Nanotecnología en minería: Manipulación de materiales

Tendencias (1)

  • La nanotecnología se refiere a la manipulación de materiales en dimensiones nanométricas, esto es, en dimensiones de millonésimas de milímetros, imperceptibles a simple vista.
  • Su aplicación es útil tanto para el sector minero como para el de la construcción a través de la incorporación de nuevos materiales y la optimización de los ya existentes, como por ejemplo, en nanomateriales de alta dureza y tenacidad para coronas de perforadoras, nanofibras para recuperación de metales preciosos, tierras raras y eliminación de contaminantes, aceites lubricantes más eficientes y sensores, entre otras.
  • Los expertos señalan que gracias a la nanotecnología se están desarrollando materiales constructivos livianos pero con resistencias mecánicas elevadas (del orden de materiales estructurales), lo cual permitiría edificar grandes estructuras con un desempeño energético y eficiente sin perder estabilidad estructural.

Alfredo Saavedra L.
Periodista Construcción Minera & Energía

La ciencia y la tecnología están constantemente avanzando para resultar beneficiosas no solo en la vida de las personas, sino también en las actividades que desarrollan. Ejemplo de esto son las innovaciones aplicadas a las distintas áreas productivas. El sector minero no ha sido la excepción y desde hace un tiempo ha participado del desarrollo y aplicación de nanotecnología para sus actividades.

De acuerdo a Ricardo Ramírez, doctor en Física y director alterno del Centro para el Desarrollo de la Nanociencia y la Nanotecnología Cedenna, la nanociencia estudia los materiales en tamaños nanométricos o en millonésimas de milímetro, esto es posible gracias al desarrollo de los microscopios electrónicos. “Los científicos se dieron cuenta de que es posible intervenir materiales a nivel nanométrico, es decir, en tamaños muy pequeños, e imperceptibles a simple vista. En estas dimensiones, los materiales presentan propiedades que pueden ser distintas a las que tienen cuando están en tamaños más grandes, ampliando el horizonte de sus aplicaciones”, explica el experto. Así, la nanotecnología se refiere justamente a la manipulación de los materiales en dimensiones nanométricas, ya sea el diseño, la síntesis o la aplicación de estos materiales para buscar nuevas soluciones a problemas actuales.

Sus principales ventajas tienen que ver con las nuevas o mejoradas propiedades que presentan los materiales a escala nano, debido a una mayor superficie de contacto, mayor reactividad y una consiguiente disminución en la cantidad de material necesario. “Un ejemplo de esto es el grafeno, que se encuentra en el grafito, donde los átomos de carbono se ordenan en una estructura muy fuerte que podría dar origen a láminas muy resistentes de apenas un átomo de espesor”, señala el doctor Ramírez.

Nanotecnología en minería
La aplicación de esta tecnología en el sector minero se da en diversos ámbitos, por medio de nanomateriales de alta dureza y tenacidad para coronas de perforadoras, nanofibras para recuperación de metales preciosos, tierras raras y eliminación de contaminantes, el desarrollo de sensores ultrasensibles y aceites lubricantes más eficientes, entre otros. Junto con esto, ha adquirido un rol protagónico en la investigación para nuevos usos del cobre y del grafeno. De acuerdo al doctor Ramírez las aplicaciones nanotecnológicas son muy variadas y cruzan todo el espectro de la industria minera, incluyendo desarrollos para los lubricantes de alto rendimiento en sistemas de alta carga y de alto torque. “Actualmente Cedenna está desarrollando sensores para la detección de inchancables. Con estos nanosensores electrónicos, se reducirían los costos operativos por daños y tiempos de mantención en chancadores y correas transportadoras”, afirma el experto.

