UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA Y METALÚRGICA
REMOCIÓN DE CADMIO DE AGUAS ÁCIDAS DE MINA
UTILIZANDO UN REACTIVO SECUESTRANTE
TESIS
PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE MAESTRO EN
CIENCIAS CON MENCIÓN EN MINERÍA Y MEDIO AMBIENTE
ELABORADO POR:
MARÍA LOURDES HEREDIA CÁCERES
ASESOR:
ING. M.SC. JOSÉ ANDRÉS VIDALÓN GÁLVEZ
LIMA – PERÚ
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a:
Dios y a mi Virgencita de Chapi que día a día me protegen y me guían en el camino de mi vida profesional.
A mi mayor bendición e inspiración, mi hijita Mariana Valentina.
A mi amado José Alfredo por su apoyo incondicional. A mis abuelitos Carlitos (+) y Alberto por sus sabios
consejos.
AGRADECIMIENTOS
ÍNDICE DE CONTENIDO
RESUMEN... XII ABSTRACT ... XIV
CAPÍTULO I ... 16
INTRODUCCIÓN ... 16
1.1 OBJETIVOS ... 19
1.1.1 Objetivo General ... 19
1.1.2 Objetivo Específico ... 19
1.2 JUSTIFICACIÓN ... 19
1.3 HIPÓTESIS ... 22
1.4 METODOLOGÍA ... 22
1.4.1 Métodos Teóricos ... 22
1.4.2 Métodos Prácticos ... 23
CAPÍTULO II ... 24
MARCO TEÓRICO ... 24
2.1 ANTECEDENTES ... 24
2.1.1 Situación de los Recursos Hídricos... 24
2.1.2 Usos de los Recursos Hídricos ... 26
2.1.3 Calidad del Agua ... 28
2.2 MARCO LEGAL ... 29
2.2.1 Estándares de Calidad Ambiental para Agua ... 31
2.2.2 Límites Máximos Permisibles... 32
2.3 ZONA DE ESTUDIO: PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS DE MBM …… ... 33
2.3.1 Ubicación y Descripción de la Unidad Minera Pierina MBM .. 33
2.3.2 Descripción de la Planta de Tratamiento de Aguas ... 35
2.4 PROBLEMÁTICA DE LOS METALES PESADOS ... 47
2.4.1 Definición de Metal Pesado ... 47
2.4.2 Toxicidad del Cadmio ... 49
2.4.3 Fuentes Naturales del Cadmio ... 52
2.5 TRATAMIENTOS CONVENCIONALES DE ELIMINACIÓN DE
METALES PESADOS DE AGUAS ÁCIDAS ... 55
2.5.1 Precipitación Química ... 57
2.5.2 Intercambio Iónico ... 63
2.5.3 Adsorción... 65
2.5.4 Tecnología de Membranas ... 68
2.5.5 Procesos Electroquímicos ... 72
2.5.6 Extracciones Orgánicas ... 75
2.6 TRATAMIENTO DE AGUAS ÁCIDAS CON REACTIVO SECUESTRANTE TMT: UNA TECNOLOGÍA ALTERNATIVA ... 78
2.6.1 Agentes Quelantes o Secuestrantes ... 78
2.6.2 Generalidades del Reactivo Secuestrante TMT ... 80
2.6.3 Descripción del Reactivo Secuestrante TMT ... 81
2.6.4 Ventajas del Reactivo Secuestrante TMT ... 84
2.6.5 Seguridad y Manipulación del Reactivo Secuestrante TMT .. 85
2.6.6 Embalaje del Reactivo Secuestrante TMT ... 87
2.6.7 Transporte, Almacenamiento y Etiquetado del Reactivo Secuestrante TMT ... 88
2.6.8 Usos del Reactivo Secuestrante TMT ... 88
CAPÍTULO III ... 91
PARTE EXPERIMENTAL ... 91
3.1 PRUEBAS REALIZADAS A NIVEL LABORATORIO ... 91
3.1.1 Materiales, Reactivos Químicos y Equipos ... 91
3.1.2 Consideraciones Generales ... 92
3.1.3 Procedimiento Experimental ... 93
3.2 PRUEBAS REALIZADAS A NIVEL INDUSTRIAL ... 112
3.2.1 Materiales, Reactivos Químicos y Equipos ... 112
3.2.2 Consideraciones Generales ... 112
3.2.3 Procedimiento Experimental ... 113
CAPÍTULO IV ... 117
4.1 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS A NIVEL LABORATORIO ... 117
4.1.1 Resultados y Análisis de Resultados de la Prueba Dosificando el Reactivo Secuestrante TMT después de la Neutralización 117
4.1.2 Resultados y Análisis de Resultados de la Prueba Dosificando el Reactivo Secuestrante TMT Antes de la Neutralización .. 120 4.1.3 Resultados de la Prueba Variando la Dosificación del Reactivo Secuestrante TMT ... 123 4.2 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LAS PRUEBAS
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1 – Distribución Global del Agua del Mundo ... 25
Fig. 2 – Disponibilidad del Agua Interna Renovable Per Cápita por Países . 26 Fig. 3 – Extracciones de Agua por Sector ... 28
Fig. 4 – Ubicación Geográfica de la Mina Pierina ... 34
Fig. 5 – Proceso Productivo Simplificado en Minera Pierina MBM ... 35
Fig. 6 – Planta de Tratamiento de Agua de Mina de Minera Pierina MBM ... 36
Fig. 7 – Pozo 25 donde se bombea el agua ácida a la Planta de Tratamiento ... 37
Fig. 8 - Silo de Almacenamiento de Cal de la Planta de Tratamiento de Agua de Mina ... 38
Fig. 9 - Tanque de Almacenamiento de Lechada de Cal de la Planta de Tratamiento de Agua de Mina ... 39
Fig. 10 – Tanque Reactor de la Planta de Tratamiento de Agua de Mina .... 39
Fig. 11 – Tanque de Almacenamiento del Reactivo Floculante de la Planta de Tratamiento de Agua de Mina ... 40
Fig. 12 – Segundo Cajón de Contacto donde se Dosifica el Reactivo Floculante ... 41
Fig. 13 - Poza Impermeabilizada de Sedimentación de la Planta de Tratamiento de Agua de Mina ... 42
Fig. 14 - Sistema de Bombeo de Lodos Generados en la Planta de Tratamiento de Agua de Mina ... 42
Fig. 15 - Poza de Lodos 1 ... 43
Fig. 16 - Poza de Lodos 2 ... 44
Fig. 17 – Vertedero de Agua Tratada hacia las Comunidades para uso en Bebida de Animales y Riego de Vegetales ... 44
Fig. 18 – Diagrama de Flujo del Proceso de la Planta de Tratamiento de Agua ... 46
Fig. 19 – Curvas de Solubilidades de Hidróxidos Metálicos ... 60
Fig. 20 – Curvas de Solubilidad de Sulfuros Metálicos ... 62
Fig. 22 – Proceso de Intercambio Iónico ... 65
Fig. 23 – Reactor del Proceso de Adsorción ... 68
Fig. 24 – Proceso de Ósmosis Inversa ... 71
Fig. 25 – Esquema del Reactor Electroquímico ... 74
Fig. 26 – Separación de Metales Pesados en Aguas Residuales de Manera Respetuosa con el Medio Ambiente ... 81
Fig. 27 – Sal Trisódica de la Trimercapto-S-Triazina ... 82
Fig. 28 – Precipitación de Metales Pesados Mono y Bivalentes con Reactivo Secuestrante TMT ... 83
Fig. 29 – Muestras Iniciales de las Pruebas Realizadas a Nivel Laboratorio: Dosificando el Reactivo Secuestrante TMT Después de la Neutralización. . 94
Fig. 30 – Agitadores para la Realización de las Pruebas de Neutralización y Sedimentación – Prueba N° 1 a Nivel Laboratorio ... 95
Fig. 31 – Medición de pH de las Pruebas de Neutralización - Prueba N° 1 a Nivel Laboratorio ... 95
Fig. 32 – Neutralización del Agua Ácida con Cal - Prueba N° 1 a Nivel Laboratorio ... 96
Fig. 33 – Sedimentación de las Pruebas de Neutralización - Prueba N° 1 a Nivel Laboratorio ... 97
Fig. 34 - Muestras Finales de las Pruebas Realizadas a Nivel Laboratorio: Dosificando el Reactivo Secuestrante TMT Después de la Neutralización .. 97
Fig. 35 – Secuencia de la Prueba N° 1 a Nivel Laboratorio: Dosificación del Reactivo Secuestrante TMT Después de la Neutralización... 99
Fig. 36 - Agitadores para la Realización de las Pruebas de Neutralización y Sedimentación - Prueba N° 2 a Nivel Laboratorio ... 101
Fig. 37 - Medición de pH de las Pruebas de Neutralización - Prueba N° 2 a Nivel Laboratorio ... 102
Fig. 38 – Dosificación del Reactivo Secuestrante TMT al Agua Ácida - Prueba N° 2 a Nivel Laboratorio ... 102
ÍNDICE DE GRÁFICAS
ÍNDICE DE TABLAS
RESUMEN
El agua es un recurso natural imprescindible para el desarrollo de la vida en todas sus manifestaciones, es un recurso de gran valor para la mayoría de los procesos productivos. Pero también es un recurso agotable.
