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Aug 30, 2023

Minería y refinación: azufre

Cuando piensas en la tabla periódica, algunos elementos simplemente tienen una vibra que es completamente acientífica, pero no obstante innegable. Los metales preciosos como el oro y la plata son ejemplos obvios.

Cuando piensas en la tabla periódica, algunos elementos simplemente tienen una vibra que es completamente acientífica, pero no obstante innegable. Los metales preciosos como el oro y la plata son ejemplos obvios, asociados como siempre lo han estado con la riqueza de los reyes. El cobre y el hierro son metales resistentes de la clase trabajadora, cada uno digno de tener siglos enteros de industria humana con su nombre, y el silicio forma ahora la columna vertebral de nuestra actual Era de la Información. El carbono fortalece la química de la vida misma y alimenta casi todos los esfuerzos humanos, y ninguno de nosotros llegaría muy lejos sin oxígeno.

Pero ¿qué pasa con el azufre? Nadie parece pensar mucho en el azufre pobre, y cuando lo hacen, tiende a ser despectivo. El azufre apesta a los huevos podridos, nos amenaza cuando sale de las bocas de los volcanes y puede convertirse en una amenaza mortal cuando se utiliza para fabricar pólvora. El azufre parece algo más asociado con los procesos nocivos y las sombrías fábricas de principios de la Revolución Industrial, no como un componente de nuestro mundo moderno y de alta tecnología.

Y, sin embargo, a pesar de su reputación maloliente y de baja tecnología, en realidad hay pocos procesos industriales que no dependan de alguna manera de cantidades masivas de azufre. El azufre es un ingrediente crítico en los procesos que forman la base de casi toda la industria, por lo que su producción suele ser una cuestión de seguridad nacional y económica, lo cual es extraño considerando que casi todo el azufre que utilizamos se recupera de los desechos de otros procesos industriales.

El azufre es uno de esos elementos que es notablemente abundante en el universo y, si bien se presenta en su estado elemental, normalmente se encuentra como un compuesto con otra cosa. Esto se debe a la capacidad del azufre para formar más de 30 alótropos, o formas diferentes en el mismo estado físico, y a la amplia gama de reacciones químicas en las que participa: hay un sulfuro o sulfato de casi todos los demás elementos de la tabla periódica, excepto para esos presumidos gases nobles.

En la Tierra, el azufre se encuentra generalmente en minerales de sulfuro, donde un átomo con carga positiva se une a uno o más átomos de azufre con carga negativa. Los ejemplos incluyen calcocita (sulfuro de cobre), galena (sulfuro de plomo), cinabrio (sulfuro de mercurio) y pirita (sulfuro de hierro). También son comunes los sulfatos, donde el azufre y el oxígeno se unen a un catión; el yeso utilizado para fabricar paneles de yeso y tuberías de PVC es sulfato de calcio, por ejemplo.

La abundancia de minerales de sulfuro y sulfato, y el hecho de que, en general, cualquier cosa que esté ligada al azufre en estos minerales es valiosa por derecho propio, significa que el azufre puede recuperarse como subproducto de las operaciones de fundición, particularmente de la fundición de plomo, cobre, y minerales de zinc. Hemos cubierto la fundición de cobre con cierta profundidad; El proceso básico es el mismo para la mayoría de las fundiciones de minerales sulfurados y utiliza calor para eliminar los sulfuros. En tiempos menos conscientes del medio ambiente, y cuando había otras fuentes más baratas de azufre, los gases de combustión cargados de azufre simplemente se expulsaban, lo que provocaba una serie de reacciones en la atmósfera que culminaban con la caída de ácido sulfúrico del cielo: la lluvia ácida.

Sin embargo, la recuperación de azufre de los gases de combustión de las fundiciones es sólo una pequeña fracción de la producción actual de azufre: en este momento sólo alrededor del 7% en Estados Unidos. La mayor parte de la producción mundial de azufre proviene del refinado de petróleo o de la producción de gas natural, donde los sulfuros son contaminantes que deben eliminarse. Limpiar los sulfuros de los gases “ácidos”, llamados así porque son ácidos y malolientes gracias al sulfuro de hidrógeno (H2S), es tarea de un tratador de aminas o edulcorante. Los tratadores de aminas se utilizan en todo tipo de procesos industriales; Nos topamos con ellos cuando hablamos de cómo se refina el helio a partir del gas natural. El tratamiento con aminas se basa en la capacidad de las soluciones de aminas, como la monoetanolamina (MEA) y la dietanolamina (DEA), para reaccionar con los gases ácidos, como H2S y CO2, y hacerlos más solubles en la solución de lavado que en el gas de proceso. Luego, la solución de amina rica en sulfuro se hierve para eliminar los sulfuros y regenerar la amina para su reutilización. El proceso hace que el gas agrio entrante sea lo suficientemente limpio como para liberarlo a la atmósfera, así como un suministro de H2S, que luego puede procesarse para obtener azufre elemental.

El sulfuro de hidrógeno que se extrae del gas amargo es muy tóxico para los humanos y es particularmente peligroso porque, en concentraciones suficientemente altas, paraliza los nervios olfativos; las personas expuestas a él durante sólo unos minutos piensan que el gas se ha dispersado y el peligro ha desaparecido porque ya no pueden oler el olor a huevo podrido. Aunque tiene algunos usos industriales, la mayor parte del sulfuro de hidrógeno se convierte en azufre elemental, que es mucho más fácil de almacenar y transportar. El principal proceso utilizado para convertir H2S en azufre elemental es el proceso Claus, que lleva el nombre del químico alemán Carl Friedrich Claus, quien lo inventó en 1883.

