción baja en
comparación con estos países ya que su explotación salinera anual está en un
promedio de 1,48 millones de toneladas, lo que corresponde a 0,2 % de la
producción mundial (Agencia Nacional de Minería, 2019). Las cinco concesiones
que se observan en la siguiente tabla son las encargadas de dicha extracción
minera:
Tabla 2
Concesiones de sal en Colombia. Valora
consultoría S.A.S
De estas concesiones, cuatro se
refieren a explotación de sal gema y solo una (Manaure) corresponde a producción de sal marina. Según
indicadores de la Agencia Nacional de Minería (2019) la demanda de sal en
Colombia corresponde a 2.154.225 toneladas para el año 2016. Según su origen,
el 95% de dicha producción es de sal marina sin purificar y el 5% restante
representa la extracción de sal gema o de mina;
no obstante a tan marcada diferencia, la demanda de esta última es
significativa por su uso como producto básico de la canasta familiar, luego de
un proceso de refinación.
El mercado de la extracción de sal en la
región de la Sabana de Bogotá, está dirigido principalmente al refinamiento
para consumo humano y como complemento alimenticio en animales, principalmente
ganado vacuno y equino. La concesión Brinsa S.A.S (Agencia Nacional de Minería,
2019) abarca el 87 % del mercado, con una preferencia del 92% de los
consumidores. El mecanismo de obtención de la sal en esta concesión es a partir
de la disolución in-situ que proporciona un producto más puro y con mejor
relación de costo eficiencia en la producción de sal para el consumo humano. La
Agencia Nacional de Minería (2019) reporta un aumento de demanda de sal de
consumo humano en Colombia, en los últimos cuatro años. El hecho de que la sal
haga parte de la canasta familiar en Colombia y que además mantenga su crecimiento
de demanda asegura un mercado estable y con proyección de extracción minera por
muchos años más.
Es innegable que la sal continúa siendo
un importante sector de la economía colombiana y que en respuesta a su demanda
la extracción de sal de gema se seguirá haciendo por lo que optimizar el manejo
de los residuos de su producción se convierte en un reto para esta industria.
1.2
Descripción geológica del domo y explotación de la sal en
Zipaquirá. Concesión Colsaminas Ltda
Según Amaya y Pérez (2016), las salinas
de Zipaquirá corresponden a un domo originado en la formación geológica
Chipaque donde el suelo se caracteriza por presentar limolitas negras y
arcillolitas negras bituminosas que son ricas en cristales de piritas y algunas
capas de lulitas que en lenguaje minero se conocen como rute y hacen parte del
estéril del yacimiento. La halita corresponde a un material característico por
sus cristales de color blanco, gris claro y oscuro que varía dependiendo de la
cantidad de impurezas carbonosas-arcillosas y que presenta una composición de
88 % de cloruro de sodio. Cabe resaltar que la composición del domo se
caracteriza en gran parte por el contenido de fragmentos de arcillolita que
corresponden a un material arcilloso asociado con el depósito de sal que fue
formado por el efecto de la erosión y que se presenta en la floculación de la
salmuera en el proceso de purificación de la sal.
Las excavaciones están divididas en
cuatro niveles que corresponden a Guasá, Potosí, Frabricalta y Subsabana, los
dos últimos niveles actualmente se encuentran en explotación. En el nivel
Subsabana hay cinco pozos de explotación por disolución In-situ, de los cuales
dos están activos (Amaya y Pérez, 2016) y de los cuales se obtiene la salmuera
para su posterior purificación en tanques de almacenamiento.
En los dos pozos del nivel Subsabana se
extrae sal con un 15 % de materia orgánica en su estado natural que es
necesario purificar para el consumo humano y animal. Esto se hace a través del
proceso de disolución In-Situ, técnica favorable económicamente pues evita la
explotación mecánica que es más costosa por la necesidad de excavaciones (Amaya
y Pérez, 2106) y consiste en la inyección de agua dulce por un tubo de 3” para su disolución de cloruros de sodio, el
agua salada denominada salmuera sube por la diferencia de presiones a través de
la tubería de 6” denominada tubería de producción , el líquido aislante se
bombea durante el proceso con el fin de crear una capa aislante y resistente
para evitar el colapso del pozo como se observa en la figura 1. (Colsalminas,
2018).