La Unidad Minera Pierina MBM, que se encuentra ubicada en la provincia de Huaraz, región Ancash cuyas operaciones son a tajo abierto. Tiene un compromiso ambiental para con las comunidades aledañas, contemplado en su Política Ambiental, de esta manera asegurar la entrega de agua a las comunidades en la calidad y cantidad comprometidas.
La Planta de Tratamiento de Agua procesa el agua de mina obtenida por bombeo de los pozos de desaguado del fondo del tajo, las aguas captadas por los taladros horizontales y cualquier filtración o afloramiento de la zona. Estas aguas luego de su tratamiento son captadas por las comunidades, cuyo uso es para riego de vegetales y bebida de animales, el exceso de agua es aprovechada para el riego de vías y accesos dentro de las operaciones mineras.
Con la actualización y publicación de la norma referente a los Límites Máximos Permisibles (LMP), el D.S. N° 010-2010-MINAM, se incluye el monitoreo de cadmio (II) y otros metales. Según esta norma el valor de la concentración de cadmio total (II) debe ser de 0.05 mg/L, pero con el proceso mencionado anteriormente sólo llega a remover hasta un máximo de 0.1 mg/L de cadmio total (II).
La característica principal del agua neutralizada obtenida en la Planta de Tratamiento de Agua es el valor de la concentración de cadmio total (II) el cual supera el límite máximo permisible de descarga, condición tal que la hace imposible de poder ser descargada a cursos de agua que utilizan las comunidades.
ABSTRACT
Water is esencial for the development of life in all its manifestations; it is a natural and valuable resource for most production processes. But it is also an exhaustible resource.
Pierina MBM Minning Unit, which is located in the province of Huaraz, Ancash region whose operations are open pit. It has an enrironmental commitment to the surrounding communities, referred to in its Environmental Policy, thus ensuring the delivery of water to communities engaged in quality and quantity.
The Water Treatment Plant processes the mine water obtained by pumping wells drained the bottom of the pit, water drawn by horizontal drilling and any leak or outcropping in the area. These water treatment then are picked up by the communities, whose use is for irrigation of plants and animals drink, excess water is utilized for irrigation and access roads within the mining operations.
The treatment system is through neutralization by lime slurry dosage.
concentration of cadmium (II) should be from 0.05 mg/L, but with the aforementioned process remove only reaches up to 0.1 mg/L total cadmium (II).
The main feature of neutralized water obtained in the Water Treatment Plant is the value of the concentration of total cadmium (II) which exceeds the maximum permissible limit of discharge condition such that makes it impossible to be discharged into waterways using communities.
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Uno de los principales problemas de la sociedad en el siglo XXI es la contaminación ambiental por metales pesados, la cual es generada por diversos procesos industriales tales como la minería, la metalurgia, la galvanoplastía, etc. Una vez liberados al ambiente, los metales pesados circulan entre los ciclos bióticos y abióticos, se acumulan en diferentes compartimentos de la cadena trófica o en el ambiente pudiendo alcanzar concentraciones a niveles tóxicos para la flora, fauna, microorganismos e inclusive el hombre.
Los metales pesados constituyen un grupo de aproximadamente 40 elementos, de elevado peso atómico (mayor a 44) con una densidad mayor o igual que 5 g/cm3 (excluyendo a los metales alcalinos y alcalinotérreos).
El presente trabajo de tesis se ocupa del estudio de la remoción del cadmio de aguas ácidas de mina. A continuación se menciona algunas características relevantes del mismo.
El cadmio presenta una movilidad ambiental más elevada que la mayoría de los metales pesados, debido a la relativa solubilidad de sus sales e hidróxidos, lo que lo convierte en un contaminante cosmopolita. Su solubilidad en agua aumenta en medios ácidos, mientras que la adsorción a suelos y sedimentos se incrementa al aumentar el pH. En suelos ácidos el cadmio (II) puede lixiviarse y desplazarse a las aguas subterráneas. El tiempo de vida media del Cadmio (II) en el cuerpo humano es muy prolongado, de aproximadamente 30 años (Moreno, 2003).
Debido a los problemas que ocasiona la contaminación con metales pesados, las leyes que regulan la cantidad máxima permitida de metales pesados que pueden contener los efluentes industriales se han vuelto más restrictivas, es así, que los niveles máximos permisibles de contaminación con metales pesados tanto en aguas naturales, de bebida como en suelos se establecieron en mg/L.
En la actualidad, estas aguas no deben ser descargadas en cursos de agua, sin antes ser sometidas a un tratamiento previo, de manera que no representen una amenaza para el consumo directo, la agricultura, la vegetación, tal como lo establecen la R.M. N° 011-96-EM/VMN y el D.S. 010-2010-MINAM. El valor correspondiente a los Límites Máximos Permisibles (LMP) para la descarga de efluentes líquidos de actividades minero metalúrgicas establecidos en el D.S. 010-2010-MINAM, para el Cadmio (II) es de 0.05 mg/L.
En este contexto, la descarga de dichas aguas a los cuerpos receptores, deberá ser realizada después de tratarlas, para reducir la carga de compuestos contaminantes.
El elevado costo de los tratamientos convencionales para eliminar o remover dichos metales, ha motivado a la búsqueda de métodos alternativos que pueden sustituir a los procesos de tratamiento activo tradicionales empleados.
metales pesados formando compuestos muy estables obteniendo un sólido que puede ser separado fácilmente.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo General
El objetivo del presente estudio contempla elegir una metodología que sea efectiva para la remoción de cadmio total (II) del agua ácida de mina debido a que el efluente obtenido de la Planta de Tratamiento de Agua actual no reúne las condiciones necesarias para su descarga hacia las comunidades.
1.1.2 Objetivo Específico
a. Caracterizar la solución inicial.
b. Tener una Planta de Tratamiento de Agua con valor de concentración de descarga menor o igual a 0.05 mg/L de Cadmio (II) a la comunidad cumpliendo con el D.S. N° 010-2010-MINAM.
1.2 JUSTIFICACIÓN
industria de fertilizantes y pesticidas, la producción de energía atómica, entre otras, producen residuos que contienen metales pesados y éstos terminan transfiriéndose al medio ambiente debido a un incorrecto tratamiento o disposición final. Los metales pesados pueden ser acumulados en los distintos eslabones de la cadena trófica (“bioacumulación”), e incluso trasladados a sitios muy alejados del punto de origen de contaminación, usualmente a través de cursos de agua (“biomagnificación”). Estos dos procesos traen consecuencias ambientales graves para el ecosistema y para la salud del hombre (Wang y Chen, 2009).
La peligrosidad de los metales pesados es aún mayor al no ser ni química ni biológicamente degradables. Actualmente, se conocen más sobre los efectos adversos de estos elementos tanto en la salud humana (toxicología) como en los animales y plantas (ecotoxicología). Los efectos de los metales pesados sobre el funcionamiento de los ecosistemas varían considerablemente y son de importancia económica y de salud pública.
Existen numerosos métodos físicos, químicos y biológicos para el tratamiento y la remoción de metales pesados presentes en las aguas ácidas. Entre los métodos químicos, la precipitación y el tratamiento electroquímico son considerados ineficientes en especial cuando la concentración del metal en la solución se encuentra entre 1 y 100 mg/L; además, el primero de ellos produce grandes cantidades de lodo que debe ser posteriormente tratado. Entre los tratamientos físicos, el intercambio iónico y la adsorción sobre carbón activado son procesos costosos cuando se tratan grandes volúmenes de agua y efluentes conteniendo metales pesados en baja concentración por lo que no pueden ser usados a gran escala. Entre las tecnologías alternativas se destaca el uso del reactivo Secuestrante TMT el cual reacciona con los metales pesados formando compuestos muy estables y casi insolubles. Se obtiene un sólido que puede ser separado fácilmente. Con el reactivo Secuestrante TMT también se consiguen buenos resultados incluso cuando la precipitación con hidróxido no muestra ningún o casi ningún efecto.
