La nanoarcilla de San Juan es posible
Culminó el proyecto denominado “Aplicación en Nanotecnología de Minerales de Arcilla de la Provincia de San Juan”, llevado adelante por investigadores de la UNSJ. El espíritu del estudio fue detectar arcillas factibles de someterlas a procesos nanotecnológicos. El horizonte es obtener materias primas de base mineral con alto valor agregado en un escenario de alta demanda industrial.
Por Fabián Rojas
Hace un año esta revista publicaba una nota titulada En busca de la arcilla más preciada, que abordaba el trabajo implicado en el proyecto de investigación “Aplicación en Nanotecnología de Minerales de Arcilla de la Provincia de San Juan”. Allí su director, el Dr. Agustín Arroqui, geólogo de la Universidad Nacional de San Juan, decía que lo destacable del proyecto es su innovación, pero no por la combinación de nanoarcillas con polímeros y otras aplicaciones (algo que a nivel país ya se trabaja) sino “que las arcillas de San Juan no habían sido evaluadas en un uso de este tipo”. El proyecto terminó y, efectivamente, los investigadores ahora saben que en esta provincia hay arcillas aptas para someterlas al extremadamente diminuto mundo de la nanotecnología y así obtener nanoarcillas. Al momento de presentar los resultados de ese proyecto Agustín Arroqui construye un juego de palabras: “Este proyecto fue un gran desafío para mirar muy pequeñas cosas”. Y agrega: “Ha sido una etapa de mucho aprendizaje y hay mucho para aprender aún”.
Los objetivos planteados por ese proyecto, que tiene como codirectora a la Dra. Dolly Granados, del Instituto de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de la UNSJ, fueron varios; entre ellos, identificar el potencial de San Juan como fuente de materiales arcillosos susceptibles de ser materia prima para obtener nanoarcillas de alto valor agregado y aplicarlas en materiales y usos nanotecnológicos; potenciar la posibilidad de establecer a futuro la producción de nanoarcillas en carácter comercial, y conformar un laboratorio básico orientado a la purificación y preparación de muestras para estudios de alta tecnología y la obtención de nanoarcillas.
Algo que Arroqui aclara desde el principio es que, si bien San Juan es un lugar en que hay arcillas pasibles de convertir en nanoarcillas, material muy importante para la industria, los resultados de esta investigación trabajosa y profunda no deben implicar grandilocuencias ni expectativas desmedidas, puesto que el proyecto se trató de una etapa de estudios que ahora demanda, ni más ni menos, más investigaciones y experimentaciones. Luego, sí, establece dos temas principales en los resultados obtenidos: por un lado, admite el potencial de San Juan como lugar de arcillas materias prima para lograr nanoarcillas. “A priori, vemos que hay un potencial importante de recursos ociosos de arcillas. No hay un estudio y un catálogo de base sobre arcillas de San Juan para decir que, de acuerdo a lo que se leyó en la bibliografía, podemos tomar tal o cual muestra”, indica. Por otro lado, rescata los ensayos realizados con las muestras conseguidas.
Escenarios
Las investigaciones abordaron básicamente la cuenca triásica de Barreal, en el Departamento Calingasta. El investigador cuenta que no todos los minerales, aunque tengan menos de dos micrones (un micrón es una milésima parte de un milímetro), son minerales de arcilla. “Muchas veces nos referimos a arcilla por la fineza del material, pero entre ese material de menos de dos micrones puede haber otros minerales, como Feldespato, Mica, etcétera”, dice Arroqui.
Detrás de la “autenticidad” de la arcilla hay, obviamente, causas geológicas de millones de años. Arroqui detalla que en un depósito geológico minero hay dos situaciones por las que se dan condiciones para la existencia de materiales de arcilla. “Por un lado –indica-, las rocas madre de las arcillas son rocas ígneas. El mineral de arcilla no se genera como un mineral primario. Es el resultado de alteraciones físico químicas de minerales y rocas preexistentes”.
Halloysita
Un dato importante de los resultados del proyecto es la identificación de Halloysita en San Juan. “Es un mineral conocido pero es escaso en el mundo. En San Juan hay arcillas que tienen Halloysita, aunque debe aún cuantificarse su participación porcentual. Algunas nanoarcillas cotizan en el mercado entre 215 y 210 dólares los 500 gramos, mientras que medio kilo de nanoarcillas Halloysíticas se vende a casi 432 dólares. La gran pregunta ahora es cuánta Halloysita tenemos; por lo pronto ahí está, y no sabemos. Creo que nunca se habló de que había Halloysita en San Juan”, ensaya Agustín Arroqui.