Figura 1. Sistema de explotación por disolución
in-situ. Colsalminas Ldta
La sal gema es disuelta en agua fría o caliente
para separarla del material rute. La salmuera cruda resultante de este proceso
se transporta a tanques o piscinas de almacenamiento donde por procesos
fisicoquímicos se purifica al añadir carbonato de sodio y soda cáustica que
precipitan la materia orgánica y los trazos de oligoelementos. Finalmente, se
pasa a una etapa de evaporación en donde la acción de grandes temperaturas
producidas por una caldera elimina el agua para obtener granos de sal blancos y
finos. (Colsalminas, 2018)
1.3
Residuos de la explotación sal gema de Zipaquirá y su impacto en el
ambiente
La actividad minera causa impactos
ambientales negativos por la generación de residuos en sus procesos de
explotación. En la actualidad son limitadas las investigaciones que se centran
en el estudio del comportamiento de dichos residuos, en especial en aquellos
que se generan en la explotación de la sal gema.
De acuerdo con Rodas (2007) en España
la explotación de la sal ha provocado grandes impactos por la generación de
desechos mineros que se encuentran dispuestos en escombreras que pueden
alcanzar los 100 metros de altura. El autor aclara que la mayoría de estos
residuos tienen comportamientos diferentes a los de un suelo ya que, entre
otros aspectos, tienen un peso específico menor, una alta solubilidad en el
agua y una capacidad importante de cementación. Conocer las propiedades
geotécnicas de estos materiales es fundamental para determinar la estabilidad
de los centros de acopio de los residuos mineros de la sal que teniendo
presente que se clasifican como lodos residuales.
Hernández et al. (2006) manifiestan que lodos son residuos de difícil
disposición por sus componentes tanto físicos como químicos y la falta de
lugares de acopio hace de estos un
material de tratamiento especial. Colombia no es la excepción considerando que
es un país donde la extracción minera de la sal es activa. Actualmente, en la
producción de sal en las minas de Zipaquirá, se genera 800 kilogramos de lodos
al día (Colsalminas, 2019) los cuales requieren de una disposición final
adecuada para mitigar los efectos en el medio ambiente, puntualmente en el suelo ya que, al contener
una alta concentración de cloruro de sodio, hace de este residuo minero un
componente que afecta la fotosíntesis de la capa vegetal y de las plantas
causando deterioro y desertificación del terreno al cambiar las características
físicas y químicas del suelo (Olivia et al., 2008), además de la posible
filtración de los elementos minerales a los cuerpos hídricos en la zona
afectando su composición y posible potabilidad (Malcebo, 2008).
Para el caso de las minas de sal de
Zipaquirá, la generación de los lodos se presenta entre el proceso de
purificación de la sal gema en donde a través de la aplicación de la soda
cáustica y carbonato de sodio se obtiene un residuo lodoso cuya disposición,
manejo y tratamiento son del todo ausentes al no contar con escombreras
especializadas para el acopio de este material subproducto del proceso de la
sal yodada. (Colsalminas, 2018)
1.5 Aprovechamiento de los residuos
minerales en la mina de sal de Zipaquirá
En la actualidad no se presenta ningún
proyecto o propuesta dirigida al aprovechamiento de los residuos minerales
generados por la explotación de sal en Colombia y más precisamente en
municipios como Zipaquirá, Sesquilé y Nemocón. Se encuentra un campo de estudio
no explorado y abierto a posibles investigaciones del comportamiento mecánico
de los lodos provenientes de las minas
de sal de gema de esta región. En el documento “Obtención del yeso
presente en las piscinas de salmuera, su posterior extracción y
comercialización para la empresa ecuatoriana de sal” (Rodriguez, 2016) se
demuestra la importancia de consolidar un estudio de los residuos salinos y de
esta manera realizar su aprovechamiento en aspectos de ingeniería civil como lo
manifiesta Rodríguez (2016) en donde el yeso obtenido de la decantación de la
sal marina es utilizado como material adicional en la producción del cemento o
en la construcción de paneles de yeso para paredes.