1.3 HIPÓTESIS
Remover el Cadmio (II) Total del agua ácida que ingresa a la Planta de Tratamiento de Agua a un valor de concentración menor o igual a 0.05 mg/L utilizando el Reactivo Secuestrante TMT.
1.4 METODOLOGÍA
Con la finalidad de facilitar el proceso de investigación se utilizarán los siguientes métodos de investigación:
1.4.1 Métodos Teóricos
a. Deductivo e Inductivo, Se partirá de un hecho particular como es el saber que al utilizar relaciones de concentración de Reactivo Secuestrante TMT, concentración inicial de Cadmio (II) del agua ácida y pH diferentes se llegará a obtener un agua tratada con valores de concentración de Cadmio (II) menores o iguales a 0.05 mg/L.
1.4.2 Métodos Prácticos
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES
2.1.1 Situación de los Recursos Hídricos
El agua es un recurso en el que se apoya el desarrollo socioeconómico de las naciones, escenario básico para la actividad humana y la vida en general (ONU-WWAP, 2006). Existen dos tipos de fuentes de abastecimiento de agua: las aguas superficiales que son las que se encuentran a la altura de la superficie de la tierra como son ríos, lagos y lagunas. Las aguas subterráneas que son las que se encuentran en el subsuelo por filtración y son el resultado del ciclo hidrológico, por ejemplo los mantos freáticos (Arellano, 2002). Del 100% del recurso, el 97.1% es agua salada y el 2.5% es agua dulce y el 0.4% está disponible en forma de humedales, agua superficial (lagos y ríos y agua subterránea). Ver Fig. 1 – Distribución Global del Agua del Mundo, (ONU-WWAP, 2006).
Fig. 1 – Distribución Global del Agua del Mundo
Fuente: Datos de Snikiomanov y Rodda (2003). ONU-WWAP, 2006.
La disponibilidad del líquido depende de la dinámica del ciclo hidrológico, en el cual los procesos de evaporación, precipitación y escurrimiento, dependen del clima, las características del suelo, la vegetación y la ubicación geográfica.
Por la importancia del agua como un recurso que puede ser limitante para el desarrollo económico y social de los países, en los últimos años se han intensificado los estudios para cuantificar la disponibilidad del líquido. Los países que tienen mayor disponibilidad de agua son los de Asia, América del Norte y América del Sur, en contraste con los del
Agua Total
Agua Dulce 2.5 %
Norte de África y los países Arábigos que son los que tienen menor disponibilidad.
Fig. 2 – Disponibilidad del Agua Interna Renovable Per Cápita por Países Fuente: Programa Mundial de Evaluación del Agua (ONU-WWAP, 2003).
2.1.2 Usos de los Recursos Hídricos
producción de energía y en procesos industriales y el 10% en usos domésticos y municipales (Tyler, 2004).
En el Perú en el año 2008, las extracciones de agua totales son 13 662 millones m3/año, de las cuales 88.7% son para uso agropecuario, 9.2%
para uso municipal, 2.1% para uso industrial (incluyendo 1.1% para uso minero) tal como se puede apreciar en la Tabla 1 – Usos del Agua y la Fig. 3 – Extracciones de Agua por Sector.
Tabla 1 – Usos del Agua
Fuente: Dirección General de Aguas y Suelos – 2012.
En la Tabla 2 se muestran los valores del uso de agua en el sector poblacional, agrícola, industrial y minero a nivel nacional en las tres vertientes.
Extracción total de agua 2008 13 662 millones m3/año - Agrícola 2008 12 119 millones m3/año - Municipal 2008 1 254 millones m3/año
- Industrial 2008 289 millones m3/año
* Por habitante 2008 477 millones m3
Extracción de agua superficial y agua subterránea 2008 13 564 millones m3/año * % sobre los recursos hídricos renovables totales reales 2008 0.7 %
Agua residual municipal producida - millones m3/año Agua residual municipal tratada 2012 275 millones m3/año Uso directo de agua residual municipal tratada 2012 30.3 millones m3/año Agua desalinizada producida 1990 5.4 millones m3/año Uso directo de agua de drenaje agrícola 2010 62 millones m3/año
Fig. 3 – Extracciones de Agua por Sector
Fuente: Dirección General de Aguas y Suelos – 2008.
Tabla 2 – Usos del Agua Sectorial (2000 – 2001 – en MMC/año) a Nivel
Nacional
Fuente: Dirección General de Aguas y Suelos – 1992.
2.1.3 Calidad del Agua
Para poder definir la calidad del agua, es necesario conocer los parámetros físicos que definen sus características, como son: sólidos suspendidos, turbiedad, color, sabor, olor y temperatura; los químicos que incluyen sólidos disueltos totales, alcalinidad, dureza, fluoruros, metales, materia orgánica y nutrientes; los biológicos en los que se encuentran las bacterias, virus y protozoarios. Los biológicos utilizan a menudo la diversidad de especies como parámetro cualitativo en ríos y
No Consuntivo
MMC % MMC % MMC % MMC % ENERGÍA
Pacífico 2 086 12 14 051 80 1 103 6 302 2 17 542 4 245
Atlántico 345 14 1 946 80 49 2 97 4 2 437 6 881
Lago Titicaca 27 30 61 66 3 3 2 3 93 13
Total 2 458 12 16 058 80 1 155 6 401 2 20 072 11 139
Minero
Vertiente Poblacional Agrícola Industrial Total
Municipal 9%
Industrial
1% Minería 1%
lagos, ya que su ausencia o presencia pueden indicar la situación en que se encuentra ese cuerpo de agua (Arellano, 2002).
Ya que el agua no sólo es indispensable para el desarrollo económico y social de la humanidad, sino también para el funcionamiento de los ecosistemas del planeta, es importante contar con información confiable acerca de la cantidad y calidad de este recurso, en términos de su disponibilidad, usos y grado de deterioro. La calidad del agua no es una característica absoluta, sino que es más un atributo definido socialmente en función del uso que se le piense dar al líquido (WRI, 2000); cada uso requiere un determinado estándar de calidad. Por esta razón, para evaluar la calidad del agua es necesario considerar el contexto del uso probable que tendrá.
La calidad del agua está afectada por diversos factores como los usos del suelo, la producción industrial y agrícola, el tratamiento que se le da antes de ser vertida nuevamente a los cuerpos de agua, y la cantidad misma en ríos y lagos, ya que de ésta depende su capacidad de purificación (SEMARNAT, 2005).
2.2 MARCO LEGAL
efluentes tratados, sino también, a cumplir con los objetivos ambientales y sanitarios en los cuerpos receptores donde se descargan las aguas tratadas y el reuso de dichas aguas tratadas ya sea para la agricultura u otra actividad. Es así como en el Perú se advierten diversas normas de carácter transectorial y sectoriales que permiten la intervención de diversas instituciones del Estado en su gestión, asignándole competencias exclusivas y compartidas para la regulación de descargas y reusos de las aguas tratadas.
Los valores guía para el cadmio (II) establecido por la OMS, USEPA y otras entidades internacionales se muestran a continuación en la Tabla 3:
Tabla 3 – Estándares de Calidad de Agua a Nivel Internacional
Fuente: NOM-001-SEMARNAT-1996
La normatividad legal peruana en materia de calidad ambiental distingue dos instrumentos complementarios, los Estándares de Calidad Ambiental (ECA) y los Límites Máximos Permisibles (LMP).
ORGANIZACIÓN AÑO CADMIO
(mg/L)
OMS 1995 0.003
UNIÓN EUROPEA 80/778/EEC 1982 0.005
USEPA 1995 0.005
NOM 127-SSA1 1994 0.005
Los ECA constituyen los objetivos de calidad aplicables a los componentes del ambiente, e.g., aire ambiental, cuerpos de agua naturales, suelos, etc.
