Información de evaluación sobre los depósitos de arcilla de Abu Zenima como posible fuente de materia prima para la industria cerámica: teledetección y caracterización

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 58 (2023) Citar este artículo

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El rápido desarrollo y las mutaciones han potenciado la industrialización de la cerámica para suplir los requerimientos de los países a nivel mundial. Por lo tanto, la exploración continua de nuevas reservas de posibles materias primas cerámicas es necesaria para abrumar la creciente demanda de industrias cerámicas. En este estudio, se realizó ampliamente la evaluación de la idoneidad de las aplicaciones potenciales para los depósitos de arcilla del Cretácico Superior (Santoniano) en el área de Abu Zenima, como materia prima en las industrias cerámicas. Se emplearon datos de teledetección para mapear la formación que contiene caolinita, así como para determinar las ocurrencias adicionales de reservas de arcilla en el área estudiada. En este contexto, diez materiales arcillosos representativos de la Formación Matulla fueron muestreados y examinados por sus características mineralógicas, geoquímicas, morfológicas, físicas, térmicas y de plasticidad. Se examinaron las composiciones mineralógicas y químicas de los materiales arcillosos iniciales. Las propiedades fisicoquímicas de la superficie de la arcilla estudiada se estudiaron utilizando SEM-EDX y TEM. El análisis granulométrico confirmó las características adecuadas de las muestras para la fabricación de gres cerámico blanco y baldosas cerámicas. Las propiedades tecnológicas y de idoneidad de los depósitos de arcilla investigados demostraron la idoneidad industrial de la arcilla Abu Zenima como posible materia prima cerámica para varios productos cerámicos. La existencia de altas reservas de caolín en el área de estudio con calidad y cantidad razonables tiene importancia regional. Ayudaría significativamente a reducir el costo de fabricación y abrumaría la alta tasa de consumo. Se espera que los fabricantes de cerámica en las áreas investigadas traigan productores estables a la industria a largo plazo para obtener la ventaja de materias primas, mano de obra y construcción de fábricas de bajo costo.

Las arcillas naturales son generalmente materiales antiguos abundantes y bien conocidos utilizados por los humanos y todavía se usan ampliamente en diversas aplicaciones. Las arcillas, en particular, tienen un excelente historial de utilización en varias industrias, como la construcción de ladrillos, infraestructura, insecticidas, filtros de agua, caucho, productos farmacéuticos y de cuidado personal. Además, las arcillas se han involucrado recientemente en el diseño de nuevos materiales y compuestos para diversos fines de desarrollo, como cerámicas tradicionales y de ingeniería1, agregados ligeros2, compuestos híbridos metalocerámicos3, geopolímeros4, adsorbentes5, compuestos de espuma sintáctica ligera6, preservación de lípidos7, construcción cementosa materiales8, membrana cerámica de bajo costo9 y vehículos farmacéuticos en sistemas de administración de fármacos10.

Las arcillas están compuestas naturalmente de minerales arcillosos, sedimentos no arcillosos y una cantidad particular de humedad. Las arcillas suelen ser una combinación de aluminosilicatos hidratados de estructura en capas que existen con proporciones de dióxido de silicio (SiO2)/óxido de aluminio (Al2O3) que oscilan entre 2,0/1,0 y (4,0–5,0)/1,01. Las arcillas se pueden subdividir en varias categorías, incluidas las arcillas ricas en montmorillonita, caolinita, ilita y clorita. La selección de arcillas adecuadas como materia prima primaria para productos cerámicos a base de arcilla se puede determinar en función de sus propiedades mineralógicas, químicas, físicas y de tamaño de partícula11. A nivel mundial, las arcillas ricas en caolinita son los minerales de aluminosilicato más abundantes y ampliamente utilizados, especialmente en Egipto12. Caolinita (\({\mathrm{Al}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}\cdot 2{\mathrm{SiO}}_{2}\cdot 2{\mathrm{H}} _ {2}\mathrm{O}\)) se considera como los abundantes minerales que existen en la corteza terrestre. En consecuencia, las arcillas ricas en caolín y caolinita se utilizan ampliamente en la fabricación de cerámica tradicional. Históricamente, los depósitos de caolín fueron originalmente la primera materia prima utilizada en la industria cerámica y siguen siendo la aplicación industrial más conocida de los depósitos de caolín. Las propiedades más importantes que existen naturalmente en el caolín para fines cerámicos son la plasticidad, el tamaño de las partículas y el color cocido. Además, existen varios tipos de arcillas que se utilizan en la industria cerámica, como las arcillas plásticas de cocción blanca (arcillas esféricas)13, las arcillas blancas de cocción de plasticidad media-baja14, las arcillas plásticas de cocción roja15, las arcillas de cocción roja con carbonatos16. Las arcillas cerámicas podrían estar en las condiciones de depósito originales o haber sido sometidas a enterramiento, con los efectos relacionados de la diagénesis. Estas condiciones podrían conducir a la consolidación progresiva del sedimento (es decir, de arcilla a arcilla a lutita) hasta la litificación (pizarra) con las consiguientes modificaciones de la composición mineralógica (es decir, ilita-esmectita interestratificada > ilita > sericita) y propiedades físicas ( especialmente plasticidad y triturabilidad). Las plantas cerámicas pueden procesar desde sedimentos no consolidados hasta materiales arcillosos moderadamente consolidados, pero la arcilla arcillosa fuertemente litificada generalmente debe tratarse como "materiales duros" (es decir, rocas feldespáticas)16,17.

El aumento de la población es uno de los principales factores que impulsan el crecimiento de la demanda del mercado cerámico. Además, el cambio de población del campo a las áreas urbanas ha aumentado dramáticamente. Este cambio en los niveles de vida requerirá un mejor saneamiento e higiene. Además, COVID-19 ha afectado gravemente a la industria de la construcción debido a los cierres. En consecuencia, existe una demanda de mercado cada vez mayor de minerales de caolín, materiales de construcción y productos cerámicos. Por lo tanto, se necesita la exploración continua de nuevas reservas de yacimientos de caolín para superar la creciente demanda de industrias cerámicas y la escasez de recursos.

El presente estudio tuvo como objetivo evaluar las arcillas ricas en caolinita sin explotar del área de Abu Zenima, South Sinai, Egipto, para diversas aplicaciones cerámicas. Primero, se usaron técnicas de teledetección para evaluar las reservas de caolín en el área estudiada para la delineación regional de formaciones que contienen caolinita. A partir de entonces, se discutió intensamente el entorno geológico y las unidades litológicas del área de Abu Zenima. Además, el diseño experimental se compromete de la siguiente manera: (1) identificar las principales características de las muestras de arcilla recolectadas en términos de propiedades físicas, químicas, térmicas, de fases y microestructurales, incluida la espectroscopia de fluorescencia de rayos X (XRF), la difracción de rayos X (XRD), capacidad de intercambio de cationes (CEC), análisis infrarrojo transformado de Fourier (FT-IR), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM), espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDX), mediciones de adsorción/desorción de nitrógeno y análisis térmico gravimétrico (TG) y térmico diferencial (DTA); (2) también se investigó el análisis del tamaño de grano usando dos métodos diferentes; (3) la plasticidad, las curvas de Bigot y el estudio granulométrico se aplicaron con precisión para obtener una idea de la idoneidad de las muestras de arcilla examinadas para la fabricación de productos cerámicos; y (4) se presentó la importancia regional del presente estudio. En consecuencia, este estudio puede llenar con éxito el vacío en los estudios de los depósitos de arcilla de la región del Medio Oriente para ayudar a la economía local atrayendo a las industrias consumidoras.

