La lechada de cal, una suspensión acuosa de hidróxido de calcio (Ca(OH)₂), es un componente crucial y bien conocido en diversas aplicaciones industriales y medioambientales. Aunque su formulación básica puede parecer sencilla, su preparación y el mantenimiento de sus propiedades van más allá de una simple mezcla de cal con agua.
Composición y Proceso de Formulación
Las lechadas de cal son suspensiones coloidales de hidróxido alcalinotérreo. Generalmente, presentan concentraciones de materia seca de alrededor del 15 al 35% en masa por masa de lechada. Esta suspensión se puede obtener de varias maneras:
- Apagando la cal cálcica (CaO, cal viva) o la cal dolomítica (Ca,Mg)O con un exceso de agua.
- Mezclando hidróxido de calcio (Ca(OH)₂, cal apagada, hidrato de calcio) o cal dolomítica parcial o totalmente hidratada con agua.
- A partir de una dilución de pasta de hidróxido de calcio o de cal.
La cal viva (óxido de calcio) es la materia prima principal que reacciona con el agua durante el proceso de apagado para formar cal hidratada (hidróxido de calcio). Esta reacción es altamente exotérmica, liberando una gran cantidad de calor. Las materias primas suelen contener impurezas como sílice y alúmina, y el líquido principal utilizado para la suspensión es el agua. Las partículas de materias sólidas en suspensión de hidróxidos alcalinotérreos tienen la fórmula general a Ca(OH)₂. b Mg(OH)₂. c MgO en suspensión en agua, donde a, b y c son fracciones molares con a+b+c comprendido entre 90% y 100%; "a" tendrá preferentemente un valor de entre 80% y 100%, ventajosamente un valor de 100%.
Consideraciones en la Preparación Industrial
El proceso de preparación de la lechada de cal comienza con la adición de óxido de calcio (CaO) o hidróxido de calcio (Ca(OH)₂) al agua. Es crucial controlar la temperatura durante esta preparación para evitar el sobrecalentamiento y posibles riesgos de seguridad. El tiempo de reacción es otro factor importante; aunque la reacción es rápida, se recomienda un tiempo de mezcla adecuado para asegurar una distribución uniforme del hidróxido de calcio y optimizar la calidad de la lechada.
Además, es fundamental que el sistema de tratamiento para la preparación de la lechada de cal sea cerrado. Esto previene fugas de dióxido de carbono (CO₂) hacia la atmósfera, ya que el CO₂ puede reaccionar con el hidróxido de calcio para formar carbonato de calcio, lo que reduce la concentración de hidróxido de calcio en la lechada y disminuye su alcalinidad y eficacia. En resumen, el control de la temperatura, el tiempo de reacción y la implementación de un sistema de tratamiento cerrado son aspectos clave para garantizar la calidad y eficacia de la lechada.
Propiedades Físico-Químicas del Hidróxido de Calcio
El hidróxido de calcio es un compuesto químico inorgánico con la fórmula molecular Ca(OH)₂. Pertenece a la familia de los hidróxidos de metales alcalinotérreos, caracterizados por la presencia de un catión metálico asociado a aniones hidroxilo. Su estructura cristalina trigonal-hexagonal le confiere a este sólido una densidad aproximada de 2,24 g·cm⁻³, y generalmente se presenta como un polvo blanco o cristales incoloros. La cal hidratada es ligeramente soluble en agua debido a la solubilidad limitada del hidróxido de calcio, la cual varía de 1,85 g·L⁻¹ a 0 °C a tan solo 0,77 g·L⁻¹ a 100 °C.
El hidróxido de calcio es un compuesto básico, capaz de neutralizar ácidos fuertes y mantener un pH elevado en soluciones acuosas. Se distingue de sus homólogos, como el hidróxido de sodio (NaOH) y el hidróxido de potasio (KOH), por su baja solubilidad y menor coste. Por ello, se prefiere en aplicaciones donde una solución débilmente alcalina es suficiente, limitando los riesgos asociados a una manipulación agresiva.
Características Esenciales de la Lechada de Cal
La concentración de materia seca en la lechada de cal es una característica importante, ya que permite controlar mejor la cantidad de agua involucrada en los usos. Ciertas aplicaciones requieren una concentración óptima de reactivos para permitir una reacción perfecta de la cal o simplemente para reducir la energía necesaria para eliminar el agua después del uso. La cantidad de agua también tiene un impacto significativo en el volumen a transportar, almacenar y manipular, lo que induce importantes limitaciones técnicas y económicas.
Distribución Granulométrica
Una lechada de cal está compuesta por partículas individuales de hidróxido de calcio. Es preferible tener una lechada de cal caracterizada por una distribución granulométrica fina, lo que asegura una suspensión más prolongada de las partículas (sedimentación menos rápida) y una mejor reactividad química. La suspensión debe tener una distribución del tamaño de las partículas en suspensión cuyo tamaño máximo representado por D99 sea inferior a 150 µm (o preferentemente ≤ 100 µm), un tamaño medio de las partículas representado por D90 inferior a 70 µm (preferentemente < 50 µm), y un tamaño medio de partículas representado por D50 inferior a 15 µm (preferentemente < 10 µm, incluso < 8 µm).