Alvaro Espejo, doctor en Física e investigador del Cedenna, sostiene que este nuevo sensor nanotecnológico monitorea en tiempo real el estado de desgaste y desprendimiento total o parcial de inchancables, específicamente los denominados GETs (Ground Engaging Tools). Las puntas y adaptadores de los dientes de las palas mineras de alto tonelaje están sometidos a altos niveles de estrés y abrasión durante el proceso de excavación y carguío, sufriendo desgaste y fractura difícil de percibir. “Cuando un GET se rompe o se desprende, genera un elemento inchancable, que hay que detectar para remover. Si no son detectados ni removidos a tiempo, suelen producir detenciones no programadas (y eventualmente daño) en el proceso de chancado, paralizando parcialmente la producción de la mina. Los sensores que estamos desarrollando se caracterizan por tener dimensiones muy reducidas, en comparación a lo que existe hoy en el mercado”, explica el doctor Espejo agregando que esta ventaja comparativa, permite su instalación en espacios pequeños y, gracias a un sistema diferente al actual de detección, aumenta su eficiencia. “Nuestros sensores poseen comunicación inalámbrica, mediante la cual además se puede entregar un reporte periódico del nivel de desgaste del elemento GET”, lo que permite programar los recambios, detalla.

Otras aplicaciones nanotecnológicas vinculadas a la minería tienen relación con la remediación ambiental fundamental en los procesos mineros de hoy. Y es que con diferentes tipos de nanopartículas es posible remover metales pesados propios de la explotación minera, tanto en suelos como en aguas.

Junto con esto, se da en el sector, el uso de nanopartículas bimetálicas para combatir la acumulación indeseada de material orgánico en bombas y tuberías usadas en plantas desalinizadoras que utilizan agua de mar para tratamiento y también distribución a los yacimientos mineros. “Este tipo de revestimiento nanoestructurado es un excelente elemento antifouling, evitando la proliferación y retención de microorganismos en las superficies de tuberías, cañerías, conexiones y estaciones de bombeos. Esta aplicación resulta particularmente útil en la minería de la zona norte donde la presencia de agua es escasa”, explica el doctor Ramírez.

Siguiendo en línea con el tema del agua, la producción de materiales adsorbentes (o de retención superficial) a escala nano permitirán desarrollar sistemas de purificación de agua con metales pesados como As y Pb en las faenas mineras y poblaciones aledañas. “En estos casos, la enorme área activa por unidad de masa de estos nanomateriales adsorbententes requerirá de mucho menos masa de adsorbente para lograr los mismos resultados de purificación de agua que empleando tecnologías tradicionales”, explica César Sáez, profesor de la Facultad de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica de Chile y Director de Investigación del área de Ingeniería del Centro de Nanotecnología y Materiales Avanzados CIEN-UC. El experto agrega que otros usos de la nanotecnología en el sector incluyen los nano-recubrimientos: proceso en el que se cubren superficies susceptibles de corrosión, ensuciamiento o deterioro, logrando incrementar su vida útil, o haciéndolas más difíciles de ensuciar, reduciendo con ello los requerimientos de agua de lavado, detergentes y la producción de residuos. Otros nano-recubrimientos podrían extender la vida útil de rodamientos, palas, tolvas y cintas transportadoras de mineral. Por su parte, nanopartículas especialmente diseñadas podrían contener más eficazmente derrames de hidrocarburos, facilitando su recuperación desde fases diversas. “El desarrollo de procesos de extracción y concentración de materiales empleando nanopartículas permitirá que los procesos de concentración se vuelvan más selectivos y logren una mayor recuperación, a la vez que reducen la descarga de materiales valiosos hacia los tranques de relave”, agrega Sáez, indicando que nuevos materiales conductores y aislantes, fabricados con nanotecnología, reducirán las pérdidas en la conducción de energía eléctrica, reduciendo los consumos y los costos productivos.
Nanotecnología - Construcción Minera N°25
Uso en maquinaria
Otras aplicaciones se dan en áreas como la mantención de equipos y en la electrónica, con el uso de circuitos integrados en diferentes equipos. “La nanotecnología resulta de enorme ayuda para la maquinaria pesada ya que la aplicación de nanorecubrimientos permite extender el tiempo de mantenimiento y en consecuencia, alargar la vida útil de las superficies impactadas por la corrosión”, explica Felipe Pacheco, fundador y CEO de Adrox. El ejecutivo agrega que de esta forma se logra mantener la limpieza de las maquinarias, disminuyendo la indisponiblidad de los equipos, al contar con una mayor cantidad de tiempo disponible para producir ingresos, significando una disminución del uso de agua, productos químicos y mano de obra; lo que, al mismo tiempo, se traduce en un beneficio para la economía de la industria.