El área de Abu Zenima es una de las localidades esenciales de Egipto para los recursos sedimentarios de caolinita. Posee la mayor calidad y reservas de caolinita de Egipto, que se estima en unos 120 millones de toneladas18,19. Las unidades de superficie litológicas en el área de Abu Zenima van desde las rocas del basamento precámbrico hasta los depósitos cuaternarios (Fig. 1). Las rocas del basamento están representadas principalmente por esquistos metamórficos, gneises y migmatitas, además de granitoides más antiguos intruidos por granitos más jóvenes y conjuntos de diques de diversa composición, que intruyeron sucesiones sedimentarias que acompañaron diferentes eventos tectónicos20,21,22.

El mapa geológico del área de estudio ocurrió a lo largo del lado este del Golfo de Suez (modificado después de Moustafa (1993)22 (número de permiso # 5437641072307) usando CorelDraw X3 en una imagen MSI Sentinel-2A mejorada (S2A_MSIL1C_20190220T081951_N0207_R121_T36RWT_2019022 0T102134, centro de acceso abierto de Copérnico; https ://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home), procesado con Envi 5.4 (versión de prueba, https://www.l3harrisgeospatial.com/Software-Technology/ENVI).

Las rocas sedimentarias son una parte interesante de la exploración caolinita, especialmente las de las edades Carbonífera y Cretácica18. El afloramiento sustancial de miembros que contienen caolinita en el área de estudio pertenece a la Formación Matulla de edad Cretácico Superior (Santoniano), que está expuesta al final de Wadi Khaboba y al norte de la llanura de El Markha (Fig. 1). Esta formación está compuesta por intercalaciones de arcillas, margas y areniscas de 60 m de espesor23,24. El área actual estuvo sujeta a sucesivas tectónicas a lo largo de las eras geológicas que dejaron una serie de fallas de diversa orientación (NNW-SSE, NE-SW y E-W)25. La Figura 1 muestra la distribución areal de las unidades litológicas en el área de estudio.

Se utilizaron datos de teledetección multiespectral (Sentinel-2A MSI) para mapear la formación con caolinita; este producto tiene una resolución radiométrica de 12 bits que proporciona una saturación de banda poco frecuente sobre superficies altamente reflectantes26. Los conjuntos de datos Sentinel-2A MSI L1C se adquirieron del Copernicus Open Access Hub (https://scihub.copernicus.eu/dhus/#/home). Tiene 13 bandas espectrales diferentes que cubren la región espectral de longitud de onda infrarroja de onda corta y visible. La variación en la resolución espacial de las bandas espectrales ha llevado al uso de estos datos en diversas aplicaciones (Tabla 1). El conjunto de datos Sentinel-2A MSI L1C se extrae del producto MSI L1B mediante métodos de corrección radiométrica y geométrica. La Tabla 1 muestra las características de las bandas espectrales de Sentinel-2A MSI.

Los datos MSI de Sentinel-2A se preprocesaron utilizando el método de corrección atmosférica, realizado por el algoritmo Dark Object Subtraction (DOS1) que se presentó desde Semi-Automatic Classification Plugin27 para QGIS versión 7.6.1. Todas las bandas del conjunto de datos de reflectancia superficial se apilaron y se volvieron a muestrear a una resolución espacial de 10 m utilizando el método bilineal y medio; luego, se subdividió espacialmente en el área de interés utilizando SNAP (versión 7.0).

Se utilizaron métodos de procesamiento de proporción de banda (BR) y análisis de componentes principales (PCA) para el mapeo de minerales de caolinita en particular. En primer lugar, se aplicó la técnica de proporción de bandas para mostrar depósitos potenciales de caolín mediante el uso de proporciones que enfatizan las características espectrales del material superficial significativo y suprimen las demás28,29,30,31. El mineral de caolinita muestra una respuesta de reflectancia espectral distintiva para las regiones visibles y de onda corta del espectro electromagnético32. Las principales características de absorción de la curva espectral de la caolinita ocurren alrededor de 1, 2, 10 y 12 bandas en función de los diferentes iones y grupos iónicos33. En consecuencia, las combinaciones de proporciones utilizadas en este estudio para discriminar la formación que contiene caolinita son B8/B4, B4/B2 y B11/B12 como RGB (Fig. 2a). El límite entre las rocas sedimentarias (colores verde amarillento y violeta) y las del basamento (color azul oscuro) está delimitado en la imagen BR resultante.

Ilustra (a) imagen compuesta en color RGB de proporciones B8/B4, B4/B2 y B11/B12, (b) índice de mineral de caolinita basado en la proporción de banda (B4/B8)*(3 + 4)/11 (los píxeles rojos se refieren a la Formación Matulla y los píxeles amarillos se refieren a las otras unidades geológicas arcillosas), y (c) la imagen compuesta de color RGB de PC1, PC2 y PC3 indica las ocurrencias de mineral de caolinita (minerales arcillosos: píxeles amarillos). Estas cifras se generaron a partir de la imagen Sentinel-2A MSI (S2A_MSIL1C_20190220T081951_N0207_R121_T36RWT_20190220T102134, Copernicus Open Access Hub; https://Scihub.copernicus.eu/dhus/ #/ #/ #/ #/ #/ #/10 ttps: // www.l3harrisgeospatial.com/Software-Technology/ENVI).

Debido a que la formación que contiene caolinita no es claramente visible (color púrpura muy claro), se utilizó la relación ((B4/B8) * (3 + 4)/11) para enfocarse en mostrar mejor el índice de caolinita34. Los píxeles de caolinita se recortaron para la formación de la edad del Cretácico y se presentaron sobre una imagen en escala de grises para una aclaración directa (Fig. 2b). Además, se aplicó el análisis de componentes principales (PCA) a las bandas Sentinel-2A MSI, que utilizó la correlación entre las bandas espectrales y el cálculo de la varianza de los datos para confirmar la delimitación de las unidades litológicas y la formación con caolinita. Los tres porcentajes altos de varianza de datos PC1, PC2 y PC3 han demostrado ser influyentes en la discriminación de las ocurrencias de mineral de caolinita (píxeles amarillos) en la Formación Matulla (edad Cretácica) de los otros miembros geológicos arcillosos (píxeles rojos) en la región de estudio. (Figura 2c). Obviamente, la interesante formación se ha observado en otras regiones dispersas, como en la parte norte y media (Fig. 2).