Además, se prefiere que esté acompañado de un tamaño medio de partícula representado por D25 superior a 1 µm (preferentemente 1,2 µm) y un D10 superior o igual a 0,5 µm (preferentemente 0,8 µm). Las distribuciones D99, D90, D50, D25 y D10 corresponden a las dimensiones para las cuales respectivamente 99%, 90%, 50%, 25% o 10% de las partículas en volumen (o en masa) son, según la especificación, inferiores o superiores a dichas dimensiones. La distribución del tamaño de partículas (PSD - Particle Size Distribution) se expresa en porcentaje acumulativo de pasantes en función del diámetro de las partículas, y se mide por difracción láser.
Comportamiento Reológico y Viscosidad
La viscosidad o el comportamiento reológico de las lechadas de cal es una característica intrínseca influenciada por su concentración de materias secas. Las lechadas de cal con una concentración inferior al 20% en materia seca se comportan como fluidos newtonianos, en los que las tensiones de cizallamiento son proporcionales al gradiente de velocidad. Para concentraciones superiores al 20%, se observa un comportamiento no newtoniano de tipo viscoelástico o incluso binghamiano.
El comportamiento binghamiano se caracteriza por un estado elástico cuando el umbral de cizallamiento es inferior a un valor crítico, y un comportamiento plástico cuando se excede este umbral. Este comportamiento se relaciona generalmente con la existencia de una estructura tridimensional que solo se rompe si se ejerce una fuerza lo suficientemente grande. Por lo tanto, si la tensión aplicada al fluido es menor que la tensión umbral, no se produce ninguna deformación y el fluido no fluye.
Estabilidad y Envejecimiento
La mayoría de las lechadas de cal no son naturalmente estables en el tiempo. Otros efectos reológicos frecuentemente irreversibles se constatan con el envejecimiento de las suspensiones, proviniendo de variaciones en la superficie específica, del sistema cristalino de Ca(OH)₂, de la sedimentación de partículas grandes y de la reaglomeración de partículas entre sí. Una lechada de cal estable no depende mucho de este envejecimiento; sus características intrínsecas, como la viscosidad, evolucionan poco. La inestabilidad de la suspensión se manifiesta por un aumento importante de su viscosidad, de su umbral de cizallamiento y de su viscosidad plástica.
La fase de envejecimiento de las suspensiones puede tener lugar en condiciones estacionarias (reposo), dinámicas (agitación o cizallamiento) o mixtas. Estas fases reflejan prácticas industriales habituales como producción, almacenamiento, transporte y bombeo. Las fases de agitación evitan una sedimentación perjudicial para un uso óptimo del producto. Estos comportamientos reológicos son más marcados a medida que aumentan el tiempo, las tensiones de cizallamiento y la concentración de materia seca.
El cambio de comportamiento reológico de las lechadas de cal, especialmente cuando están altamente concentradas, genera numerosos inconvenientes, incluyendo la imposibilidad de agitarlas y transportarlas debido al aumento de la viscosidad dinámica, del umbral de cizallamiento y de la viscosidad plástica. Esto frecuentemente causa daños a los equipos (tuberías, bombas, agitadores) y costes energéticos significativos.
Aplicaciones Versátiles de la Lechada de Cal
La lechada de cal se utiliza en numerosas aplicaciones como reactivo químico, gracias a sus propiedades alcalinas y su capacidad para regular el pH. Algunas de sus principales aplicaciones incluyen:
- Tratamiento y Descontaminación de Aguas: En aguas potables, aguas residuales y lodos, se emplea para neutralizar aguas residuales ácidas y ajustar el valor del pH.
- Neutralización de Residuos Ácidos: Ajuste del pH en campos como la química y los no ferrosos.
- Precipitación de Metales Pesados: Utilizada para eliminar metales como zinc, plomo y cobre, que forman hidróxidos poco solubles en medios alcalinos.
- Descontaminación de Humos Ácidos: En procesos industriales para reducir emisiones contaminantes.
- Sector de la Construcción y Agrícola: La cal hidratada estabiliza el suelo al reaccionar con minerales arcillosos, reduciendo la plasticidad y mejorando la resistencia.
- Industria Alimentaria: Debido a sus propiedades alcalinas y baja toxicidad, actúa como regulador de pH en productos como mermeladas, helados y zumos de frutas.
En entornos industriales, la cal hidratada actúa como reactivo para el control del pH, la neutralización de ambientes ácidos y como fuente de calcio en reacciones químicas. Se distingue por su capacidad para mantener un pH estable y ser más económico que otros compuestos similares, como el bicarbonato de sodio en la captura de contaminantes ácidos.
Estrategias de Estabilización de la Lechada de Cal
Para estabilizar las lechadas de cal, se han propuesto numerosos dispersantes. Algunos de ellos son ácidos acrílicos, metacrílicos, polielectrolitos catiónicos y anfóteros (poliaminas, polímeros de cloruro de dimetil dialil amonio, polifosfatos). También se han descrito derivados de polisacáridos solubles en agua, como la celulosa parcialmente hidrolizada o el almidón parcialmente hidrolizado, que actúan como plastificantes en suspensiones minerales.