En el caso de Adrox, Pacheco menciona que cuentan con una aplicación relacionada con poder cubrir la maquinaria con un producto nanotecnológico, haciendo que quede mucho menos expuesta a suciedad o problemas de funcionamiento producidos por elementos ambientales externos (como el caso de un CAEX, el cual debe producir sin parar) y menos expuesta por problemas de suciedad o contaminación por barro de sus sensores o filtros; un problema simple, pero que empeora las condiciones de operación, aumentando la indisponiblidad del equipo.

Otro caso de futura aplicación en minería, es la generación de nuevos productos más eficientes. Pacheco menciona a modo de ejemplo: la resistencia de un horno de fusión con nanomateriales inteligentes como el grafeno, que es un material más dúctil. “Este podría disminuir el desgaste de un tobera al contacto con la escoria, pudiendo resistir fácilmente los 1.350°C de temperatura. Y mejor aún, producir partes y piezas de cobre chileno dopado de grafeno, logrando el mejor material conductor del mundo”, explica.

En el ámbito medioambiental se pueden mencionar las membranas de nonofiltración y de osmosis inversa que se utilizan en las plantas desaladoras de agua de mar.

Así como lo anterior, también hay diversos aportes como el desarrollo de coronas de perforación basadas en nanomateriales cerámicos, las que por sus características de dureza, tenacidad y resistencia permitirían sustituir y mejorar los materiales diamantados empleados en la actualidad.

Adicionalmente, están las membranas de nanofibras para la recuperación de metales preciosos y tierras raras, así como para la eliminación de contaminantes (por ejemplo, arsénico), tratamiento de riles y remediación de suelos mediante nanoabsorbentes.

Sector energético
No solo en minería se pueden apreciar diversas aplicaciones de esta tecnología; también están presentes en otros sectores. Tal es el caso del ámbito energético donde está solucionando problemas en variados aspectos de la industria, gracias a sus aplicaciones en las formas modernas de producción de energía, tales como: radiación solar (celdas fotovoltaicas, paneles solares, etcétera), baterías y pilas (energía electroquímica), biogás (producción de metano a partir de desechos orgánicos), biodiesel y electricidad, entre otras. De acuerdo al doctor en Física e investigador de Cedenna, Roberto Lavín, los esfuerzos se han concentrado en optimizar la eficiencia de los nuevos tipos de producción energética, sin embargo “en el caso de las energías convencionales, la nanotecnología también está desarrollando productos o soluciones relacionadas con la producción, el mejoramiento de la eficiencia, y el manejo de contaminantes, aunque en menor medida, probablemente por la pretensión de abandonarlas en favor de energías más limpias”. Lavín señala que una de las formas de energía donde la nanotecnología ha tenido más impacto en los últimos años es en la generación de electricidad por medio de paneles fotovoltaicos. Y es que estos dispositivos tienen una baja eficiencia (relación entre la radiación absorbida por la celda y la cantidad de electricidad generada), por lo cual se han investigado soluciones desde diversas perspectivas (como la arquitectura y composición de la celdas), para optimizar la cantidad de radiación incidente en la superficie de la celda, entre otras. “Las soluciones más exitosas para aumentar la eficiencia de una celda fotovoltaica provienen del ámbito nanotecnológico y literalmente podríamos mencionar cientos de tecnologías, cada una con sus grados de éxito y variaciones en busca del mismo objetivo: aumentar la corriente producida por la celda fotovoltaica”, señala Lavín, agregando que algunas de las soluciones nanotecnológicas más prometedoras son: la incorporación de dopantes nanoestructurados (nanopartículas) los cuales provocan una mayor corriente de salida con la misma radiación incidente; las celdas con arquitectura de nanocapas o nanoestructuradas que mejoran la ingeniería de la celda y los recubrimientos antireflectantes de espesor nanométrico que permiten absorber casi la totalidad de la radiación incidente en el panel, así como los recubrimientos hidrofóbicos para mantener las partículas de polvo alejadas de la superficie, entre otras soluciones e innovaciones que mejoran la eficiencia de la celda y su desempeño en diferentes condiciones industriales.

Desde Adrox, señalan que en el sector energético existen aditivos para combustibles, basados en óxido de cerio, que reducen las emisiones contaminantes y mejoran la eficiencia. “Para esta industria energética,  contamos con un programa de eficiencia creado en Chile con nanopartículas auto limpiantes para paneles solares, los que deben permanecer limpios para asegurar su funcionamiento y entregar la energía constante. Para esto, Adrox cuenta con +PowerSun, producto que evita que los paneles estén sucios, aumentando su eficiencia”, detalla, el CEO de la empresa, Felipe Pacheco.