Teniendo en cuenta el mapa geológico anterior y los resultados de los pasos de procesamiento en Sentinel-2A MSI, se tomaron muestras de la Formación portadora de caolinita (Matulla), específicamente en la parte sur de la región estudiada (símbolo S; trazado en la Fig. 1) para estudiar sus propiedades. Esta parte sur seleccionada se considera un área guía para esta formación en otras ocurrencias.

Se recolectaron diez muestras de arcilla representativas del afloramiento de miembros con caolinita de la Formación Matulla en el área de Abu Zenima, Sinaí del Sur, Egipto. El muestreo se obtuvo de diez sitios en el área de estudio (etiquetados como AZ01-AZ010). Cada muestra etiquetada (con un peso aproximado de 15,0 kg) representa tres submuestras (con un peso aproximado de 5,0 kg), recolectadas de la capa de afloramiento de arcilla caolinítica superior, media e inferior. Posteriormente, las tres submuestras recolectadas se mezclaron y descuartizaron para asegurar una muestra de arcilla representativa y estadísticamente válida en cada sitio. A continuación, las muestras recolectadas se secaron en horno por separado a 60 ± 1 °C durante 36 h. A continuación, cada alícuota se trituró manualmente y se molió utilizando un molino de bolas de ágata de laboratorio y luego se pasó a través de tamices de 63 μm.

El análisis mineralógico de las muestras de arcilla estudiadas se evaluó mediante XRD (difractómetro Bruker D8 Discover) con un voltaje de aceleración de 40 kV, corriente de 30 mA y longitud de onda de radiación Cu Kα (λ = 1.5418 Å). La exploración se realizó en un rango de ángulo de 2θ de 3° a 80°. El análisis XRF se realizó para obtener información sobre la composición química de las muestras de arcilla estudiadas (Espectrómetro Philips PW 2400 WXRF). El análisis infrarrojo por transformada de Fourier (FT-IR) de la muestra AZ04 estudiada se ejecutó utilizando un espectrómetro IR Bruker Vertex-70 (Alemania) equipado con un interferómetro de cristal de diamante y sólido como una roca a temperatura ambiente. Los espectros FT-IR se obtuvieron con 256 escaneos por muestra a una resolución de 4 cm−1 en un rango de longitud de onda de 4000–400 cm−1. La evaluación de la morfología de la superficie de la partícula de la muestra AZ04 estudiada se examinó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) en un rango de aumento de 5–20 kx con un potencial de aceleración de 20 kV utilizando un JEOL JSM-6610LV SEM acoplado con un espectrómetro de rayos X de energía dispersiva (EDX; Oxford Energy Dispersive X-Max 20 mm2). Para las características estructurales y morfológicas internas de la muestra AZ04 estudiada, se realizó un microscopio electrónico de transmisión (TEM) en un rango de aumento de 20–50 kx (FEI, Tecnai G2 F20, 80–300 kV). Las mediciones de adsorción/desorción de nitrógeno también se realizaron para la muestra AZ04 estudiada con el fin de evaluar el área de superficie específica y el tamaño de poro (Barrett-Joyner-Halenda (BJH), Langmuir y Brunauer-Emmett-Teller (BET)) usando un Micromeritics ASAP 2020 a 77 K. El análisis térmico gravimétrico (TG) y térmico diferencial (DTA) se investigó utilizando TGA PT 1000 (250/2500 μV, Linseis, Alemania) con una velocidad de calentamiento de 10 °C/min que va desde los 30 °C C hasta 1000 °C. Además, la capacidad de intercambio catiónico (CEC) de las muestras de muestra AZ04 estudiadas se estimó con base en el método ASTM C 837–815.

El análisis del tamaño de grano de las muestras de arcilla se llevó a cabo utilizando dos métodos basados ​​en la fracción de tamaño: métodos de tamizado en húmedo y sedimentación con pipeta35,36. Los parámetros de plasticidad se determinaron mediante evaluaciones de límites de Atterberg (ASTM, D 4318-10), incluidos el índice plástico (PI), el límite plástico (PL) y el límite líquido (LL). Sin embargo, la LL y PL se realizaron con base en el método de Casagrande37, y la diferencia entre LL y PL se utilizó para calcular los valores de PI (PI = LL – PL)11,38. El índice de variabilidad de la composición (ICV; Eq. 1) y el índice químico de alteración (CIA; Eq. 2) se determinaron a partir de las siguientes ecuaciones:

Las curvas de Bigot se obtuvieron en condiciones de temperatura ambiente utilizando un barelatógrafo Adamel. Durante el secado, la contracción por secado lineal se derivó de las curvas de Bigot y el coeficiente de sensibilidad al secado (DSC) se calculó de acuerdo con la siguiente ecuación: DSC = [(Contenido de agua de la muestra de plástico)—(Contenido de agua a contracción constante)]/(Agua contenido a contracción constante)35,39,40. Brevemente, la arcilla estudiada fue triturada y rolada hasta obtener un tamaño de grano grueso de 1 mm. La formación de la arcilla requiere una cierta cantidad de agua en piezas de dimensión 15 × 15 × 30 mm (para medir el peso y la longitud de las piezas húmedas). Estas piezas fueron sometidas a secado en condiciones de aire libre en el aparato de Adamel Barellatograph. Este dispositivo puede rastrear y rastrear la curva de secado de acuerdo con la pérdida de masa. Al finalizar el secado, las piezas se pesaron y se secaron en estufa durante 24 h a 110 °C para medir la masa final y las longitudes secas. Estos parámetros permiten medir la contracción por secado y el agua requerida para la conformación, interposición y coloidal.

Los análisis mineralógicos cuantitativos de las muestras de arcilla a granel estudiadas del afloramiento de miembros con caolinita de la Formación Matulla en el área de Abu Zenima se realizaron y tabularon en la Tabla 2. El resultado obtenido no indicó diferencias significativas entre las muestras de arcilla recolectadas en la composición mineralógica. Además, los resultados muestran que la caolinita y el cuarzo son los constituyentes predominantes de todas las muestras, con porcentajes menores de ilita, hematita y feldespato. Las cantidades de caolinita en las muestras estudiadas variaron de 63,00 % en peso en la muestra AZ08 a 71,00 % en peso en la muestra AZ04. Sin embargo, las cantidades de cuarzo en las muestras estudiadas oscilaron entre 27,00 % en peso como en la muestra AZ02 y 34,00 % en peso en las muestras AZ05, AZ06 y AZ08 (Tabla 2). Se detectaron cantidades menores de ilita (hasta 2,00% en peso) en la mayoría de las muestras, excepto en las muestras AZ02, AZ07, AZ08 y AZ09. Además, también se identificaron rastros de hematita (hasta 3,00 % en peso) y feldespato (1,00 % en peso) en algunas muestras. La Figura 3a demuestra el patrón XRD orientado de la muestra representativa seleccionada (AZ04). En la muestra representativa, se detectaron tres fases únicas principales: caolinita, cuarzo e ilita. Los picos prominentes de caolinita fueron identificados y confirmados por los reflejos característicos a 2θ = 12,24° (001), 20,18° (reflejos múltiples) y 26,15° (002)41. De acuerdo con la ley de Bragg, se encontró que el espaciado entre capas calculado de los reflejos principales de caolinita era d(001) = 0,72 nm y d(002) = 0,34 nm. Los principales reflejos de cuarzo se encontraron en 2θ = 20,9 y 26,6°, evidenciados por los valores informados en la Tabla 2. Además, el pequeño reflejo en 2θ = 16,9° demostró la existencia de trazas de ilita. La presencia de las cantidades mencionadas de ilita y caolinita son propiedades favorables para el uso cerámico42. La Figura S2 compara los patrones XRD de todas las muestras estudiadas (material complementario).