Lo nanométrico
El Dr. Arroqui, quien se desempeña en el Instituto de Investigaciones Mineras (IIM) de la Facultad de Ingeniería, comenta que naturalmente la arcilla es un mineral de carácter nanométrico. “Se llama nanoarcilla cuando esa arcilla es transformada a través de un proceso físico químico y eso la hace compatible con una multiplicidad de usos que, de lo contrario, en su carácter natural, no sería posible realizar. No se trabaja disminuyendo el tamaño del mineral de arcilla natural; porque de por sí el tamaño de las finas capas es de uno o dos nanómetros de espesor y cien nanómetros de ancho o largo”, explica. Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro o la millonésima parte de un milímetro.
Es decir que a las arcillas se las somete a un procesamiento a niveles nanométricos para convertirse en nanoarcillas; así pasan a ser compatibles con materiales orgánicos y se las puede combinar con ellos. Las arcillas tienen dos propiedades fundamentales que juegan un gran rol en aplicaciones nanotecnológicas: una gran superficie específica y gran capacidad de intercambio catiónico. “En cuanto a la superficie específica, si tenemos un cubo hipotético de arcilla, con caras de 6 cm2 y empezamos a subdividirla o desagregarla, la superficie específica comienza a incrementar de forma exponencial. Esos mismos 6 cm2 terminan constituyendo 60 millones de cm2 cuando se desagregan en cubos de un nanómetro. Esto se combina con la gran capacidad de intercambio catiónico porque las estructuras de las arcillas tienen capas o tubos y sus cargas no están compensadas, por lo que hay iones disponibles para ser reemplazados por otros. Esto es lo que potencia la importancia de las arcillas”, indica Arroqui.
El geólogo explica que las estructuras de arcillas encontradas en San Juan son diversas. Entre ellas la Caolinita, que tiene las típicas capas o laminillas de arcilla; o la Esmectita (entre otras Montmorillonita), que posee características expansivas que pueden involucrar en la intercapa moléculas de agua y otros elementos. Otra variedad de arcilla, también encontrada, es la Sepiolita, utilizada a nivel mundial como elemento de propiedades absorbentes. Y la estructura de la Halloysita en realidad es un pequeño tubo, o nanotubo natural.
Nano – intervención
“Las arcillas son materiales hidrofílicos, o sea que tienen compatibilidad con el agua, pero con el procesamiento físico químico se logra que tengan compatibilidad con sustancias hidrofóbicas. El proceso las transforma de hidrofílicas a organofílicas, luego se las puede mezclar con un polímero (plástico), por ejemplo”, grafica la codirectora Dolly Granados. Para el proceso nanotecnológico, o sea la transformación del material original a nanoarcilla, a nivel nanométrico se realiza una dispersión de las estructuras de la arcilla para dejarlas expuestas en una suspensión (líquida) a la que se agrega un elemento modificador orgánico. “El modificador orgánico consiste en moléculas de bastante longitud con una cabeza polar y un extremo no polar. La cabeza polar es la que interactúa con el catión. Existe en el mercado gran variedad de esos modificadores”, detalla la investigadora.
Y así entra en juego la instancia del intercambio catiónico. Arroqui señala que, por ejemplo, una arcilla Montmorillonita -parte de las muestras de la investigación- “tiene cationes de sodio o de calcio que están no compensados en la superficie; esos son los cationes que son reemplazados por el modificador orgánico. Así, la arcilla termina transformada con estos modificadores que ahora participan íntimamente en la superficie de esa arcilla. Luego, al secarse, vuelve a su condición de apilamiento de láminas”.
Tecnologías
El geólogo montó un pequeño laboratorio en el que trabajan en la purificación y caracterización básica de sedimentos arcillosos y transformación de arcillas a nanoarcillas. “Las arcillas son filosilicatos (estructuras cristalinas en forma de láminas). Se prepara una solución acuosa en la que la partícula arcilla se establece en forma planar sobre un vidrio, esta es la manera en que los Rayos X pueden determinar, de forma óptima, la mineralogía de esos cristales de arcilla que tienen orden nanométrico”, explica. Las arcillas estudiadas fueron adicionadas a material polimérico para la conformación de placas poliméricas y someterlas a ensayos normalizados. “En el mundo de las arcillas todo lo que se pueda interpretar tiene un ochenta por ciento de demanda de tecnologías. Estudiar arcillas implica necesariamente el uso de Rayos X o microscopía electrónica, entre otras tecnologías”, expone Arroqui.