Por su parte, los Límites Máximos Permisibles (LMP) son los valores límite aplicables a las descargas al ambiente, en particular el vertimiento de efluentes líquidos y las emisiones de gases y partículas a la atmósfera. Los LMP son valores de cumplimiento obligatorio y son medidos en la propia descarga.
2.2.1 Estándares de Calidad Ambiental para Agua
Se divide en cuatro categorías:
• Categoría 1: Poblacional y Recreacional.
• Categoría 2: Actividades Marino Costeras.
• Categoría 3: Riego de Vegetales y Bebidas de Animales.
• Categoría 4: Conservación del Ambiente Acuático.
Ver Anexo I: Estándares Nacionales de Calidad Ambiental para Agua.
2.2.2 Límites Máximos Permisibles
La descarga de efluentes líquidos de las actividades minero-metalúrgicas está regulada por los Límites Máximos Permisibles (LMP) establecidos por la norma actualizada en el D.S. N° 010-2010 MINAM. Los LMP están definidos en términos de valores absolutos de concentración (salvo en el caso del pH) para una lista de parámetros, sin considerar el volumen de descarga ni la capacidad de asimilación del cuerpo receptor.
Ver Anexo II: Límites Máximos Permisibles para la Descarga de Efluentes Líquidos de Actividades Minero – Metalúrgicas.
2.3 ZONA DE ESTUDIO: PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS DE
MBM
2.3.1 Ubicación y Descripción de la Unidad Minera Pierina MBM
La Unidad Minera Pierina MBM se encuentra ubicada en la Cordillera Negra a 425 km. al norte de la ciudad de Lima entre los 3800 a 4200 m.s.n.m. en el Distrito de Jangas, Provincia de Huaraz, Departamento de Ancash, Región Chavín; aproximadamente a 10 km. al noroeste de la ciudad de Huaraz.
En la Fig. 4 se observa la ubicación geográfica de la mina Pierina MBM. El círculo en blanco indica la ubicación de la Unidad Minera y el círculo rojo muestra la ciudad de Huaraz.
auxiliares asociadas que incluyen botadero de desmonte, talleres de mantenimiento, instalaciones de abastecimiento de combustible, oficinas administrativas y otras. Tal como se puede observar en la Fig. 5 – Proceso Productivo Simplificado en Minera Pierina MBM.
Fig. 4 – Ubicación Geográfica de la Mina Pierina
Fuente: Manual de Operaciones de Minera Pierina MBM.
La Unidad Minera Pierina MBM presenta un Manejo Ambiental, donde el agua es uno de los componentes físicos para la cual se deben tomar las medidas de prevención, control y mitigación correspondientes, así como las medidas de seguimiento y monitoreo.
Fig. 5 – Proceso Productivo Simplificado en Minera Pierina MBM Fuente: Manual de Operaciones de Minera Pierina MBM.
2.3.2 Descripción de la Planta de Tratamiento de Aguas
Las aguas que provienen del sistema de desagüe y despresurización del tajo se conducen hacia la Planta de Tratamiento de Agua para su manejo y control, estas aguas luego de su tratamiento son captadas por las comunidades, cuyo uso es para riego de vegetales y bebida de animales, el exceso de agua es aprovechada para el riego de vías y accesos dentro de las operaciones mineras.
En la Fig. 6 se puede observar una vista panorámica de la Planta de Tratamiento de Agua de mina en Pierina.
Fig. 6 – Planta de Tratamiento de Agua de Mina de Minera Pierina MBM Fuente: Manual de Operaciones de Minera Pierina MBM.
En la Fig. 7 se muestra el Pozo 25, del cual se bombea el agua ácida a la Planta de Tratamiento de Agua por medio de un sistema de bombeo.
El sistema de tratamiento de agua ácida es a través de una neutralización, la cual consiste de un primer cajón de contacto donde se dosifica lechada de cal efectuándose así la neutralización.
cal; la cual es el reactivo que se utiliza para la neutralización del agua ácida.
En la Fig. 9 se muestra el tanque de almacenamiento de lechada de cal de la Planta de Tratamiento de Agua de mina, para el uso respectivo como reactivo neutralizante.
Fig. 7 – Pozo 25 donde se bombea el agua ácida a la Planta de Tratamiento
Fuente: Manual de Operaciones de Minera Pierina MBM.
Fig. 8 - Silo de Almacenamiento de Cal de la Planta de Tratamiento de Agua de Mina
Fuente: Manual de Operaciones de Minera Pierina MBM.
Es preciso promover la separación de los hidróxidos de la fase líquida, por lo tanto el rebose del tanque reactor se dirige hacia un segundo cajón de contacto, en donde el agua se mezcla con reactivo floculante para permitir el proceso de sedimentación en una poza impermeabilizada.
Fig. 9 - Tanque de Almacenamiento de Lechada de Cal de la Planta de Tratamiento de Agua de Mina
Fuente: Manual de Operaciones de Minera Pierina MBM.
En la Fig. 11 se observa el tanque de almacenamiento del reactivo floculante de la Planta de Tratamiento de Agua de mina, para luego ser enviado al segundo cajón de contacto.
En la Fig. 12 se puede observar el segundo cajón de contacto, donde se mezcla el reactivo floculante con el agua neutralizada. La tubería correspondiente al reactivo floculante es señalada con una flecha roja en esta figura.
En la Fig. 13 se muestra el ingreso del agua tratada hacia la poza impermeabilizada de la Planta de Tratamiento de Agua de mina para su respectiva neutralización.
Los lodos generados en este sistema son transferidos mediante bombeo hacia otras pozas impermeabilizadas ubicadas cerca de la Planta de Tratamiento de Agua de mina tal como se muestra en la Fig. 14.
En las pozas impermeabilizadas se deja concentrar el lodo enviado desde la Planta de Tratamiento de Agua. Por medio de una cisterna se traslada los lodos mencionados hacia su disposición final que son las Pozas de Lodos 1 y 2 ubicadas en la Quebrada Pacchac. Tal como se muestran en la Fig. 15 y Fig. 16.
Fig. 12 – Segundo Cajón de Contacto donde se Dosifica el Reactivo Floculante
Fig. 13 - Poza Impermeabilizada de Sedimentación de la Planta de Tratamiento de Agua de Mina
Fuente: Manual de Operaciones de Minera Pierina MBM.
Fig. 14 - Sistema de Bombeo de Lodos Generados en la Planta de Tratamiento de Agua de Mina
Las pozas de lodos tienen un sistema de protección ecológica a través de un enmallado alrededor de las mismas y espantapájaros lo cual se muestra en la Fig. 15 y Fig. 16.
El rebose de la poza impermeabilizada recibe una dosificación de ácido sulfúrico para mantener el pH de salida dentro de un rango de 6.5 a 8.5 según el D.S. N° 010 – 2010 MINAM. El flujo tratado es dirigido hacia un vertedero o aforador en el cual se realiza el control de flujo, pH y turbidez.
En la Fig. 17 se observa el aforador tipo Parshall.
Fig. 15 - Poza de Lodos 1
Fig. 16 - Poza de Lodos 2
Fuente: Manual de Operaciones de Minera Pierina MBM.
Fig. 17 – Vertedero de Agua Tratada hacia las Comunidades para uso en Bebida de Animales y Riego de Vegetales
El agua tratada en este sistema es captada por las comunidades aguas abajo para ser usada para riego de vegetales y bebida de animales.
El agua generada por la Planta de Tratamiento de Agua, con el proceso mencionado anteriormente cumple con los estándares de la R.M. N° 011-96-EM/VMM, donde el monitoreo de cadmio (II) no se realizaba.
Con la publicación del D.S. N° 010-2010-MINAM se incluye el monitoreo de cadmio (II); así también como el de otros metales. El valor de concentración de cadmio total (II) debe ser de 0.05 mg/L, pero con el proceso utilizado en la Planta de Tratamiento de Agua de mina, sólo se llega a remover hasta un máximo de 0.1 mg/L de cadmio total (II).
La característica principal del agua neutralizada obtenida en la Planta de Tratamiento de Agua es el valor de concentración de cadmio (II) el cual supera el límite máximo permisible de descarga, condición tal que la hace imposible de poder ser descargada hacia las comunidades.
Fig. 18 – Diagrama de Flujo del Proceso de la Planta de Tratamiento de Agua
Fuente: Manual de Operaciones de Minera Pierina MBM.