Muestra la caracterización de la muestra estudiada: (a) patrones XRD, (b) espectros FT-IR, (c) isoterma de adsorción-desorción de N2 y (d) curvas DTA/TG.

La Figura 3b muestra las bandas FT-IR de la muestra de arcilla estudiada (AZ04). Varias bandas de absorción se presentan en este patrón IR, y estas bandas corresponden a la vibración de varios grupos funcionales. Generalmente, la caolinita comprende cuatro grupos hidroxilo distintos43. Las bandas de absorción de estos cuatro grupos hidroxilo se detectaron en un rango de longitud de onda entre 3500 y 3800 cm−1. Estos grupos hidroxilo son hidroxilo de agua absorbida (3619 cm-1), hidroxilo de la superficie interna (3669 cm-1), hidroxilo interno (3647 cm-1) e hidroxilo de la superficie externa (3698 cm-1)44. Además, las bandas observadas en 1121, 1030 y 1003 cm−1 se atribuyeron a las vibraciones de estiramiento asimétricas de los enlaces Si–O. Sin embargo, la banda de 528 cm−1 se atribuyó al enlace Al-O-Si en la caolinita41. Las bandas de 910 y 790 cm−1 indican las vibraciones de Si–O–Si y la vibración de estiramiento de los grupos Al–OH, respectivamente. Además, la banda de 751 y 683 cm−1 se asignó a bandas de estiramiento de Si–O45. La banda de 528 cm-1 se atribuyó a la flexión O-Al-O y a la deformación Al-O46. La banda de 460 cm-1 se asignó a las bandas de flexión/deformación de Si-O. La banda de estiramiento de Si-O-Si se observó nuevamente a 421 cm-1. Los resultados de FT-IR obtenidos y las bandas observadas confirmaron la presencia de caolinita y cuarzo en la muestra estudiada.

La Figura 3c ilustra las isotermas de adsorción-desorción de N2 de la muestra de arcilla estudiada (AZ04). Según la clasificación IUPAC, la muestra de arcilla estudiada sigue una isoterma de tipo IV47. La isoterma de tipo IV es específicamente característica de los materiales mesoporosos, típica de materiales con un diámetro de poro promedio de 2 a 50 nm. Este resultado confirma el carácter mesoporoso de las muestras de arcilla estudiadas. Además, se detectó el ciclo de histéresis H3 en la muestra investigada, lo que indica el empleo y la evacuación de los mesoporos por condensación capilar43. Los resultados revelaron que la muestra de arcilla investigada tiene un área superficial BET, un volumen total de poros y un diámetro medio de poros de 8,63 m2 g−1, 0,05 cm3 g−1 y 23,40 nm, respectivamente. Además, se encontró que el área de superficie de Langmuir y el área de superficie de BJH eran 6,64 y 11,01 m2 g−1, respectivamente. Además, según el método ASTM C 837-81, se encontró que la CIC de la muestra investigada era de 11 meq/100 g. Además, para obtener información sobre la carga superficial de la muestra de arcilla estudiada, se determinó el punto de carga cero (pHpzc) como se muestra en la Figura S1 (Material complementario). El pHpzc se determinó mediante el método de deriva de pH, como se informó anteriormente48,49, y se encontró que era 5,31 para la muestra AZ04. Determinar el pHpzc es crucial para la industria cerámica en caso de que se utilicen modificaciones químicas para la materia prima de arcilla.

Se realizaron análisis térmicos gravimétricos y térmicos diferenciales (TG-DTA) para obtener información sobre las variaciones fisicoquímicas a lo largo de los efectos endo y exotérmicos. La Figura 3d ilustra las curvas TG-DTA de la muestra de arcilla investigada en un rango de temperatura de 30-1000 °C. La figura 3d demuestra una pérdida de peso considerable en la muestra AZ04 al aumentar la temperatura de calentamiento. A partir de la curva DTA han aparecido cuatro picos endotérmicos sucesivos. Sin embargo, no se pudo detectar ningún pico exotérmico junto con el rango de temperatura. El primer pico endotérmico se observó en un rango de temperatura de 70 a 90 °C. Este pico endotérmico podría atribuirse a la eliminación de agua higroscópica o deshidratación del agua entre capas de los minerales arcillosos existentes (Fig. 3d). Se encontró que la pérdida de peso para el primer pico endotérmico a esta temperatura era del 2,1%. Al aumentar la temperatura, se detectó el segundo pico endotérmico en un rango de temperatura de 310 a 350 °C. El pico endotérmico en este rango de temperatura es característico de la goethita. En el segundo pico endotérmico, la pérdida de masa fue de aproximadamente 1,0%. El tercer pico endotérmico, un pico endotérmico ancho, apareció y se centró en un valor de temperatura de 528 ° C (Fig. 3d). La aparición de este gran pico podría atribuirse a la deshidroxilación del OH estructural de la caolinita. Más específicamente, esta deshidroxilación sucedió a través de la reestructuración de la capa octaédrica de caolinita en configuración atetraédrica en metacaolinita50. Además, la conversión de \(\alpha\)-cuarzo a \(\beta\)-fase de cuarzo también ocurre en el mismo rango de temperatura51. Se encontró que la pérdida de peso correspondiente para este pico endotérmico era del 11,7%. El último pico endotérmico se detectó entre 870 y 950 °C (Fig. 3d). La existencia de este pico confirma la presencia de caolinita bien cristalizada, y este pico endotérmico se debe a la ruptura de la metacaolinita52. El resultado obtenido se realizó de acuerdo con el resultado XRD.

