UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES
TESIS
PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:
QUIJADA LOVATO EDUARDO JESÚS PARRA BARRIOS JHOHAVENY HAMEY
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO METALURGISTA Y DE MATERIALES
HUANCAYO – JULIO 2021
“ADSORCION DE LOS IONES METALICOS PESADOS CONTENIDA EN LAS AGUAS ACIDAS PARA MITIGAR LOS IMPACTOS AMBIENTALES GENERADA POR LOS RELAVES DE LA PLANTA CONCENTRADORA DE MINERA CHINALCO -
TOROMOCHO”
ASESOR
D. Sc. Rubén Muedas Castañeda
DEDICATORIA
A mis padres: Juan y Reyna por su infinito amor y su apoyo incondicional a lo largo de mi vida.
A mis tías: Celia, Hilda, Rebeca, Narguely, Dimicia y Elizabeth por cuidar de mí, aconsejarme y apoyarme a lograr mis objetivos.
Hamey
DEDICATORIA
A mis padres: Ernesto e Isabel, pues sin ellos no lo habría logrado. Su bendición a diario a lo largo de mi vida me protege y me motiva a superarme cada día.
A mis hermanos: Juliza, Andy, Elizabeth, Sheyla y mi tío Teodoro por creer en mí, apoyarme siempre y enseñarme a ser perseverante en alcanzar mis metas.
Eduardo
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES
“ADSORCION DE LOS IONES METALICOS PESADOS CONTENIDA EN LAS AGUAS ACIDAS PARA MITIGAR LOS IMPACTOS AMBIENTALES GENERADA POR LOS
RELAVES DE LA PLANTA CONCENTRADORA DE MINERA CHINALCO - TOROMOCHO”
TESISTAS:
Bach. PARRA BARRIOS, Jhohaveny Hamey Bach. QUIJADA LOVATO, Eduardo Jesús
RESÚMEN
Los relaves generados por el procesamiento de minerales han atraído preocupaciones en todo el mundo debido a la creación de una grave contaminación ambiental. En este trabajo, se prepararon adsorbentes porosos como un bloque poroso utilizando relaves de silicato, que pueden adsorber iones de metales pesados de la solución y son fáciles de separar. El material poroso de silicato sintetizado (SPM) se caracterizó por difracción de rayos X (XRD), Brunner-Emmet-Teller (BET) y microscopio electrónico de barrido (SEM). El material presenta una superficie de 3.40 m2 g−1, una porosidad del 54%, y la resistencia a la compresión de 0.6 MPa. Las capacidades máximas de adsorción de Pb2+, Cd2+, y Cu2+ por SPM fueron 44.83 mg g−1, 35.36 mg g−1, y 32.26 mg g−1, respectivamente. Los datos experimentales se ajustaron bien a los modelos de
adsorción de Freundlich y Langmuir. La cinética del proceso de adsorción se ajustó bien mediante la ecuación cinética de pseudoprimer orden. Estos resultados muestran que los materiales porosos preparados con relaves de silicato podrían actuar como un adsorbente eficaz y de bajo costo para la eliminación de iones de metales pesados de las aguas residuales. Este estudio puede proporcionar una nueva idea sobre la utilización de alto valor de los relaves para aliviar la presión ambiental.
INTRODUCCIÓN
Una de las consecuencias ocasionadas por la existencia de minerales polimetálicos valiosos que son explotados en muchas regiones de nuestro país, generalmente son sulfurados como son las menas de plomo, cobre y zinc fundamentalmente, los cuales son indeseablemente acompañados por la pirita, arsenopirita y otros que producen drenaje ácido como producto de los sistemas de explotación minera conteniendo iones sulfato, férricos y otros metales en solución, indudablemente este problema es planteado en las serranías del Perú por las grandes precipitaciones pluviales y la existencia de aguas subterráneas en los interiores de las minas., en tal sentido se hace necesario buscar alternativas tecnológicas que permitan mitigar los efectos ocasionados por dicha actividad.
El drenaje ácido de la mina se forma naturalmente con la oxidación de los desechos de la mina; produciendo el pH bajo, los niveles altos de sulfato y los niveles elevados de metales que se esperan en el drenaje de la mina. Se necesitan tres ingredientes principales para crear AMD; sulfuros reactivos en desechos mineros, oxígeno molecular y agua.
Estos se juntan y los desechos de la mina se oxidan, creando un drenaje ácido de la mina. Los metales piríticos que están presentes en niveles variables en todos los depósitos de mineral sulfurado son las principales causas de AMD. El drenaje rico en metales proviene de la oxidación de minerales sulfídicos, en particular pirita de hierro.
