Cerámicos magnéticos: Una alternativa para la industria minera de Coahuila

Dra. Sagrario Martínez Montemayor*,M.C. Bertha Alicia Puente Urbina,

M.C. Gilberto Francisco Hurtado López

Departamento de Materiales Avanzados del CIQA

* sagrario.montemayor@ciqa.edu.mx

Los materiales cerámicos que presentan buenas propiedades magnéticas tienen aplicaciones en la solución de problemas diversos que enfrenta la humanidad actualmente, relacionados con el medio ambiente, la salud, la generación de energía limpia y sustentable, los medios de transporte, la construcción de dispositivos electrónicos, etc. Por citar algunos ejemplos, se puede mencionar que en el caso del medio ambiente los cerámicos magnéticos se utilizan para remover y/o destruir contaminantes biológicos, orgánicos e inorgánicos (por sus propiedades de adsorción y fotocatalíticas); en el campo de la salud se utilizan en la liberación controlada de fármacos (por su capacidad de dirigirlos, utilizando un imán, a un lugar en específico) y en terapias de hipertermia para el tratamiento de algunos tipos de cáncer; en el caso de la generación de energía limpia y sustentable se utilizan como partes esenciales en la construcción de baterías de hidrógeno y celdas de combustible (mucho más eficientes que las convencionales); en el caso de los medios de transporte se utilizan en la fabricación de diferentes partes de vehículos convencionales (especialmente en el sistema de arranque) y en la construcción de trenes de alta velocidad (que funcionan por levitación magnética); en el caso de los dispositivos electrónicos se han utilizado cerámicos magnéticos de forma ya convencional para el almacenamiento de información y más recientemente se han utilizado para conseguir la miniaturización de los dispositivos (por sus propiedades magnéticas y magnetoeléctricas, respectivamente), ver Figura 1.

Pero, ¿qué son y de qué están hechos los cerámicos magnéticos?

Un grupo muy importante de cerámicos magnéticos es conocido con el nombre de ferritas, son óxidos dobles formados por una unidad de óxido de hierro trivalente (Fe2O3) y otra de un óxido de un elemento de transición de carga divalente (por ejemplo, óxido de hierro divalente, FeO). Adoptan una estructura tipo espinela que, dependiendo de la distribución de los cationes en la estructura se puede considerar normal, inversa o mixta. Un ejemplo de ferritas que adoptan estructura tipo espinela normal es la ferrita de zinc, un ejemplo de ferritas que adoptan una estructura tipo espinela inversa es la ferrita de cobalto y un ejemplo de ferritas que adoptan estructura mixta es la ferrita de manganeso. Estas ferritas tienen la fórmula general MFe2O4, donde M es el símbolo del elemento de transición divalente y puede ser, por ejemplo, cobalto (Co), cobre (Cu), hierro (Fe), níquel (Ni) o zinc (Zn).

Y, ¿cómo sabemos que un cerámico tiene propiedades magnéticas?

Utilizando un equipo que aplica un campo magnético de intensidad controlada a una muestra y que mide su respuesta, conocida como magnetización, podemos obtener la curva de histéresis de los materiales cerámicos. Su forma y los valores característicos que se pueden obtener de esta medición permiten diferenciar el comportamiento de las ferritas. El tipo de comportamiento magnético que presente una ferrita va a determinar su campo de aplicación; por ejemplo, un material ferromagnético tiene aplicaciones en el almacenamiento de información y un material superparamagnético tiene aplicación en la liberación controlada de fármacos.

Ah, pero, ¿por qué le interesarían, a la industria minera de Coahuila, los cerámicos magnéticos?

Los minerales de hierro del Estado de Coahuila se utilizan principalmente en la producción de acero. Por diversos factores internacionales relacionados con aspectos comerciales, económicos, arancelarios, etc., en la última década, se registraron variaciones importantes en la demanda del acero mexicano, primero disminuyó a causa del monopolio que, a nivel mundial, acaparó el acero chino y después por la contingencia sanitaria causada por el Covid-19. Actualmente, los niveles de producción y exportación en México comienzan a recuperarse. Sin embargo, los volúmenes de acero que exporta China, siguen poniendo en desventaja comercial al acero mexicano. Una alternativa a la producción de acero, de mayor valor agregado, es el uso de los minerales de hierro en la obtención de cerámicos magnéticos.

¡Uf!, ¿es realmente posible obtener cerámicos magnéticos a partir de minerales de hierro?

¡¡¡Sí!!! En el Centro de Investigación en Química Aplicada se desarrolló un proyecto, financiado por el Consejo Estatal de Ciencia y Tecnología, “Desarrollo de una metodología -amigable con el medio ambiente- que permita sintetizar ferritas, de fórmula MFe2O4 (M= Co, Cu o Fe), a partir del arrabio producido con los minerales de hierro del Estado de Coahuila” (COAH-2021-C15-C103), en el que se desarrolló una metodología amigable con el medio ambiente, sencilla y fácilmente escalable ya que utiliza equipos que son empleados normalmente en la industria siderúrgica que lo hacen posible y las ferritas obtenidas demostraron tener buenas propiedades electrocatalíticas (para aplicaciones en la generación de energía limpia y sustentable) y buena capacidad de adsorción (para aplicaciones de remoción de metales pesados presentes en agua).

OK, ¿cuáles serían los beneficios de promover la diversificación de productos en la industria minera en Coahuila?

El uso de arrabio en la producción de ferritas, como una alternativa a la producción de acero, podría tener beneficios económicos, sociales y ambientales, que se mencionan a continuación.

1. Beneficio económico: por diversos factores, como la variabilidad en el precio del acero entre muchos otros, es muy difícil hacer un estimado del beneficio económico. Con el único propósito de que sirva como referencia se puede mencionar que una tonelada de varilla nacional mexicana de grado R-42 se cotizó, en julio de 2022, en $26, 400 pesos mexicanos. En cambio, 10 gramos de ferrita de níquel (NiFe2O4) se vendió en esa misma fecha, en México, en $3,161 pesos mexicanos. La comparación del precio de 1 kilogramo de uno de los posibles productos terminados de acero (varilla R-42) vs. 1 kilogramo de NiFe2O4 queda en $26.40 vs. $316,100.00, respectivamente. Si bien estos datos no son en sí un estimado del beneficio económico si demuestran que los productos obtenidos con el proceso propuesto en el proyecto mencionado darían, al arrabio producido con los minerales de hierro del Estado de Coahuila, un valor agregado mucho mayor que el del acero.
2. Beneficio social: la aplicación de los resultados del proyecto por industrias productoras de acero, como AHMSA, favorecerá la conservación y/o la generación de nuevos de empleos en el sector minero y siderúrgico (y de otras industrias relacionadas) de México a mediano y largo plazo, respectivamente.
3. Beneficio ambiental: ferritas de fórmula MFe2O4 sintetizadas por diversos métodos de síntesis, mucho más complejos y caros que el propuesto, han demostrado ser útiles en la remoción de contaminantes disueltos en agua y otras han demostrado que pueden sustituir (total o parcialmente) al platino como catalizadores en celdas de combustible, que son una fuente de energía limpia.