Se realizaron SEM, TEM y EDX en la muestra de arcilla estudiada para obtener información sobre la morfología de la superficie, la estructura interna y la composición, respectivamente. La figura 4a–c ilustra las micrografías SEM para la muestra estudiada (AZ04) con diferentes aumentos. La superficie de caolinita apareció con una morfología compleja que mostraba pequeñas plaquetas dispuestas al azar que oscilaban entre 0,5 y 2,0 μm (Fig. 4a). Por otro lado, algunas partículas de caolinita mostraron esquinas y bordes hexagonales en su estructura (Fig. 4b). Además, la caolinita en la muestra estudiada presentó dislocaciones de partículas dispersas al azar en capas apiladas (Fig. 4c). Estas dislocaciones podrían ocurrir a lo largo del eje Y y múltiplos de b0/346. La figura 4d-f muestra las imágenes TEM de AZ04 con diferentes aumentos. El análisis TEM se realizó para revelar las características estructurales internas de la muestra investigada. La caolinita presentó partículas bien cristalizadas y bien constituidas que mostraban una morfología típica hexagonal y euédrica (Fig. 4d, e). Además, se observaron unidades grandes como cuadernillos o morfología plateada (Fig. 4f). Estos resultados indican la estructura pseudo-hexagonal de las capas de caolinita. Las partículas de caolinita son en su mayoría anisométricas con un grosor diminuto (a lo largo del eje Z) en comparación con sus otras dimensiones. Los componentes químicos en las superficies de la muestra de arcilla se evaluaron mediante análisis EDX (Fig. 4g). Los resultados obtenidos revelaron que los constituyentes más abundantes en la muestra estudiada fueron O, Si y Al. Además, también se detectaron cantidades mínimas de Ti y Fe. Los resultados de EDX confirmaron el análisis de composición química y XRD, lo que demuestra que la caolinita y el cuarzo son los constituyentes predominantes en la muestra de arcilla estudiada.

Muestra el análisis morfológico de la muestra de arcilla estudiada: (a–c) micrografías SEM, (d–f) imágenes TEM a diferentes aumentos y (g) espectros EDX.

Se realizó el análisis de composición química de las muestras a granel investigadas y se presenta en la Tabla 3. Los resultados obtenidos revelaron que SiO2, Al2O3 fueron los óxidos más abundantes en todas las muestras, junto con trazas de los otros óxidos que se enumeran en la Tabla 3. Los hallazgos de SiO2, las cantidades de Al2O3 estaban de acuerdo con la composición mineralógica de las muestras de arcilla investigadas. Los principales óxidos existentes (SiO2 y Al2O3) estaban predominantemente asociados con minerales de arcilla y cuarzo existentes en las muestras (confirmado por XRD) (Tabla 2). Sin embargo, en pequeñas cantidades, los otros óxidos como MgO, K2O, CaO, Na2O y P2O5 estaban presentes en todas las muestras. El rango de valores de SiO2, Al2O3 y Fe2O3 en las muestras estudiadas resultó ser 53,28–56,07, 26,84–28,43 y 1,45–3,51 % en peso, respectivamente. Los valores de estos tres óxidos confirman que estas arcillas son deseables para productos cerámicos53. Además, el contenido de cuarzo en las muestras estudiadas es tolerable ya que estas cantidades pueden digerirse fácilmente utilizando el flujo vítreo durante la cocción42. Generalmente, el Fe2O3 (óxido de hierro total) es el componente colorante primario en los materiales arcillosos. Además, las cantidades existentes de Fe2O3 son sensibles a la cocción (responsable del color rojizo tras la cocción) y suelen generar resultados inesperados en la textura y color de las arcillas cocidas54,55. Los resultados obtenidos mostraron un alto contenido de Fe2O3 en las muestras AZ01, AZ02, AZ08 y AZ09 (Cuadro 3). Estos resultados podrían deberse a la presencia de minerales hematites e ilita en las muestras antes mencionadas (Cuadro 2). Sin embargo, el contenido de Fe2O3 en la arcilla es un factor responsable de la coloración de las piezas cerámicas y la presencia de otros constituyentes como TiO2, MgO, CaO, MnO y puede influir considerablemente en el color de las arcillas cocidas52. Además, otros factores pueden influir en el color de los productos de arcilla cocida, como la temperatura de cocción, la atmósfera del horno y el contenido de Al2O3 en la arcilla. Según Piltz (1964), se calculó la importancia de los óxidos (Al2O3, CaO y Fe2O3) para el color al 100% y se trazó el diagrama ternario que muestra el color de las muestras de arcilla investigadas (Fig. 5a)56. Además, la correlación negativa entre Al2O3 y TiO2 o Fe2O3 en las muestras estudiadas (Tabla 3) sugiere que Fe y Ti podrían sustituir al Al en la estructura de caolinita en las muestras arcillosas. La existencia de contenido de CaO y MgO (óxidos alcalinotérreos) fue baja, con valores inferiores a 0,13 y 0,38 %p, respectivamente (Cuadro 3). Estos valores de contenido indicaron la ausencia de carbonatos (arcillas no calcáreas) en las muestras57. El bajo contenido de óxidos alcalinotérreos es de gran ayuda para prevenir la contracción del ladrillo en bruto58. Además, la cantidad de óxidos alcalinos como K2O y Na2O en las muestras de arcilla investigadas fue relativamente baja (menos del 0,24% en peso) (Tabla 3). De hecho, los óxidos alcalinos (es decir, K2O y Na2O) actúan como materiales fundentes, las arcillas caoliníticas naturalmente tienen una cantidad relativamente baja de óxidos fundentes52,59. Los óxidos de fundente (2,49–3,36 % en peso; Tabla 3) como TiO2, Fe2O3, K2O, MgO y CaO son importantes durante la cocción, lo que ayuda a la fusión de los silicatos y también une las partículas de arcilla58. Se encontró que los valores de pérdida por ignición (LOI) para las muestras estudiadas estaban en un rango de 11.36–14.50% en peso (Tabla 3). Estos valores de LOI obtenidos podrían atribuirse a la presencia de materia orgánica, volátiles sustanciales, deshidroxilación de los minerales arcillosos y/o descomposición de carbonatos. Se encontró que estos hallazgos estaban de acuerdo con otros investigadores cuando estudiaron varios tipos de arcillas57,60,61,62. Estos resultados fueron confirmados previamente por análisis térmico de las muestras estudiadas como se muestra en la Fig. 3d.

Ilustra: (a) El diagrama de tres componentes que muestra las diferencias de color de los ladrillos cocidos (según Piltz (1964)56), (b) el diagrama ternario de la CIA (según Nesbitt y Young (1982, 1984)63,64), (c) Textural clasificación de los sedimentos arcillosos estudiados siguiendo la relación entre los componentes arena, limo y arcilla y sus controles sobre la porosidad y la permeabilidad (según Shepard (1954)70).

Originalmente, la relación de masa de SiO2/Al2O3 que se encuentra en la caolinita y la montmorillonita puras era de 1,18 y 2,36, respectivamente11. La relación SiO2/Al2O3 en las muestras arcillosas estudiadas se encontró en el rango de 1,90 a 2,06. Los valores obtenidos son superiores al valor original de la caolinita pura e inferior a la montmorillonita, lo que confirma la presencia de cuarzo en las muestras arcillosas estudiadas.