2.4 PROBLEMÁTICA DE LOS METALES PESADOS
2.4.1 Definición de Metal Pesado
El término “metal pesado” no se encuentra bien definido. Es de destacar que hasta el presente, no se dispone de una definición oficial generalmente aceptada, ni de un listado de esos elementos, ni de una referencia clara y exacta de las propiedades o caracteres de los metales pesados que provenga de alguna sociedad científica u organismos referente de alto nivel, como podría ser, por ejemplo, la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) o la US EPA, (Agencia de Protección Ambiental de los EUA) (Hawkes, 1997; Sengupta, 2002). No obstante, en las últimas décadas, se han empleado diversos criterios o pautas para definir los metales pesados, aunque las definiciones usadas hasta ahora no resultan claras, específicas o completas.
Tabla 4 – Definiciones de Metales Pesados Clasificadas según las Distintas
Propiedades Consideradas
Fuente: Tesis Doctoral “Caracterización y Aplicación de Biomasa Residual a la Eliminación de Metales Pesados”, Ángeles Martín Lara,
Propiedad Definición Referencia
Metales con densidad mayor que 4 g/cm3
* Van Nostrand International Encyclopedia of Chemical Science (1964).
* Grant and Hackh´s Chemical Dictionary (1987). Metales con densidad mayor que
4.5 g/cm3 * Streit (1994).
Metales con densidad mayor que 5 g/cm3
* 3rd New International Dictionary (1976). * Concise Encyclopedia of Biochemistry (1983). * The Random House Dictionary of the English Language (1987).
* McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms (1989).
* Lozet y Mathie (1991).
* Academic Press Distionary of Science and Technology (1992).
Metales con densidad mayor que 6 g/cm3
* Thomton (1995). * Davies (1987). Metales con densidad mayor que
7 g/cm3 * Bjerrum (1936).
Metales con elevado peso atómico
* The Environmet: A. Distionary of the World Around Us (1976).
* Oxford Dictionary of Science (1999). Metales con peso atómico mayor que el
del sodio (23).
* Concise Chemical and Technical Dictionary (1986).
Metales con peso atómico mayor que el del sodio (23). Que forman jabones con ácidos grasos.
* Hawley´s Condensed Chemical Dictionary (1993).
Metales con peso atómico relativamente alto, tales como cadmio, estaño, mercurio y plomo.
* Kemp (1998). * Hunt (1999).
Metales con elevado peso atómico, que pueden dañar a los seres vivos y tienden a acumularse en la cadena alimentaria, tales como cadmio, mercurio y plomo.
* Longman Dictionary of Environmental Science (1998).
Cualquier metal con número atómico
mayor que el del calcio (35). * Venugopal y Luckey (1975). Cualquier elemento con número atómico
entre 21 y 92. * Lyman (1995). Cualquier metal con un núemro atómico
mayor que 20.
* Phipps (1981).
* Collins Dictionary of Biology (1988). Densidad
Peso Atómico
En general la expresión “metales pesados” se usa cuando hay una connotación de toxicidad. Entre los elementos que suelen citarse como “metales pesados”, se cuentan principalmente el plomo, el cadmio, el mercurio, el arsénico, el zinc, el cobre, el hierro, el cromo y el níquel (Ansari y col., 2004).
2.4.2 Toxicidad del Cadmio
El cadmio es un metal pesado, blanco azulado, relativamente poco abundante. Es uno de los metales más tóxicos. Este metal conjuntamente con el plomo y mercurio forman el denominado “big three” de los metales pesados (Volesky, 1990).
Su estado de oxidación más común es el +2. Puede presentar el estado de oxidación +1 pero es muy inestable.
Debido a su enorme toxicidad (la cual se ha estudiado sólo recientemente), el cadmio, como se ha indicado, se ha unido al plomo y mercurio para formar el “big three” de los metales pesados con mayor potencial para dañar a los humanos y al medio ambiente (Volesky, 1990).
actualmente, la ingestión de altas dosis es causa de severas irritaciones del estómago, vómito y diarrea y su inhalación causa graves irritaciones en los pulmones (Berglund y col., 1991).
Causan mayor preocupación los efectos de las exposiciones bajas al cadmio y a largo plazo. Algunos efectos de varios niveles y duraciones de exposición son los siguientes:
a. En personas que han estado expuestas a un exceso de cadmio, en su alimentación o por el aire, se ha observado un daño en los riñones. Esta enfermedad renal normalmente no es mortal, pero puede ocasionar la formación de cálculos y sus efectos en el sistema óseo se manifiesta a través de dolor y debilidad.
b. En trabajadores de fábricas, en donde el nivel de concentración de cadmio en el aire es alto, han sido observados severos daños en los pulmones originando, incluso, enfisemas.
embargo, no hay evidencia de que la ingestión de cadmio por la vía oral sea causante de cáncer.
d. Ha sido también observada alta presión arterial en animales expuestos al cadmio. Sin embargo, aún no se sabe si la exposición al cadmio desempeña un papel importante en la hipertensión humana.
e. Otros tejidos también son dañados por exposición al cadmio incluyendo hígado, testículos, sistema inmunológico, sistema nervioso, sangre. Efectos negativos en la reproducción y el desarrollo han sido observados en animales expuestos al cadmio, pero no han sido reportados aún en seres humanos (Clarkson y col., 1983; Elinder, 1986; WHO/IPCS, 1992; Nordberg, 1996).
La exposición al cadmio en los seres humanos se produce generalmente a través de dos fuentes principales: la primera es la vía oral (por agua e ingestión de alimentos contaminados). La segunda vía es por inhalación.
descripciones de posibles mecanismos de toxicidad del cadmio (Jarup y col., 1998).
Una vez absorbido, el cadmio es transportado por el torrente circulatorio hasta el hígado, en donde se une a una proteína de bajo peso molecular. Pequeñas cantidades de ese complejo proteína-cadmio pasan continuamente del hígado al torrente sanguíneo, para ser transportado a los riñones y filtrado a través de los glomérulos, para posteriormente ser reabsorbido y almacenado en las células tubulares del riñón. Este último órgano excreta del 1 al 2% del cadmio tomado directamente de las fuentes ambientales, lo que provoca una gran acumulación de cadmio en los riñones. La concentración del metal en el riñón es aproximadamente diez mil veces más alta que en el torrente sanguíneo. La excreción fecal del metal representa una mínima cantidad del cadmio no absorbido en el sistema gastrointestinal. Por otra parte, se estima que la vida biológica del cadmio en los seres humanos varía entre 13 y 40 años (Nordberg, 1996; Nasruddin, 2002).
2.4.3 Fuentes Naturales del Cadmio
estables, que no se evaporan y que pueden encontrarse en el material particulado.
El único mineral que contiene sólo cadmio como metal es la greenockita (CdS), aunque es difícil de encontrar. No obstante, es frecuente que aparezcan pequeñas cantidades de su óxido revistiendo el silicato de Zn (hemimorfita) o su carbonato denominado octavita (CdCO3) revistiendo la blenda, la monteponita (CdO) representa el 1.5
x 10-5 % en peso de la corteza terrestre. También pueden encontrarse
asociado a compuestos de Zn como la esfalerita (ZnS). También se ha determinado cadmio en arcillas pizarrosas con concentraciones de 0.3 mg/kg (Fassett, 1980).
2.4.4 Generación de Aguas Ácidas
Todas las actividades humanas de alguna manera interfieren con el agua, y la explotación minera no es una excepción. El agua de lluvia o de infiltración en contacto con el mineral, con los estériles, con los desechos y con las áreas operativas se cargan muchas veces de sustancias contaminantes generando aguas ácidas, que sólo pueden ser liberadas al medio ambiente mediante tratamientos adecuados.
La formación de aguas ácidas constituye uno de los mayores problemas de impacto medioambiental que enfrenta la industria minera. Durante su periodo de actividad o durante el cierre de mina. La explotación de los yacimientos mineros da lugar a la presencia de efluentes ácidos como consecuencia de la oxidación de los minerales sulfurosos contenidos en las rocas.
Las características principales de las aguas ácidas son:
- Presencia de un exceso de sulfato.
- Presencia de metales pesados: Zn, Cd, Cu, Ni y Pb. - Presencia de no metales como As y Sb.
- Acidez: pH en torno a valores de 2 a 5.