Por otro lado el uso del Cloruro de
Sodio, como estabilizante en la estructura del pavimento, en la construcción de
vías es un componente que aumenta el tiempo de humedad para aquellos suelos que
lo requieren, ya que es capaz de absorber la humedad del ambiente creando una
barrera para evitar que se evapore rápidamente e incrementando la densidad seca
máxima a la vez que reduce la humedad óptima. (Roldán, 2010). Esta
caracterización del cloruro de sodio en actividad de la ingeniería civil,
propicia una pregunta de investigación en relación a la pertinencia del posible
uso de lodos en la construcción de bases y sub-bases por su alto contenido de
cloruro de sodio.
Teniendo en consideración lo expuesto y
dada la poca bibliografía relacionada con el tema de discusión, es pertinente
realizar una exploración del comportamiento mecánico del material residuo
mineral de la sal gema como adición a de una mezcla de mortero y realizar
pruebas de laboratorio de acuerdo con la normativa NTC 220 con la variación de
adicionar 25% del lodo seco en relación a la cantidad de cemento UG sugerido
por la norma, con el fin de identificar la variación de la resistencia a las
edades de 7, 14 y 28 días.
Materiales y Métodos
2.1
Caracterización del material
La empresa Colsalminas ltda realizó una
caracterización del lodo de salmuera en el año 2012 a través de un laboratorio
acreditado con los estándares técnicos de calidad, dicha caracterización
muestra una variedad de sustancias que componen el residuo extraído del tanque
de tratamiento de salmuera de la mina de sal en el municipio de Zipaquirá. En
la tabla 3, correspondiente a la caracterización de este material, se evidencia
un alto contenido de cloruros. Tabla 3
Caracterización
de residuo lodo de salmuera. Colsalminas (2018)
2.2
Secado y molienda
Las pruebas
se realizaron en el laboratorio de suelos de la Corporación Universitaria
Minuto de Dios, ubicada en el municipio de Zipaquirá, Colombia; a una altura de
2650 metros sobre el nivel del mar y una temperatura promedio de 14°C.
El lodo de salmuera proveniente de la
mina de sal de Zipaquirá, bajo el consorcio de explotación Colsalminas, se
llevó a un horno eléctrico a una temperatura de 105 grados Celsius durante 24
horas (figura 2) con la finalidad de obtener un material seco, posteriormente
se pasó el material por un tamiz de 300 micras (figura 3). El material mayor al
diámetro de la malla se trituró con un martillo de goma hasta obtener la finura
homogénea adecuada para la mezcla.
Figura 2. Proceso de secado del lodo. Laboratorio de
Suelos, Corporación Universitaria Minuto de Dios, Sede Zipaquirá.
Figura 3. Proceso de tamizado del material. Laboratorio
de Materiales Corporación Universitaria Minuto de Dios, sede Zipaquirá.
2.3
Mezcla y especímenes
Para comparar el comportamiento
mecánico del mortero con y sin adición de lodo de salmuera se procedió a
realizar una prueba de acuerdo con la norma NTC 220. Se formaron dos
especímenes: el tipo 1 al que se le adicionó un 25% de lodo de salmuera y el
tipo 2 es la muestra control de acuerdo con la mezcla típica sugerida en la
norma, respecto a la cantidad de cemento dispuesta en la norma.
Para el espécimen tipo 1, se formaron
nueve cubos de mortero, se le adicionó un
25% de lodo de salmuera respecto a la cantidad sugerida en la norma para
cemento; y se dejó la composición sugerida en la norma para el resto de
materiales, tal como se observa en la siguiente tabla:
Tabla 4 Composición de los morteros con adición
de Lodo de Salmuera, espécimen 1.
|
Material |
9 cubos |
|
Cemento UG, g |
740 |
|
Arena, g |
2035 |
|
Agua si
se usa cemento UG, ml. |
242 |
|
Lodo de Salmuera, g. |
185 |
Figura
4. Espécimen Tipo 1
Para el caso del espécimen tipo 2
muestra control, igualmente se formaron nueve cubos de mortero con la siguiente
composición de acuerdo con la norma NTC220 (tabla 5):
Tabla 5 Composición de los morteros,
espécimen 2. Norma Técnica Colombiana, NTC 220.
|
Material |
9 cubos |
|
Cemento UG, g |
740 |
|
Arena, g |
2035 |
|
Agua si
se usa cemento UG, ml. |
242 |
Figura 5. Espécimen Tipo 2.