Además, se utilizaron dos índices diferentes, a saber, el índice químico de alteración (CIA) y el índice de variabilidad de la composición (ICV), para deducir la roca madre y la paleometeorización de las muestras de arcilla estudiadas. El CIA, propuesto inicialmente por Nesbitt y Young (1982, 1984), se usaba comúnmente para clasificar el grado de meteorización química de las rocas generadoras63,64. Se encontró que los valores de CIA de las muestras de arcilla investigadas estaban en un rango de 98.07 a 98.65. Los valores implican que todas las muestras de arcilla del área estudiada estuvieron sujetas a condiciones de meteorización química intensiva (Tabla S1). Además, las condiciones climáticas intensivas condujeron a un enriquecimiento de productos ricos en Al. Los altos valores de CIA indicaron la madurez de los depósitos de arcilla de Abu Zenima y confirmaron que estos depósitos de arcilla contenían arcillas residuales ricas en caolinita (Fig. 5b)65. El ICV, inicialmente propuesto por Cox et al. (1995), se utilizó para medir la madurez composicional y la abundancia de alúmina en comparación con los otros cationes principales existentes en las muestras estudiadas66. Cuando ICV \(\ge \hspace{0.17em}\)1.0, estos valores indican rocas de lodo composicionalmente inmaduras y la presencia de una gran cantidad de minerales de silicato que no son arcillosos. Por el contrario, cuando ICV \(<\) 1, esto revela que la muestra es en su mayoría minerales arcillosos y de composición madura. Para las muestras estudiadas, los valores de ICV oscilaron entre 0,15 y 0,18. Los valores muy bajos de ICV confirman que las muestras eran en su mayoría caolinita acumulada en ambientes cratónicos y que el área estaba tectónicamente inactiva67,68.

La distribución del tamaño de partícula de los materiales arcillosos es un factor sustancial en la evaluación de su idoneidad para varias aplicaciones, especialmente en la industria cerámica. De hecho, la distribución del tamaño de partícula de los materiales arcillosos juega un papel crucial durante el proceso de secado y cocción en la caracterización de las propiedades de las suspensiones y pastas verdes (es decir, viscosidad y plasticidad)69. En este sentido, se realizó el análisis de granulometría para conocer los diversos tamaños de partículas y su cantidad (% en peso) para las muestras de arcilla estudiadas (Tabla 4). Los resultados obtenidos del análisis de granulometría mostraron que las tres categorías principales de tamaño (arena, limo y arcilla) estaban presentes en todas las muestras de arcilla estudiadas. La fracción de arcilla (partículas < 2 µm) fue el tamaño más predominante en las muestras estudiadas y se encontró en el rango porcentual de 47,7–61,7%. La existencia de fracciones de arcilla con valores altos es favorable para la industria cerámica. Se encontró que la fracción de limo (rango de partículas de 2 a 60 µm) era el segundo porcentaje más alto (26,8 a 38,8 %) después de la fracción de arcilla (Tabla 4). También se detectó una pequeña cantidad de la fracción de arena (partículas de 60 µm) y se encontró en un rango de 10,4 a 13,7 %. En general, las muestras de arcilla analizadas exhiben un rango de variación bajo en la distribución del tamaño de partículas. Sin embargo, la fracción de arena gruesa (partículas ˃ 60 µm) es el problema más importante para la industria cerámica. Este problema se puede resolver simplemente moliendo y tamizando, y luego se vuelve adecuado para productos cerámicos. Los resultados obtenidos del análisis del tamaño de partícula se representaron en el diagrama ternario de Shepard (1954) (Fig. 5c)70. La clasificación de Shepard sugiere que la muestra de arcilla estudiada podría ser arcilla limosa. Además, el diagrama ternario también evaluó la relación entre la fracción de arcilla, limo y arena y sus controles sobre la permeabilidad y la porosidad (Fig. 5c). De acuerdo con la clasificación de Shepard, las muestras investigadas se trazaron en los campos de baja porosidad y baja permeabilidad (el mismo dominio de clasificación). La porosidad y permeabilidad de las muestras estudiadas también fueron confirmadas por la clasificación e interpretación de McManus (1988)71.

La plasticidad se considera el parámetro más crucial para producir cerámica tradicional y fabricar productos arcillosos. La plasticidad proporciona la información necesaria sobre la trabajabilidad de cualquier material bajo estrés sin romperse y la influencia en la forma producida después de liberar este estrés. En otras palabras, la plasticidad puede ofrecer información sobre cómo utilizar las propiedades mecánicas y la presión en la producción de cuerpos arcillosos y cerámicos72. La plasticidad de los materiales arcillosos puede verse influida por la distribución del tamaño de sus partículas, la morfología, el origen de la formación geológica, la composición mineralógica y las impurezas (es decir, materia orgánica y minerales no arcillosos)54. Además, la plasticidad de la arcilla es directamente proporcional a su contenido de agua, especialmente para los minerales arcillosos laminares73. La Tabla 4 demuestra los límites de consistencia de todas las muestras investigadas, incluidas LL, PL y PI. Los valores de LL y PL de las muestras de arcilla investigadas se encontraron en el rango de 40,0–53,0 % y 24,0–28,0 %, respectivamente. En consecuencia, los valores de PI se encontraron en el rango de 14,0 a 28,0%. Los resultados obtenidos revelaron que la fracción de arcilla existente en la muestra podría ser un factor significativo que influye en la plasticidad, además de la composición mineralógica como el contenido de cuarzo. Se encontró que estos hallazgos estaban de acuerdo con otros autores cuando estudiaron la plasticidad de otros depósitos de arcilla42,72. Posteriormente, los valores (%) de los límites de consistencia calculados (LL y PI) se trazaron en el diagrama de Holtz y Kovacs (1981) (Fig. 6a)74. Este diagrama se construyó inicialmente para determinar la posición de los materiales arcillosos en los tres niveles de plasticidad. De acuerdo con el diagrama de Holtz y Kovacs, los depósitos de arcilla estudiados caen en la región de arcilla plástica moderada a excepción de las muestras AZ01 y AZ02 (estrella azul), que se encuentran en la región de arcilla plástica alta (Fig. 6a). La ubicación de estas muestras (AZ01 y AZ02) podría atribuirse al alto porcentaje de LL y la cantidad de fracciones de arcilla (partículas < 2 µm) y limo (rango de partículas de 2–60 µm) que existían en estas muestras. En general, los resultados obtenidos en la Tabla 4 mostraron que los valores de PI se ven significativamente afectados por las variaciones de los valores de LL. Los valores de LL de las muestras investigadas se encontraron dentro del rango aceptable de LL (30–60 %; según la literatura sobre cerámica) para la producción de cerámica69. Por otro lado, para las aplicaciones cerámicas, los valores altos de PL del material arcilloso pueden ser responsables de las dificultades de producción, como las etapas de secado, molienda y cocción. Además, una mayor resistencia mecánica siempre se asocia con materiales de mayor plasticidad53. En general, los límites de consistencia evaluados de las muestras de arcilla investigadas confirman que la mayoría de estos depósitos de arcilla son adecuados para diversas aplicaciones cerámicas.