Pirita FeS2(s) + 7/2O2 (g)+ H2O = Fe+2 + 2SO42- + 4H+ Pirrotita Fe7S8(s) + 3 ½ O2(g) + H2O = 7Fe2+ + 8SO42- + 2H+
El ión Fe+2 sufre una oxidación adicional a Fe+3 y su posterior hidrólisis
de éste a Fe(OH)3.
2Fe2+ + 1/2O
2 (g) + 2H+ = 2Fe3+ + H2O
Fe3+ + 3H
2O = Fe(OH)3(s) + 3H+
Las reacciones por debajo del nivel freático son: 14Fe3+ + FeS
2 (s) + 8H2O = 15Fe2+ + 2SO42- + 16H+
2.5 TRATAMIENTOS CONVENCIONALES DE ELIMINACIÓN DE
METALES PESADOS DE AGUAS ÁCIDAS
La inexistencia de vías naturales para la eliminación de los metales pesados vertidos, hace que se acumulen, redistribuyéndose en el medio natural e introduciéndose en la cadena trófica donde pueden alcanzar niveles tóxicos para los seres vivos con graves implicaciones en la salud de los seres humanos y de los animales.
emisiones de metales pesados al medio ambiente es cada vez más importante. Es mejor evitar el problema desde la fuente de emisión, antes de que los metales tóxicos entren en la complejidad de los ecosistemas.
Es necesario evitar la entrada de los metales tóxicos en los medios acuáticos y, sobre todo, que las industrias reduzcan la concentración de metales hasta unos niveles que no generen problemas de toxicidad. En muchos casos se han establecido normativas que regulan las cantidades máximas de metal que puede contener un efluente antes de ser descargado al medio acuático y así evitar la contaminación del medio en la fuente de origen.
Por todo ello, controlar los vertidos de metales pesados y la eliminación de estos de las aguas, se ha convertido en un reto para este nuevo siglo.
pueden ser el tema económico, flexibilidad en cuanto a la cantidad tanto de efluente a tratar como a la carga contaminante de éste, continuidad del sistema, mínima supervisión y mantenimiento y suficiente selectividad en cuanto a la descontaminación de los metales considerados (Vílchez, 2005).
Con el fin de eliminar los metales pesados del agua, se han empleado diferentes tecnologías, tales como la coagulación – floculación, precipitación química, intercambio iónico, adsorción, ósmosis inversa, electrólisis, etc. (Williams y col., 1998; Pagnanelli y col., 2000; Kurniawan y col., 2006; Zhang y Banks, 2006). En general, estas tecnologías son inadecuadas para la eliminación de metales pesados de efluentes industriales pues crean problemas secundarios como lodos extremadamente difíciles de tratar o no son suficientemente efectivas (Gavrilescu, 2004; Min y col., 2004; Lodeiro y col., 2006).
A continuación se realiza una breve descripción de las tecnologías que han alcanzado mayor desarrollo.
2.5.1 Precipitación Química
compuesto insoluble con el mismo. Normalmente, las especies metálicas en disolución precipitan al aumentar el pH. El proceso tiene lugar al desolubilizarse el metal y formarse el precipitado.
Este es el método más común para la eliminación de plomo de efluentes industriales, en el que se añade sosa cáustica (NaOH) o cal (CaO) para obtener un pH alcalino y el plomo precipita en forma de hidróxido (Matlock y col., 2001). Pero este método de precipitación como hidróxido no es efectivo cuando en el efluente hay materia orgánica, pues los compuestos orgánicos de plomo no precipitan.
La capacidad de eliminación de los metales por precipitación química depende de los siguientes factores (Landford, 1990):
a. La solubilidad de la especie más soluble del metal que puede formarse, la cual es función del producto de solubilidad, pH del medio y concentración de la especie precipitante.
b. La separación del sólido de la disolución acuosa.
consiste en añadir hidróxido de hierro o aluminio conjuntamente con el agente precipitante, con el fin de que actúen como coagulante o bien que adsorban los metales que no han precipitado.
A. Precipitación de Hidróxidos: Este proceso involucra la adición de soda cáustica o cal para ajustar el pH de la solución al punto de solubilidad mínima. La concentración del metal residual total es una función compleja del pH, con la concentración de metal residual más baja que ocurre a algún valor de pH óptimo (Fig. 17 – Curvas de Solubilidades de Hidróxidos Metálicos). La concentración residual aumentará cuando el pH baje o suba del valor óptimo.
La precipitación de hidróxidos es simple, eficaz y muy práctica, pero tiene limitaciones debido a las altas solubilidades y a las propiedades anfóteras de ciertos hidróxidos de metal (los metales anfóteros actúan como ácidos y bases y se redisuelven en exceso de soluciones ácidas o alcalinas). Además, las solubilidades mínimas para los diferentes metales ocurren a diferentes valores de pH y la precipitación de los hidróxidos individuales sólo ocurre en un rango de pH estrecho, tal como se observa en la Fig. 19 – Curvas de Solubilidades de Hidróxidos Metálicos.
precipitación simple (Bhattcharyya, 1984). Por consiguiente, dependiendo de las metas del tratamiento, pueden requerirse múltiples fases de precipitación a diferentes niveles de pH. El tratamiento por precipitación de hidróxidos solo puede ser adecuado para lograr algunas metas del tratamiento.
Fig. 19 – Curvas de Solubilidades de Hidróxidos Metálicos Fuente:
www.acs.com.mx/equipos/precipitación_de_hidroxidos_metalicos.htm
concentraciones extremadamente bajas a un solo pH, como se puede observar en la Figura 20 – Curvas de Solubilidad de Sulfuros Metálicos. Por consiguiente, la precipitación de sulfuros puede ser un tratamiento alternativo viable cuando la precipitación de hidróxidos no es posible, o efectiva en la remoción de iones metálicos a bajas concentraciones.
El grado de precipitación de los sulfuros metálicos es una función del pH, tipo de metal, dosificación de sulfuros y presencia de iones interferentes (Baltacharyya, 1981).
Los métodos actuales de precipitación de sulfuros – el método de sulfuro soluble y el método de sulfuro insoluble – difieren en la técnica de entregar iones. El método de sulfuro soluble implica la adición de soluciones de Na2S o NaHS al agua. El método de
sulfuro insoluble usa un sulfuro económico, como el FeS. Alguna precipitación de sulfuro ocurre naturalmente en los sistemas de precipitación de hidróxidos convencionales porque se encuentran a menudo a niveles bajos de sulfuros en el agua no tratada.
Los métodos de precipitación de sulfuros actuales tienen varias desventajas. La adición de Na2S normalmente produce partículas
produce una cantidad grande de lodo debido a la acumulación de hierro, para minimizar estos problemas, se puede usar sulfuro de calcio como fuente de sulfuro.
Fig. 20 – Curvas de Solubilidad de Sulfuros Metálicos Fuente:
www.acs.com.mx/equipos/precipitación_de_sulfuros_metalicos.htm
En la Fig. 21 se muestra un esquema sobre el proceso de precipitación química. Mostrando las etapas de coagulación, floculación, decantación y espesamiento de lodos.
Fig. 21 – Proceso de Precipitación Química Fuente: www.elaguapotable.com
2.5.2 Intercambio Iónico
su funcionamiento por la presencia de precipitados y de compuestos orgánicos (Atkinson y col., 1998).
Se trata de un mecanismo de interacción electrostática, debido a las fuerzas de atracción de Coulomb que tienen lugar cuando un ión de una disolución se intercambia por otro ión de igual signo que se encuentra unido a una partícula sólida inmóvil (Vigneswaran y col., 2004). La resina es capaz de retener selectivamente sobre su superficie los iones disueltos en el agua, los mantiene temporalmente unidos a ella, y los cede frente a una disolución con un fuerte regenerante. Normalmente, se trata de un proceso rápido y reversible, y depende en gran medida de la fuerza iónica del agua. Con una fuerza iónica alta, existe una gran competencia entre los cationes solubles en solución por los sitios de intercambio sobre la superficie del sólido. Cuando las concentraciones de metal en los efluentes son bajas, el intercambio iónico puede ser una tecnología alternativa válida frente a otras tecnologías de membranas o las extracciones orgánicas (Hidalgo, 2004).
el empleo de zeolitas (Sengupta y Paul, 1985; Babel y Kurniawan, 2003; Kurniawan y col., 2006).
En la Fig. 22 se observa el proceso de intercambio iónico para un tratamiento de agua.