El proceso Claus es un proceso de dos partes: un paso térmico, donde se quema sulfuro de hidrógeno en una atmósfera de oxígeno, y un paso catalítico que aumenta el rendimiento de azufre. El paso térmico es extremadamente exotérmico y se lleva a cabo dentro de lo que se conoce como horno Claus, que es una cámara resistente revestida con material refractario para soportar temperaturas superiores a 1.050°C, necesarias para quemar productos no deseados que obstruirán el flujo descendente. lecho catalizador. La reacción general del paso térmico se ve así:

Debido a las altas temperaturas dentro del horno Claus, el azufre producido por el paso térmico es un vapor. La etapa térmica es responsable de la mayor parte de la producción de azufre, alrededor del 60-70%. Para aumentar el rendimiento, el vapor rico en azufre del paso térmico se alimenta a una serie de recalentadores y convertidores catalíticos. Los recalentadores se utilizan para garantizar que el vapor de azufre no se condense en un líquido, mientras que el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de azufre restantes del paso térmico reaccionan en lechos mixtos de catalizador de alúmina y titania para producir más vapor de azufre, junto con agua, básicamente. repitiendo el segundo paso de la reacción anterior para exprimir el último poco de azufre de la materia prima. El gas de cola de la unidad de recuperación de azufre (SRU), como se conoce colectivamente al equipo de proceso Claus, todavía necesita depuración antes de ser liberado, pero en general, alrededor del 95 al 99,9 % del azufre en la materia prima se recupera como azufre elemental.

Hasta este punto, todos los procesos utilizados han sido a temperaturas lo suficientemente altas como para que el azufre elemental haya estado en fase gaseosa. Pero en este punto, condensar el vapor en líquido hace que sea más fácil de manejar. El azufre es un líquido viscoso de color rojo anaranjado oscuro a 125 °C, una temperatura que es fácil de alcanzar y mantener industrialmente, lo que significa que el azufre líquido se puede bombear alrededor de las plantas en tuberías aisladas y calentadas. El azufre líquido puede incluso transportarse a distancias cortas en camiones cisterna aislados, pero para almacenar y transportar una gran cantidad de azufre, es necesario volver a convertirlo en sólido.

El azufre sólido es bastante fácil de preparar. El azufre líquido caliente se bombea a una máquina llamada rotoformadora, que es básicamente un gran cilindro perforado. El azufre líquido sale de los orificios a medida que el cilindro gira y se extruye sobre una cinta transportadora de acero en forma de pequeños puntos líquidos. El agua rociada en la parte inferior del cinturón enfría el azufre, que se solidifica en pequeños trozos amarillos que parecen gotas de limón. De hecho, estas pequeñas bolitas de azufre se llaman "pastillas", en un guiño a su aspecto de confitería. Una línea de rotoformado puede producir muchas toneladas de pastillas por día, y el azufre se acumula en montañas antes de ser cargado en barcos o trenes de carga a granel para su envío.

¿Pero de qué sirve todo esto? El azufre elemental tiene muchos usos industriales (me viene a la mente la vulcanización del caucho para neumáticos), pero la mayor parte del azufre se convierte en un único producto inmensamente útil: el ácido sulfúrico. En 2020 se fabricaron alrededor de 256 millones de toneladas de ácido sulfúrico; algunas estimaciones cifran la demanda futura en 400 millones de toneladas anuales. La mayor parte del ácido sulfúrico se destina directamente a la fabricación de fertilizantes, donde se utiliza para disolver minerales de fosfato en ácido fosfórico, la materia prima para los fertilizantes de fosfato. El ácido sulfúrico también se utiliza para fabricar tintes, productos farmacéuticos, plásticos, tintas, explosivos y, por supuesto, baterías de automóviles. Se le conoce como "El rey de los productos químicos" por muy buenas razones.

El ácido sulfúrico se produce en un proceso que se asemeja a una versión inversa de las reacciones utilizadas para eliminarlo del gas natural y el petróleo crudo. Hay dos procesos principales, el proceso de contacto y el proceso de ácido sulfúrico húmedo. Ambos son muy similares y comienzan quemando azufre elemental en una atmósfera de oxígeno para crear dióxido de azufre (SO2) y luego continúan la oxidación de los productos pasándolos sobre un catalizador de óxido de vanadio (V). Esto agrega otro oxígeno y produce trióxido de azufre (SO3), que luego se convierte en ácido sulfúrico o H2SO4:

El estatus real del ácido sulfúrico en el mundo químico no es sólo un honorífico: realmente es una indicación del poder industrial de una nación. Sin ácido sulfúrico, la mayoría de los procesos industriales del mundo se paralizarían rápidamente, dejando a la humanidad hambrienta, desnuda, enferma y sin agua potable. Por lo tanto, un suministro continuo de azufre, y por lo tanto de azufre, es fundamental para mantener la vida tal como la conocemos funcionando sin problemas.

Pero, debido a que la producción de azufre se ha entrelazado tan estrechamente con la producción de combustibles fósiles, potencialmente nos enfrentamos a un futuro en el que el azufre escaseará gracias a la descarbonización. Existían métodos para extraer azufre antes de que la industria petrolera convirtiera al azufre esencialmente en un subproducto libre; El método Frasch utilizaba vapor a alta presión inyectado en pozos excavados en formaciones naturales donde microbios antiguos redujeron el azufre ambiental y dejaron enormes depósitos de azufre elemental. Pero este método es mucho más caro que los métodos actuales de recuperación de azufre y tiene un alto coste medioambiental que podría ser difícil de aceptar.

Sin embargo, una cosa es segura: para que la sociedad industrial moderna continúe, el azufre debe fluir. Cómo se extrae de forma segura y económica en un mundo descarbonizado será un interesante desafío de ingeniería.