Muestra: (a) La posición de las muestras de arcilla estudiadas en el diagrama de Holtz y Kovacs (según Holtz y Kovacs (1981)74) y (b) Curvas de Bigot de la muestra de arcilla.

Con el fin de conocer el comportamiento de los depósitos de arcilla investigados cuando se secan y también para evaluar la capacidad de la arcilla para expulsar o retener agua, se realizó la curva de Bigot. Las curvas de Bigot son herramientas de caracterización útiles comúnmente utilizadas en la fabricación de cerámica a base de arcilla para examinar la capacidad de secado de arcillas y pastas69. Además, las curvas de Bigot son una herramienta útil o un indicador preliminar para seleccionar materiales adecuados para productos cerámicos. La figura 6b ilustra la curva de Bigot de la muestra de arcilla investigada (contracción por secado frente a pérdida de peso). El resultado obtenido a partir de la curva de Bigot, secando a temperatura ambiente, implica que la muestra estudiada contiene alrededor de un 6,47% de humedad en agua. Además, la máxima contracción por secado de la muestra de arcilla fue de 6,81%, lo que indica un carácter de secado moderado.

En función de la composición mineralógica, la distribución del tamaño de las partículas, el análisis químico y la caracterización del material, la evaluación de la idoneidad del material arcilloso crudo investigado se puede realizar a través de varios diagramas de trazado. Fiori et al. (1989) construyeron un diagrama ternario basado en los parámetros mineralógicos (minerales arcillosos, cuarzo + feldespatos, y el total de otros componentes existentes (óxidos de Fe, carbonatos y accesorios)) del material arcilloso objetivo (Fig. 7a)75. Estos diagramas se consideran una clasificación práctica de las pastas arcillosas de base cerámica y son una referencia beneficiosa para la producción de tejas. Los datos trazados de las muestras estudiadas se encontraron en minerales arcillosos ricos. Según el criterio de Fiori, la presencia de una elevada fracción arcillosa en la muestra la hace apta para gres cerámico blanco y clinker (debido a la elevada proporción de componente caolinita)75. Se encontró que la composición mineralógica y química de los depósitos de arcilla estudiados estaba cerca de la arcilla estándar de Malasia (BBC), que se usa comúnmente como materia prima en la producción de baldosas cerámicas60. Esta cercanía de propiedades confirma que la arcilla investigada del área de Abu Zenima también se puede utilizar en la fabricación de baldosas cerámicas. Además, Fabbri y Fiori (1985) crearon otro diagrama ternario utilizando los datos geoquímicos (sílice, alúmina y algunos otros óxidos) de las muestras investigadas para clasificar materiales arcillosos y cuerpos cerámicos industriales (con referencias cerámicas de algunos países). 76. La Figura 7b muestra el trazado de los datos obtenidos en el diagrama ternario en comparación con la arcilla de referencia de los cuerpos cerámicos industriales de algunos países. El diagrama reveló que las muestras estudiadas se trazaron en el campo de gres blanco que hacía referencia a los cuerpos cerámicos industriales alemanes, ingleses y franceses. Estas muestras no eran adecuadas para productos de gres rojo (Italia) o cerámica estructural (Camboya). Los resultados del trazado en la Fig. 7b confirman los resultados obtenidos previamente del diagrama ternario de Fiori et al. (1989)75. La inadecuación de los depósitos de arcilla estudiados en la fabricación de cerámica roja o gres rojo puede explicarse a partir de los supuestos de Fiori et al. (1989) y Murray (2006)75,77. En base a estos supuestos, el material arcilloso que contiene una cantidad de Fe2O3 ≥ 5,0 % en peso se clasifica como arcillas de cocción al rojo (Tabla 3). Sin embargo, las arcillas que comprenden una cantidad de Fe2O3 de entre 5,0 y 1,0 % en peso son arcillas de cocción de bronceado B, y aquellas con una cantidad de Fe2O3 < 1,0 % son arcillas de cocción blancas. Debido a la cantidad promedio de Fe2O3 (1.77–3.51 wt%), las arcillas estudiadas no se recomiendan para la producción de cerámica roja.

Ilustra: (a) Diagrama ternario de Fiori et al. (1989)75 para la clasificación de los cuerpos arcillosos de base cerámica con base en los parámetros mineralógicos y (b) Diagrama triangular de materiales ricos en arcilla de Fabbri y Fiori (1985)76 con base en los datos geoquímicos.

La idoneidad del material de arcilla en bruto para diferentes productos cerámicos se puede determinar en función de los resultados del análisis del tamaño de las partículas. La Figura 8a representa el trazado de los datos obtenidos en el diagrama de Winkler78. El gráfico de Winkler, desarrollado por Nyakairu et al. (2002)79, evaluaron la idoneidad del material rico en arcilla a base de productos cerámicos en tres grupos de fracciones de grano (< 2,0 µm, 2,0–20,0 µm y > 20,0 µm). El diagrama reveló que todas las muestras estudiadas son aptas para tejas y ladrillos de mampostería excepto las muestras AZ01 y AZ05 (Fig. 8a). Se encontró que el AZ05 era más adecuado para productos huecos, lo que podría atribuirse a las fracciones más altas de 2,0 a 20,0 µm en comparación con las otras muestras. Sin embargo, se encontró que la muestra AZ01 no era favorable para las especificaciones del producto en el diagrama de Winkler (Fig. 8a), lo que requeriría un proceso de beneficio antes de su utilización.

Muestra: (a) Clasificación del tamaño de grano de los materiales ricos en arcilla según el esquema de Winkler (según Winkler (1954) y Nyakairu et al. (2002)78,79); Los campos se definen como: (I) ladrillos comunes, (II) ladrillos perforados verticalmente, (III) tejas y ladrillos de mampostería, y (IV) productos huecos, y (b) Pronóstico de moldeo a través de los límites de Atterberg (tabla de trabajabilidad) (después de Bain y Highley (1979) y Hosni y otros (2021)72,80).

Además, Bain y Highley (1979) construyeron el gráfico de trabajabilidad de la arcilla con base en el índice de plasticidad y el límite plástico de las arcillas investigadas (Fig. 8b)80. De acuerdo con la tabla de trabajabilidad de la arcilla, la mayoría de los materiales de arcilla investigados se ubicaron en el campo de extrusión aceptable, excepto la muestra AZ08, que se encontró en la región de moldeo óptima. Este hallazgo sugiere que las muestras de arcilla investigadas podrían usarse en cerámica y ladrillos. De acuerdo con Bain y Highley (1979)80, las muestras de arcilla ubicadas fuera de la región de extrusión aceptable y óptima, no en el presente trabajo, podrían ser adecuadas y utilizadas para el lanzamiento manual y/o el trabajo con lodo blando.

Un factor importante que influye en la idoneidad de las materias primas en el sector industrial es la cercanía y accesibilidad de las acumulaciones esperadas de materias primas. El afloramiento de depósitos de arcilla investigado en el área de Abu Zenima, específicamente de la Formación Matulla, es fácilmente accesible desde la nueva carretera asfaltada principal Suez-Sharm El-Sheikh. El sitio está ubicado a 130, 210 y 280 km de las ciudades de Suez, Ain El-Sokhna y El Cairo, respectivamente. La cercanía del área investigada a la mayoría de las áreas industriales aumenta significativamente la idoneidad de nuestros depósitos de arcilla explorados.