Fig. 22 – Proceso de Intercambio Iónico Fuente: www.aguasconelpolo.blogspot.com
2.5.3 Adsorción
metálicos. Sin embargo, la viabilidad económica de este proceso depende de la existencia de un medio eficaz de regeneración del sólido una vez agotada su capacidad de adsorción (Quintelas y Tavares, 2001).
El adsorbente se caracteriza por su alta porosidad, con poros de tamaño extremadamente pequeño que dan lugar a que la superficie interna del adsorbente sea mucho mayor que la externa. Diferencias en el peso molecular o polaridad hacen que unas moléculas sean retenidas más fuertemente que otras, lo que hace que el proceso de adsorción sea selectivo (Treybal, 1980; Martínez y Rus, 2004).
La adsorción física es causada principalmente por fuerzas de Van der Waals y electrostáticas, dándose éstas entre las moléculas del adsorbato y los átomos que componen la superficie del adsorbente. Estos adsorbentes están caracterizados principalmente por las propiedades de la superficie, como su área superficial y su polaridad. El ión es adsorbido por el sólido dependiendo de la carga relativa entre ambos. Este proceso puede ser lento o rápido, dependiendo de la composición del adsorbente, del adsorbato y de la temperatura.
Los dos tipos de adsorción no tienen porqué ocurrir de forma independiente; así, en los sistemas naturales es frecuente que ambos se den en la misma superficie sólida.
Las diferencias entre adsorción física y química según Volesky (2003 a), se resumen en la Tabla 5.
Tabla 5 – Diferencias entre Adsorción Física y Química
Fuente: Volesky, 2003
El sólido adsorbente universalmente utilizado en el tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados es el carbón activado. El carbón activado, por su superficie no polar y su bajo costo, es el adsorbente elegido para eliminar una amplia gama de contaminantes, sin embargo, como no es selectivo, puede adsorber también componentes inocuos que se encuentren en proporciones más elevadas que los contaminantes más peligrosos como los metales pesados (Al-Asheh, 1997), por este motivo recientemente se están desarrollando diversos materiales sólidos que mejoran, en ciertas aplicaciones, las propiedades del carbón activado.
Parámetro Adsorción Física Adsorción Química
Temperatura Baja Alta
Calor de Adsorción Bajo Alto
Velocidad Rápido Lento
Fig. 23 – Reactor del Proceso de Adsorción Fuente: www.remocionporadsorcion.com
Los aluminosilicatos son otros adsorbentes muy usados en la eliminación de metales pesados.
En la Fig. 23 se esquematiza un reactor utilizado para un proceso de adsorción.
2.5.4 Tecnología de Membranas
efluente acuoso depurado (Ho y Sirkar, 1992; Taylor y Jacobs, 1996; Benett, 2005; Bódalo y col., 2005).
La aplicación de la tecnología de membranas para el tratamiento de contaminantes tiene una mayor complejidad. Además del elevado costo de estas instalaciones, las membranas no son capaces de resistir cierto tipo de agentes químicos, y ciertos valores de pH, y son especialmente deteriorables por la presencia de microorganismos (Glater y col., 1994; Choi y col., 2005). Así mismo, la compactación, el escalado para diferentes caudales de tratamiento, la baja tasa de vida de operación y su aplicación únicamente a caudales de alimentación con bajas concentraciones de metales son algunos de los problemas con los que se encuentran estas instalaciones. También, el consumo de energía se incrementa con el aumento de las concentraciones de metales y se requiere de una mano de obra que, además de costosa, debe ser muy calificada para el funcionamiento de este tipo de plantas (Volesky y Holan, 1995).
Tabla 6 - Resumen de las Características de las Tecnologías de
Membranas más Empleadas
Fuente: Volesky y Holan, 1995.
Una de las tecnologías más utilizadas es la Ósmosis Inversa la cual se describe a continuación.
A. Ósmosis Inversa: Es el paso espontáneo de un solvente de una solución concentrada a una más diluida a través de una membrana semipermeable. El proceso utiliza materiales de membrana semipermeables y presión para retardar selectivamente o detener el paso de iones (incluso metales). En la ósmosis inversa, se aplica la presión al agua ácida, forzando el permeado (es decir, el agua limpia) a difundirse a través de la membrana.
La unidad de ósmosis inversa produce un flujo de sales de aproximadamente 10 a 50% del volumen del flujo de ingreso, el cual debe ser tratado y dispuesto. En parte, el volumen del flujo de sales dependerá de los sólidos disueltos totales (SDT) iniciales del
Sustancias que pasan
Tipo Fuerza Impulsadora Estado Físico Tipo Dimensión
M.F. Agua y sólidos disueltos 0 - 1 atm Suspendidos Bacterias > 500 000 g/mol (0.002 - 10 um)
U.F. Agua y sustancias de
bajo peso molecular 0 - 10 atm
Suspendidos Coloidales disueltos
Macromoléculas Coloides
> 500 g/mol (0.001 - 0.02 um)
O.I. Agua 1 - 6 atm
Inorgánicos Coloidales orgánicos
Inorgánicos
Coloides orgánicos > 50 g/mol
flujo de alimentación (el volumen aumenta con las concentraciones de SDT).
Fig. 24 – Proceso de Ósmosis Inversa
Fuente: www.aguabona.com
En la Fig. 24 se observa la secuencia en el tratamiento de agua con el proceso de ósmosis inversa.
2.5.5 Procesos Electroquímicos
Están basados en la utilización de técnicas electroquímicas, haciendo pasar una corriente eléctrica a través del agua (que necesariamente ha de contener un electrolito) y provocando reacciones de oxidación-reducción tanto en el cátodo como en el ánodo (Chen, 2004; Sonune y Ghate, 2004). Por lo tanto, se utiliza energía eléctrica como vector de descontaminación ambiental, siendo su costo una de las principales desventajas de este proceso. Sin embargo, como ventajas cabe destacar la versatilidad de los equipos, la ausencia tanto de la utilización de reactivos como de la presencia de lodos y la selectividad, pues controlar el potencial de electrodo permite seleccionar la reacción electroquímica dominante deseada (Baker, 2004).
la recuperación de metales pesados (Acar y Alshawabkeh, 1993; Ottosen, 1995; Ribeiro, 1998).
Las consecuencias de las reacciones que se producen pueden ser indirectas, como en el caso de la electrocoagulación, electroflotación o electrofloculación, donde los productos formados por electrólisis sustituyen a los reactivos químicos, y supone una alternativa con futuro a la clásica adición de reactivos (Alexandrova y col., 1994; Koren y Syversen, 1995; chen y col., 2002ª; Chen, 2004; Kehemis y col., 2005).
Sin embargo, la aplicación que está adquiriendo mayor importancia es el tratamiento de aguas a través de una oxidación ó reducción directa:
a. Oxidación en Ánodo: En el ánodo se puede producir la oxidación de determinados iones metálicos. Esta oxidación se puede producir directamente por una transferencia de electrones en la superficie del ánodo o bien por la generación de un agente oxidante “in situ”. En este último caso se evita manipular agentes oxidantes. El rango de concentraciones con posibilidades de utilizar este tipo de tratamiento también es muy amplio (Kraft y col., 2003).
mg/L. Hay una primera etapa de deposición del metal sobre la superficie del cátodo que ha de continuarse con la remoción del mismo. Esto se puede hacer por disolución en otra fase, etc.
Fig. 25 – Esquema del Reactor Electroquímico
Fuente: Tesis Doctoral “Caracterización y Aplicación de Biomasa Residual a la Eliminación de Metales Pesados”, Ángeles Martín Lara, 2008.
Esta tecnología presenta el inconveniente siguiente: la presencia de otros metales no contaminantes pueden interferir, simultánea o preferencialmente, en la deposición sobre los electrodos y se requeriría un tratamiento posterior. El método es ampliamente usado para la recuperación de metales de suelos, como es el caso de la separación del cadmio de la kaolinita (Al-Asheh, 1997).
2.5.6 Extracciones Orgánicas
Las extracciones orgánicas o recuperación con disolventes son técnicas de separación bien establecidas y de amplio uso en la eliminación de metales contaminantes de efluentes industriales. Esta técnica se emplea fundamentalmente en procesos industriales a gran escala donde las concentraciones de los contaminantes son elevadas (Landford, 1990; Hidalgo, 2004).
Los disolventes que se usan en las extracciones orgánicas son cada vez más selectivos, lo que permite separar moléculas específicas de la fase acuosa. La recuperación con disolventes tiene importante aplicación comercial en aquellos casos en los que se requiere una separación selectiva de iones metálicos.
concentraciones de metales se encuentran por debajo de 5 g/L, la técnica no resulta económicamente viable.