Sin embargo, muchas soluciones convencionales no logran mantener la estabilidad de suspensiones de lechadas de cal altamente concentradas a lo largo del tiempo y en todas las condiciones industriales. La investigación actual se centra en proporcionar una lechada de cal altamente concentrada en materia seca que mantenga características reológicas estables en el tiempo (viscosidad dinámica, umbral de cizallamiento, viscosidad plástica y sedimentación) y en niveles compatibles con su manipulación óptima bajo condiciones estacionarias, dinámicas o mixtas.
Aditivos Dispersantes
Los productores buscan optimizar los parámetros de la lechada de cal utilizando dos tipos de aditivos que controlan y estabilizan la viscosidad:
- Aditivos que actúan por quimisorción.
- Aditivos que actúan por efecto de impedimento estérico y/o absorción electrostática.
Actualmente, se utilizan al menos dos tipos de aditivos que han demostrado un efecto sinérgico. Estos pertenecen a la familia de los carbohidratos y a la de los copolímeros ionómeros, preferentemente de tipo poliéteres policarboxilatos, ambos asociados en proporciones optimizadas. El alcoxipolioxialquileno del copolímero dispersante comprende unidades de oxialquileno seleccionadas de oxietileno y oxipropileno, conteniendo de 5 a 95 unidades de oxietileno y de 5 a 95 unidades de oxipropileno.
Entre los aditivos de tipo carbohidrato, se distinguen monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos, así como polioles (formas hidrogenadas de carbohidratos modificados). La familia de poliéteres policarboxílicos incluye, en particular, co- y terpolímeros acrílicos.
Concentración y Optimización de Aditivos
Cada aditivo, usado en combinación, se incorpora a la composición de las lechadas de cal en una proporción de 0,1 a 3% (preferentemente de 0,1 a 2%) en peso. Su concentración está directamente relacionada con la concentración de materia seca: cuanto mayor sea esta, mayor debe ser la concentración de los dos aditivos. El porcentaje de aditivo se expresa en peso de materia seca del aditivo con respecto al contenido total en materia seca en masa de la lechada de cal.
La proporción de poliéter policarboxilatos/carbohidratos no solo depende de la concentración de materia seca, sino también de la naturaleza de las materias primas y las condiciones de envejecimiento. El ajuste de la concentración de aditivo busca satisfacer los requisitos del fabricante, del cliente y las condiciones de uso, así como criterios de estabilidad reológica. La elección de los aditivos también puede estar condicionada por la aplicación, considerando compatibilidad alimentaria, normas medioambientales y compatibilidad de procedimiento.
El uso de estos aditivos no perjudica la preparación de lechadas de cal y tiene la ventaja de ser modulable en etapas como la hidratación o el apagado de la cal, la trituración, la preparación de la lechada, el almacenamiento y el transporte. Un procedimiento para la preparación de lechada de cal estable en cuanto a la evolución de las características reológicas puede considerar condiciones estacionarias, dinámicas o mixtas. Una de las formas es mezclar la cal apagada seca anhidra (o cal-dolomita) con un aditivo sólido y suspender la mezcla en agua.
Métodos de Medición y Control de Calidad
La viscosidad de la lechada de cal se mide utilizando equipos especializados. Por ejemplo, en un viscosímetro "Thermo Fischer Rheostress 6000" con un criostato "Haake C 25" equipado con un cilindro calibrado y un husillo (rotor) "Haake Z 40" a una velocidad de cizallamiento de 5 s⁻¹. El principio se basa en la resistencia que la lechada de cal opone a la rotación de un husillo sumergido a 25 °C. El protocolo de medida incluye un aumento y disminución progresiva de la velocidad de rotación del husillo, permitiendo una histéresis de viscosidad.
Evaluación de la Estabilidad
Para evaluar la estabilidad de la lechada de cal, se realizan dos tipos de mediciones:
- Viscosidad dinámica sobre lechada envejecida: La lechada se almacena en un depósito y se agita durante 5 minutos cada hora para evitar la decantación y solidificación que podría obstruir los conductos.
- Decantación: Una muestra de lechada se deja en reposo durante 24 horas en una probeta graduada de 250 ml. Se determina el volumen de sobrenadante con respecto al volumen inicial, el cual debe ser lo más bajo posible. Una lechada de cal se considera problemática si la decantación es superior al 25%.
Aplicación Práctica y Estaciones de Preparación
Una típica estación de preparación de lechada de cal incluye varios componentes clave:
- Tanque de mezcla: Equipado con agitadores para la homogeneización.
- Bombas dosificadoras: Permiten la adición precisa de lechada de cal al proceso.
- Tecnología de medición y control: Para controlar el valor del pH y la concentración de la lechada de cal.
Sistemas como la estación de preparación de lechada de cal ALMA LIME, desarrollada por ALMAWATECH, ofrecen una solución automatizada y eficaz para la producción y dosificación de lechada de cal, garantizando la calidad y la eficiencia en su uso industrial.