Debido al desarrollo instantáneo y los proyectos de construcción nacionales, la industria cerámica egipcia ha evolucionado significativamente y la demanda de materias primas para la industria cerámica ha aumentado rápidamente. Hoy en día, Egipto es uno de los principales productores africanos de baldosas cerámicas y el décimo a nivel mundial con un valor de producción de alrededor de 300 millones de m2/año (mordorintelligence.com). Además, la fabricación de cerámica, incluidos los productos industriales, domésticos y de construcción, es una de las industrias más prósperas de la economía egipcia. Además, se espera que la mayor expansión y el gasto en infraestructura, vivienda y urbanización aumenten el consumo de cerámica per cápita en los próximos años a niveles más altos. Por lo tanto, se requiere la exploración de nuevas reservas de yacimientos de arcilla como materia prima para satisfacer la mayor demanda de las industrias consumidoras de arcilla. Dado que existen importantes reservas de depósitos de arcilla en el área de Abu Zenima, South Sinai, Egipto, estos depósitos no han sido claramente estudiados y caracterizados según sus propiedades mineralógicas, químicas y tecnológicas para la industria cerámica. Además, se espera que los fabricantes de cerámica en las áreas investigadas traigan productores estables a la industria cerámica a largo plazo para obtener la ventaja de materias primas, mano de obra y construcción de fábricas de bajo costo. Los depósitos de caolín son el componente principal y más caro en la fabricación de cerámica. Por lo tanto, la existencia de altas reservas de caolín en el área de estudio con una calidad y cantidad razonables ayudaría significativamente a reducir el costo de fabricación y superar la alta tasa de consumo. La composición química principal y el contenido de caolinita del caolín investigado se compararon con varios depósitos de caolín egipcios informados en la literatura y se tabularon en la Tabla 5. Las materias primas presentadas en este estudio demostraron las materias primas más adecuadas para varios tipos de industria cerámica en función de su composición natural. La idoneidad de la arcilla caolinítica estudiada para aplicaciones industriales fue probada por características geoquímicas, granulométricas, cerámicas y técnicas. Por lo tanto, los hallazgos de la presente investigación ayudarán a mejorar el conocimiento de la arcilla de caolín del área de Abu Zenima y contribuirán a la explotación de estos depósitos y la optimización de la fabricación de cerámica.

Este estudio incluyó un estudio detallado de los depósitos de arcilla (arcilla rica en caolinita) pertenecientes a la formación Matulla en el área de Abu Zenima utilizando datos de teledetección, análisis mineralógico y geoquímico. Las técnicas de procesamiento de sensores remotos en los datos MSI Sentinel-2A (BR y PCA) permiten una mayor precisión en la clasificación de formaciones que contienen caolinita y la identificación litológica a escala regional. Los datos obtenidos por teledetección indicaron que el área investigada se considera prometedora debido a la presencia de depósitos de arcilla en grandes cantidades. Los depósitos de arcilla del Cretácico Superior (Santoniano) (diez muestras) en el área de Abu Zenima fueron evaluados extensamente usando varias técnicas de caracterización. El análisis mineralógico (XRD) reveló que la caolinita y el cuarzo fueron los constituyentes predominantes de las muestras de arcilla estudiadas, asociados con porcentajes menores de ilita, hematita y feldespatos. Las mediciones de la superficie revelaron que la muestra representativa tiene un área superficial BET, un volumen total de poros y un diámetro medio de poros de 8,63 m2 g−1, 0,05 cm3 g−1 y 23,40 nm, respectivamente, y sigue una isoterma de tipo IV ( característica mesoporosa). El análisis químico de los polvos de arcilla crudos confirmó que Al2O3 y SiO2 eran los óxidos más abundantes en todas las muestras. Los altos valores de CIA indican la madurez de los depósitos de arcilla de Abu Zenima y confirman que las arcillas estudiadas son ricas en caolinita. Desde un punto de vista tecnológico, las muestras estudiadas son en gran medida adecuadas para diversos productos cerámicos. La fracción de arcilla con valores altos es favorable para la industria cerámica. Además, los materiales arcillosos demostraron una plasticidad moderada adecuada para gres cerámico blanco y clinker. La comparación de la composición mineralógica y química de los depósitos de arcilla estudiados con la arcilla estándar de Malasia mostró una gran similitud y confirmó su idoneidad para ser utilizada como materia prima en la producción de baldosas cerámicas. Los resultados también revelaron la inadecuación de estas arcillas en la fabricación de cerámica roja o gres rojo debido a la cantidad media de Fe2O3. Según las especificaciones de Winkler, las muestras estudiadas son aptas para tejas y ladrillos de mampostería, excepto las muestras AZ01 y AZ05, que son aptas para productos huecos. La muestra AZ01 podría tratarse con un proceso de beneficio para que sea más conveniente para los productos mencionados anteriormente. Además, se encontró que la trabajabilidad de los materiales de arcilla estudiados estaba en el campo de extrusión aceptable, y la muestra AZ08 se encontró en la región de moldeo óptima. En general, los resultados positivos obtenidos y los hallazgos tecnológicos prometedores verifican el potencial de los yacimientos arcillosos del Cretácico Superior (Santoniano) como posibles materias primas para productos de gres cerámico blanco, baldosas y ladrillos, además de su cercanía y fácil accesibilidad para el sector industrial esperado.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este estudio fue apoyado financieramente por la Academia de Investigación Científica y Tecnología (ASRT), Egipto (Proyecto No. 9473). Todos los autores expresan sinceramente su reconocimiento y agradecimiento a los revisores cuyos comentarios críticos han mejorado significativamente la calidad de esta publicación. El Dr. Radwan agradece el Antropoceno del Área de Investigación Prioritaria del programa "Iniciativa de Excelencia: Universidad de Investigación" en la Universidad Jagellónica de Cracovia.

Financiamiento de acceso abierto proporcionado por The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en cooperación con The Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Departamento de Geología, Facultad de Ciencias, Universidad de Suez, PO Box 43518, Ciudad de El Salam, Gobernación de Suez, Egipto

Ali Maged, Sherif Ahmed Abu El-Magd y Sherif Kharbish

Facultad de Geografía y Geología, Instituto de Ciencias Geológicas, Universidad Jagellónica, Gronostajowa 3a, 30-387, Cracovia, Polonia

Ahmed E. Radwan

Departamento de Geología, Facultad de Ciencias, Universidad de Zagazig, Ciudad de Zagazig, 44519, Gobernación de Sharkia, Egipto

Sara Zamzam

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Correspondencia a Ali Maged.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Recibido: 02 Septiembre 2022

Aceptado: 15 de diciembre de 2022

Publicado: 02 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26484-5

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