Tabla 7 – Características Generales de las Tecnologías Convencionales de
Descontaminación de Metales Pesados
Fuente: Tesis Doctoral “Caracterización y Aplicación de Biomasa Residual a
la Eliminación de Metales Pesados”, Ángeles Martín Lara, 2008.
Tabla 8 – Ventajas y Desventajas de los Métodos Convencionales de
Remoción de Metales Pesados de Sistemas Acuosos
Fuente: Tesis Doctoral “Caracterización y Aplicación de Biomasa Residual a la Eliminación de Metales Pesados”, Ángeles Martín Lara, 2008.
En la Tabla 8 se muestran las ventajas y desventajas de los métodos convencionales de remoción de metales pesados.
Método Ventajas Desventajas
Precipitación Química
* Simple * Poco costoso
* La mayoría de los metales pueden ser removidos.
* Se produce grandes cantidades de lodos.
Problemas de disposición final. Coagulación
Química
* Lodos de sedimentación. * Deshidratación.
* Costoso.
* Gran consumo de químicos. Intercambio
Iónico
* Alta regeneración del material.
* Selectividad por metales.
* Costoso.
* Un reducido número de metales pueden ser removidos.
Métodos Electroquímicos
* Alta selectividad por metales.
* No hay consumo de químicos.
* La recuperación de metales puros es posible.
* Alto costo de inversión. * Alto costo de mantenimiento.
Adsorción empleando carbón activado
* La mayoría de los metales pesados pueden ser removidos.
* Alta eficiencia > 99%.
* Costo de carbón activado. * No puede ser regenerado. * El rendimiento depende sobre todo
del adsrobente. Zeolita
* La mayor parte de los metales pueden ser removidos.
* Los materiales son relativamente baratos.
* Baja eficiencia.
Procesos de Membrana y Ultrafiltración
* Se producen pocos desechos
sólidos.
* El consumo de químicos es bajo.
* Alta eficiencia > 95%.
2.6 TRATAMIENTO DE AGUAS ÁCIDAS CON REACTIVO
SECUESTRANTE TMT: UNA TECNOLOGÍA ALTERNATIVA
2.6.1 Agentes Quelantes o Secuestrantes
La quelación se define como la formación de complejos solubles de iones metálicos en presencia de agentes químicos que normalmente producirían precipitados en soluciones acuosas. El mismo término se utiliza para describir la solubilización en agua de precipitados de iones metálicos. Los dos procesos son idénticos en el sentido de que el mismo equilibrio se alcanza para el mismo conjunto dado de componentes.
Los compuestos capaces de ligar iones metálicos de tal manera que ellos no exhiban sus reacciones normales en presencia de agentes precipitantes se conocen como agentes secuestradores o Secuestrantes. El término secuestración se ha extendido en los últimos años para incluir aquellos sistemas en los cuales el agente Secuestrante se usa para enmascarar la actividad química o biológica de un ión metálico en reacciones diferentes a los procesos de precipitación.
metálicos), es necesario considerar los fundamentos de la formación de complejos metálicos en solución.
Los agentes Secuestrantes disponibles comercialmente se clasifican en general como orgánicos e inorgánicos. Los polifosfatos como: Pirofosfato tetrasódico, tripolifosfato, tetrafosfato sódico; son los agentes Secuestrantes inorgánicos más ampliamente usados.
De los agentes Secuestrantes orgánicos, dos grupos son de importancia económica. Ellos son los ácidos aminopolicarboxílicos como el ácido Etilendiaminotetraacético (EDTA) y los ácidos hidroxicarboxílicos, tales como el ácido Glucónico, el ácido Cítrico y el ácido Tartárico. También se ha introducido una nueva clase de agentes Secuestrantes solubles en aceite.
El reactivo Secuestrante Sal Trisódica de la Trimercapto-S-Triazina (TMT) se clasifica dentro de los agentes secuestrantes orgánicos.
Entre los principales usos de los agentes quelantes o secuestrantes tenemos los siguientes:
- Ablandamiento de agua
- Lavado de botellas en soluciones alcalinas - Usos analíticos.
- Tratamiento y limpieza de metales. - Usos agrícolas
- Usos en la industria alimenticia. - Industria textil.
- Usos fisiológicos y farmacéuticos.
2.6.2 Generalidades del Reactivo Secuestrante TMT
En numerosas ramas y aplicaciones industriales es ineludible el empleo de aguas con contenido de metales pesados, lo cual es un problema debido a su alta toxicidad para los seres humanos y animales. Por ello, se aplican valores límite de concentración de metales pesados muy estrictos tanto en aguas ácidas, como también en gases emitidos a la atmósfera.
Para respetar estas directrices, se efectúa la precipitación y separación de los metales pesados como hidróxidos altamente insolubles, normalmente mediante la neutralización de las aguas ácidas con soda cáustica o cal. Sin embargo, este método fracasa frecuentemente en presencia de agentes complejantes que reducen la precipitación de hidróxido o que incluso la impiden por completo.
M2+ (Efluente) + S2-(Na
Fig. 26 – Separación de Metales Pesados en Aguas Residuales de Manera Respetuosa con el Medio Ambiente
Fuente: www.evonik.com
2.6.3 Descripción del Reactivo Secuestrante TMT
El Reactivo Secuestrante TMT es una solución acuosa, lista para usar, al 15% de la sal trisódica de la Trimercapto-S-Triazina.
En la Fig. 27 se muestra la coordinación de los elementos que conforman el compuesto del Reactivo Secuestrante TMT.
complejos en aguas ácidas, ya que éstos, por acción de los agentes complejantes, no precipitan como hidróxidos.
Fig. 27 – Sal Trisódica de la Trimercapto-S-Triazina Fuente: www.evonik.com
En la Fig. 28 se puede observar los diferentes metales pesados monovalentes y bivalentes que pueden ser removidos por el Reactivo Secuestrante TMT.
Se suministra en bidones, en IBC o en cisterna.
de ser satisfactorios en muchos casos. Las concentraciones de metales pesados restantes son demasiados altos.
La adición de pequeñas cantidades del Reactivo Secuestrante TMT a las aguas ácidas completará la precipitación y los metales que quedan como el cadmio, cobre, plomo, mercurio, níquel o plata se reducen a un nivel extremadamente bajo.
Fig. 28 – Precipitación de Metales Pesados Mono y Bivalentes con Reactivo Secuestrante TMT
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cuando la precipitación con hidróxido no muestra ningún o casi ningún efecto.
Con el fin de lograr el mejor rendimiento, el valor del pH de las aguas ácidas tratadas se debe ajustar a un intervalo neutro, ligeramente alcalino. El precipitado obtenido después de adicionar el Reactivo Secuestrante TMT se puede separar fácilmente.
En la Tabla 9 se muestran las propiedades del Reactivo Secuestrante.
Tabla 9 – Propiedades Físicas y Químicas del Reactivo Secuestrante
TMT
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2.6.4 Ventajas del Reactivo Secuestrante TMT
a. El Reactivo Secuestrante TMT se ha utilizado con buenos resultados en diferentes ramas industriales.
b. Es efectivo en una amplia gama de pH, tanto en medio alcalino, como en medio ácido.
Estado Líquido
Color Incoloro a amarillento Olor Casi Inodoro
Densidad 1.12 g/cm3 aproximadamente pH 12.3 aproximadamente Punto de Fusión ´-3° C (27° F)
Punto de Evullición 101° C (214° F) Viscosidad 1.6 mPa*s
c. Se integra fácil y económicamente en las instalaciones de tratamiento de aguas ácidas.
d. Evita costosos tratamientos adicionales.
e. La solución es estable durante su almacenamiento y está lista para usar.
f. No hay productos de descomposición. g. Es inodoro.
h. No es un material peligroso.
i. Sus propiedades toxicológicas y ecológicas son favorables.
j. Forma compuestos de difícil elución que se pueden depositar de forma segura en un vertedero.
2.6.5 Seguridad y Manipulación del Reactivo Secuestrante TMT
El Reactivo Secuestrante TMT tiene propiedades toxicológicas y ecológicas muy favorables en comparación a otros agentes precipitantes.
En la siguiente tabla 10, se muestra la calidad del Reactivo Secuestrante TMT.