Esos estudios fueron realizados en el Instituto de Investigaciones Mineras, de la Facultad de Ingeniería de la UNSJ. Un aporte fundamental en lo referente a tecnología fue del Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTEMA), de la Universidad Nacional de Mar del Plata y del CONICET. En él los investigadores realizaron los estudios termogravimétricos para comprobar la pérdida de agua de la nanoarcilla. También buscaron saber a través de mediciones cuánto se logró expandir la intercapa de la nanoarcilla. “Cuanto más quede expandido ese paquete de laminillas, mejor condición para el intercambio catiónico al existir una superficie específica mayor. Los valores obtenidos en la muestra son de un excelente grado de intercambio catiónico. Esto es clave en la aplicación de nanotecnología”, refiere Agustín Arroqui.
El valor del conocimiento
Lo primero que ponen de relieve los investigadores una vez concluido el proyecto, es que en San Juan existe un buen volumen de recursos de arcillas susceptibles de transformar en nanoarcillas. Resaltan los recursos de Barreal como preliminarmente estudiados. Respecto de los ensayos de mezcla con polímeros, sostienen que el resultado es factible de mejorar con el uso de otros surfactantes (agentes químicos). Desde el punto de vista de la mineralogía, destacan haber determinado la presencia de Halloysita y Sepiolita, de gran importancia en el mundo para el desarrollo de la industria. En relación a la capacidad de intercambio catiónico, subrayan haber logrado muy buenos resultados, “en algunos casos por encima de los ejemplos que existen a nivel internacional”. Asimismo, ponderan que “la expansión de capas (de las estructuras de arcillas) obtuvo una muy buena respuesta”. Y como absorbente de arsénico hubo “buenos resultados, mejorables con la adición de hierro”. Arroqui dice que el know how (conocimiento) logrado, considerando todas las etapas, es muy importante. “El Proyecto realizado tiene un carácter innovador y exploratorio de una temática muy compleja y en actual evolución. En base a una evaluación cualitativa general creemos que los resultados del Proyecto son de buenos a muy buenos”, agrega.
Hacia la mejor arcilla
Una razón sustancial para la ejecución de este proyecto y de ulteriores es que, como dice Arroqui, “hay de fondo una cuestión de mercado, existe una diversidad de industrias que aplican las nanoarcillas en su matriz de materias prima. Por ejemplo, la industria del automóvil está entre las industrias que más demandan estos materiales. Además, las industrias aeroespacial, de plásticos, fibras, pinturas, vidrios, cerámicas, cosmética, medicina, reactivos químicos, remediación ambiental”. El investigador insiste: “Ahora vamos a seguir con otro proyecto de investigación para avanzar en observar más recursos. Y lo más importante de todo esto es el know how adquirido en todas las etapas y facetas que implicó el proyecto”.
Apoyos
El proyecto contó con el apoyo del Gobierno de San Juan (Ministerio de Minería y Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación). Además, tuvo la asistencia del Instituto de Investigaciones Mineras de la FI – UNSJ, con los/as investigadores/as Mg. Graciela Castro, Mg. Eleonora Espin, Ing. Natalia Hidalgo y Mg. Germán Vargas; y del Instituto de Ingeniería Química, en el trabajo de la Dra. Dolly Granados, de la Facultad de Ingeniería de la UNSJ. También colaboró la Dra. Vera Álvarez, del Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales -INTEMA- (Grupo de Materiales Compuestos de Matriz Polimérica) de la Universidad Nacional de Mar del Plata – CONICET.
El desarrollo del Proyecto dio lugar a una publicación de Dolly Granados, Agustín Arroqui, Vera Álvarez, Romina Ollier, Melina Bagni y Cintia Navas, que fue presentada en el XIII Simposio Argentino de Polímeros 2019, realizado en Buenos Aires en octubre pasado. El trabajo se denomina “Organoarcillas de la Provincia de San Juan para su dispersión en Resinas Poliméricas (ID 21)”.
Ficha: Agustín Arroqui y Dolly Granados son docentes e investigadores de la Facultad de Ingeniería de la UNSJ. Arroqui es licenciado y doctor en Ciencias Geológicas, mientras que Granados es ingeniera Química y doctora en Ciencias de Materiales.