Construcción
En el caso del sector Construcción, también hay variadas aplicaciones. En el ambiente industrial, por ejemplo, hay recubrimientos nanotecnológicos, que van desde recubrimientos bactericidas y fungicidas hasta recubrimientos auto-reparantes para hormigones y cementos, pasando por recubrimientos hidrofóbicos, anticorrosivos, entre otros diversos requerimientos constructivos.

“La nanotecnología se ha enfocado en el desarrollo de nuevos materiales. En el área de la construcción veremos el desarrollo de materiales constructivos más livianos y resistentes, vidrios especiales con propiedades catalíticas que limpien el aire oxidando contaminantes derivados del petróleo y que a su vez no puedan ensuciarse”, explica César Sáez, agregando que también se verá la aparición de celdas solares que no requieran limpieza ni mantención y nuevos catalizadores más efectivos para reducir la contaminación por gases de combustión y que aprovechen el CO₂ como fuente de energía transformándolo catalíticamente en compuestos combustibles.

Otros productos más especializados que se están desarrollando para sectores industriales, donde se requieren materiales muy resistentes a la erosión, cargas y golpes, son los materiales de alta resistencia mecánica como el hormigón nanotecnológico de alto desempeño.

Si bien los expertos identifican los beneficios que traen estas aplicaciones y usos a los distintos sectores productivos, también mencionan algunos obstáculos que presenta la nanotecnología para expandirse a otros ámbitos de la industria y que muchas veces tienen que ver con el lugar donde se desarrollan. “En países donde la inversión y el emprendimiento tecnológico son parte de la economía nacional, la nanotecnología está generando una gran cantidad de productos nuevos y soluciones más eficientes y limpias (ecológicas), que están ingresando al mercado con muy buenos resultados. Países como Estados Unidos o Israel, han visualizado el impacto tecnológico y económico que ocasionará la nanotecnología en la industria, por lo que han impulsado fuertemente la investigación científica y tecnológica, en nanociencia y nanotecnología, junto con una fuerte asociación con el sector industrial”, comenta el investigador de Cedenna, Roberto Lavín. En el caso contrario, en países donde la inversión y mercado tecnológico es menor o muy específico (como Chile), la entrada y desarrollo de productos y soluciones nanotecnológicas es más lenta, principalmente porque es difícil encontrar empresas interesadas en desarrollar nuevas tecnologías o incorporar soluciones nanotecnológicas a sus procesos, debido a que la industria chilena no tiene una cultura de inversión tecnológica y de riesgo en este ámbito. “Hay algunos emprendimientos y asociaciones exitosas entre la comunidad científica-tecnológica y la industria que principalmente buscan solucionar problemáticas de sus cadenas de producción o algunas deficiencias de sus productos, o simplemente incorporar productos nuevos en el mercado”, sostiene Lavín.

Así, gracias al desarrollo y versatilidad de la nanotecnología, ha sido posible crear, modificar e imaginar nuevas soluciones con materiales que facilitan la vida de las personas; materiales sustentables en su fabricación y en su aplicación, que se convierten en un aporte a los distintos sectores en los que se incluyen. 

Recuadro 1: Centros de Nanotecnología en Chile
En el último tiempo la nanotecnología se ha convertido en una de las principales líneas de investigación en los países desarrollados, tecnología que también cuenta con lugares de investigación y aplicación en nuestro país. Algunos de ellos son el Centro para el Desarrollo de la Nanociencia y la Nanotecnología (Cedenna) ubicado en la Universidad de Santiago de Chile; el Centro de Investigación en Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Pontificia Universidad Católica (CIEN-UC), el Centro de Nanotecnología y Biología de Sistemas de la Universidad Técnica Federico Santa María (CN&BS) y el Centro de Biomateriales y Nanotecnología de la Universidad del Biobío. Por otra parte, en septiembre de 2015 la Fundación Leitat Chile y CORFO realizaron el lanzamiento del Centro de Excelencia en Nanotecnología (CEN), cuyo foco está en materiales avanzados, sostenibilidad y energías renovables.

Post Author: cmineracdt