Industrial mineral suspension treatment with alkali dissolved cellulose-based flocculants

En la industria minera, el proceso de extracción de minerales valiosos de las rocas a menudo deja atrás un lodo turbio de agua y partículas diminutas y persistentes. Estas finas motas de polvo mineral son difíciles de gestionar; se niegan a hundirse naturalmente, manteniendo el agua turbia y evitando que se recicle de nuevo en la fábrica. Si esta agua turbia se libera al medio ambiente, puede bloquear la luz solar que llega a los lechos de los ríos y dañar la vida acuática. Para resolver esto, los ingenieros añaden tradicionalmente productos químicos sintéticos llamados floculantes. Estos son moléculas de cadena larga que actúan como una red, atrapando las partículas flotantes y uniéndolas en grumos más grandes que se hunden rápidamente. Sin embargo, estos productos químicos convencionales están hechos de plásticos que se degradan muy lentamente y se producen utilizando ingredientes tóxicos, creando un nuevo problema ambiental mientras se intenta resolver uno antiguo.

Investigadores de la Universidad de Aalto, en Finlandia, han explorado un camino diferente, recurriendo a un material que es abundante, renovable y que se descompone fácilmente: la celulosa. Este es el componente estructural principal de las paredes celulares de las plantas, presente en todo, desde el algodón hasta la madera. El equipo investigó si disolver la celulosa en una solución alcalina fuerte podía servir como una alternativa ecológica a los floculantes sintéticos. Probaron este enfoque en tres tipos diferentes de mezclas minerales: una suspensión de laboratorio de talco, un flujo de agua que desborda de un tanque espesador en una mina, y un flujo de aguas residuales de un proceso de flotación. Su objetivo era ver si esta solución de origen vegetal podía limpiar el agua de manera tan efectiva como las opciones sintéticas sin dejar residuos dañinos.

Los científicos prepararon sus floculantes tomando dos formas de celulosa: una derivada de lint de algodón estándar y otra recuperada de mezclas textiles desechadas de poliéster y algodón. Disolvieron estos materiales en una solución de hidróxido de sodio, un proceso que descompone la estructura rígida de las fibras de celulosa en un estado líquido. Para ver si podían mejorar el rendimiento, también trataron parte de la celulosa con un compuesto de fosfato, una modificación química destinada a cambiar cómo interactúan las moléculas con las partículas minerales. Luego, mezclaron estas soluciones con las suspensiones minerales y observaron qué tan rápido se aclaraba el agua.

Los resultados mostraron que los tratamientos basados en celulosa funcionaron de manera notable. En las pruebas de laboratorio con talco puro, la adición de la solución de celulosa redujo la turbidez del agua en más de un 99.8 por ciento en diez minutos. La versión de la celulosa tratada con fosfato funcionó ligeramente mejor, particularmente en el primer minuto de sedimentación, lo que sugiere que la modificación química ayudó a las moléculas a agarrar las partículas minerales con mayor rapidez. Cuando el equipo pasó a muestras del mundo real de una mina finlandesa, los resultados fueron igualmente prometedores. Para el rebose del espesador, que comenzó con un nivel moderado de turbidez, una pequeña cantidad de la solución de celulosa tratada con fosfato aclaró el agua significativamente, reduciendo la turbidez en casi un 97.5 por ciento tras solo diez minutos. Para los relaves de flotación, mucho más sucios, se requirió una dosis mayor de floculante, pero aun así logró aclarar el agua a un nivel donde la turbidez se redujo en un 99.9 por ciento.

Un descubrimiento clave en el estudio fue el papel de la propia solución alcalina. Debido a que la celulosa se disuelve en una base fuerte, la adición del floculante también eleva el pH del agua. Los investigadores descubrieron que este cambio en la acidez, combinado con la presencia de iones de magnesio ya presentes en el agua, ayudó a que las partículas minerales se agruparan incluso antes de que las fibras de celulosa tomaran el control. Esto sugiere que la mezcla completa actúa como una herramienta de doble propósito, donde el entorno químico y las fibras físicas trabajan juntos para acelerar el proceso de sedimentación.

Para comprender cómo ocurre esto realmente, los investigadores utilizaron un microscopio potente para examinar los sólidos sedimentados. Las imágenes revelaron que, a medida que la solución de celulosa se mezclaba con el agua y luego se regeneraba en una forma sólida, creaba un puente físico entre las partículas minerales. La celulosa no solo recubría las partículas; formaba una estructura porosa y similar a una red que entrelazaba las láminas suaves de los minerales, uniéndolos en grumos más grandes y pesados que podían hundirse rápidamente. Este mecanismo de puente físico parece ser la forma principal en que el material de origen vegetal limpia el agua.

El estudio también abordó la practicidad del uso de materiales reciclados. La celulosa extraída de ropa vieja de poliéster y algodón funcionó tan bien como la celulosa de alta pureza comprada a un proveedor químico. Esto indica que los textiles desechados podrían ser una fuente viable para estos floculantes, siempre que las diminutas fibras de poliéster se filtren durante el proceso para evitar que reingresen al agua como microplásticos. Si bien el uso de la solución alcalina requiere una pequeña cantidad de ácido para neutralizar el agua después, los investigadores señalaron que el intercambio consiste en pasar de usar plásticos sintéticos persistentes a un polímero seguro y biodegradable. Los grumos resultantes de minerales y celulosa podrían utilizarse potencialmente como materiales de relleno en productos de papel, convirtiendo un flujo de desechos mineros en un recurso. El trabajo demuestra que un enfoque simple, basado en plantas, puede abordar eficazmente el difícil problema de limpiar las aguas minerales industriales, ofreciendo una alternativa sostenible a los productos químicos sintéticos que se utilizan actualmente.