El Instituto Colombiano de Normas
Técnicas y Certificación ICONTEC, NTC 220, resume este método de ensayo de la siguiente
forma: “Las proporciones en masa para formar el mortero usado están compuestas
de una parte de cemento y 2,75 partes de arena. Los cementos Pórtland con
incorporadores de aire son mezclados con una relación agua/cemento
especificada. Los cubos de ensayo de 50 mm ó 50,8 mm se apisonan en dos capas.
Los cubos son curados un día en los moldes, luego se desmoldan y se sumergen en
agua con cal hasta el momento del ensayo.”
Cada uno de los dos grupos de 9 cubos
fue enviado a un laboratorio acreditado para ser fallados a 7, 14 y 28 días de
edad para conocer su carga y resistencia.
Resultados
Las pruebas de compresión, tanto para
el espécimen control como para el que tuvo una adición de lodo de salmuera,
realizadas para edades de 7, 14 y 28 días, tiene tendencias de crecimiento, y
en los dos casos alcanzaron más de 28 MPA de resistencia a los 28 días de edad.
Denota especial comportamiento el espécimen 1
(figura 6), que contiene la adición de lodo de salmuera ya que en la edad de 7
y 14 días alcanzó un mejor comportamiento que la muestra control respecto a la
resistencia alcanzada en 17% y 14% respectivamente; mientras que a los 28 días
de edad cambió la tendencia encontrándose un mejor comportamiento de la muestra
control en un 5%.
Figura 6:
Resultados Edad Vs. Resistencia.
Ahora bien, el similar comportamiento de las
muestras describe un funcionamiento aceptable del nuevo material adicionado.
Con estos resultados se torna evidente realizar el ensayo cambiando parte de la
dosificación de cemento con el material objeto de estudio para darle uso como
un tipo de MCS Material Cementante Suplementario.
Sin embargo, no es del todo claro el
comportamiento del espécimen tipo 2 después de los 14 días ya que se observa un
cambio leve en la tendencia de muestra su curva de resistencia. Se requiere
optar por nuevos estudios, así como fallar los cubos a mayor edad.
Es evidente, dada la presente revisión
bibliográfica, que el aprovechamiento de los residuos provenientes del proceso
de extracción de la sal de gema, puntualmente del lodo de salmuera, es benéfico
para el medio ambiente, toda vez que no hay un lugar de disposición final de
dicho material. Los alentadores resultados de su uso como material cementante
suplementario invitan a ahondar en su estudio.
Discusión
La presente revisión bibliográfica
muestra que no se cuenta con suficientes estudios publicados sobre el aprovechamiento
del lodo de salmuera proveniente del proceso de fabricación de sal por el
método in-situ en minas de sal de gema. Teniendo en cuenta el impacto negativo
que este material presenta, principalmente en los suelos donde se hace su
disposición final, es recomendable ahondar en esta y otras posibles
investigaciones que tengan por objeto el aprovechamiento de este material en
otros procesos productivos.
Los
resultados del ensayo basado en la norma NTC 220 fueron aceptables para la
muestra con proporción del 25% de lodo de salmuera adicionado respecto a la
cantidad de cemento que determina esta norma por tener comportamientos
similares con la muestra control. Dichos resultados motivan a continuar
haciendo estudios sobre el uso de este material en el mortero hidráulico. Para
su uso como MCS se requiere que los nuevos estudios no tengan la dosificación
de lodo de sal como adición a la mezcla sino como material suplementario en
ella.
Según Colsalminas (2018) el comportamiento
mecánico de la roca en referencia a la resistencia está determinado por el
contenido de cloruro, es decir a mayor concentración de cloruro de sodio mayor
será también su resistencia lo que podría argumentar el comportamiento
particular de los lodos de salmuera en las dos primeras edades, sin embargo es
necesario observar si dicha dinámica es constante con porcentajes de contenido
de lodo a 50% o 75% en la mezcla de mortero.
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