Otros factores pueden influir en la tasa de producción de AMD en el sitio. Estos factores incluyen bacterias, temperatura, pH inicial y oxidantes alternativos como hierro o manganeso. Los materiales peligrosos son principalmente desechos que tienen sulfuros reactivos que se encuentran en lugares como vertederos de desechos, embalses, plataformas de lixiviación, cortes abiertos, muros de pozos y otras áreas expuestas. Estos se pueden encontrar en todo tipo de sitios mineros, incluidas minas subterráneas y a cielo abierto. Sin embargo, el drenaje ácido de las minas depende del tiempo, por lo que continuamente se descubren nuevas fuentes. El drenaje no tiene que formarse mientras la mina está activa. Podría ser, y a menudo sucede, años después que surja el problema de AMD.
No todos los materiales de desecho, o áreas, en un sitio de mina causan drenaje ácido de mina. El drenaje se forma si el material contiene metales sulfurosos, incluyendo pirita y pirrotita. Estos metales se oxidan cuando entran en contacto con la atmósfera, es decir, aire y lluvia. Después de la oxidación se produce la producción de ácido sulfúrico y la liberación de metales. Esto hace que el agua que corre por el área se vuelva ácida, recoja metales y, por lo tanto, se convierta en drenaje ácido de la mina. Los metales que se encuentran con mayor frecuencia en el drenaje ácido de minas son el hierro, el aluminio y el manganeso. La única forma de evitar que se forme AMD en una mina es evitar que se oxiden los metales sulfurosos. Hoy en día, existen muchos métodos que están en práctica en sitios mineros activos para evitar que esto suceda. Esto incluye tapar las pilas de desechos, desviar el agua y realizar un tratamiento en el sitio con construcciones como trincheras de piedra caliza.
Siendo un problema en la mina indicada, la generación de estos drenajes, se plantea como objetivo principal en este estudio, buscar una alternativa tecnológica pueda ser empleada para remover los iones metálicos pesados existentes en los drenajes ácidos producidos por los procesos extractivos en la Planta Concentradora de Minera Chinalco - Toromocho y como hipótesis: El uso de un bloque poroso preparado a partir de los silicatos existentes en los relaves de la Planta materia de este estudio, permite adsorber en forma adecuada los iones metálicos pesados existentes en los drenajes ácidos producidos por los procesos extractivos minero metalúrgicos.
En el desarrollo de este trabajo se ha considerado un primer capítulo donde se exponen las generalidades, a continuación formulamos la investigación, seguidamente la fundamentación teórica y en el cuarto la parte en la cual incluimos la investigación experimental, finalmente indicamos las conclusiones y recomendaciones.
Con esta tesis esperamos se alcancen las expectativas científicas y técnicas, finalmente ponemos a consideración de los señores jurados, el presente trabajo de investigación que nos sirva para obtener el título de Ingeniero Metalurgista y de Materiales.
Los Autores
ÍNDICE DE MATERIAS
CARATULA ... I ASESOR ... II DEDICATORIA ... III RESÚMEN... IV INTRODUCCIÓN ... VI ÍNDICE ... IX ÍNDICE DE TABLAS ... XIII ÍNDICE DE FIGURAS ... XIV
CAPITULO I ... 1
GENERALIDADES ... 1
1.1. EL PROYECTO TOROMOCHO EN EL PERÚ ... 1
1.1.1. Ubicación ... 7
1.1.2. Geomorfología y Relieve ... 8
1.1.3. Clima y meteorología ... 9
CAPITULO II ... 11
FORMULACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ... 11
2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 11
2.1.1. Formulación del Problema General... 13
2.1.2. Formulación de Problemas Específicos ... 13
2.2. OBJETIVOS ... 14
2.2.1. Objetivo General ... 14
2.2.2. Objetivos Específicos ... 14
2.3. JUSTIFICACIÓN ... 14
2.4. PLANTEAMIENTO DE LA HIPÓTESIS ... 15
2.4.1. General ... 15
2.4.2. Específicas ... 16
2.5. VARIABLES: ... 16
2.5.1. Variables Independientes: ... 16
2.5.2. Variable Dependiente: ... 17
CAPITULO III ... 18
MARCO TEÓRICO ... 18
3.1. BASES TEÓRICAS ... 18
3.1.1. Antecedentes ... 18
3.1.2. Caracterización del Drenaje Ácido de Roca ... 23
3.1.3. Como se produce la Contaminación ... 27
3.1.4. Tratamiento activo del drenaje ácido de minas ... 31
3.1.5. Tratamiento pasivo del drenaje ácido de minas ... 37
3.1.6. Avances en el tratamiento de drenajes ... 43
3.1.7. Teoría de la adsorción ... 47
3.1.8. Definición de relaves ... 50
3.1.8.1. Propiedades físicas de los relaves. ... 51
3.1.8.2. Química de relaves ... 53
3.1.8.3. Mineralogía de relaves ... 56
3.2. ANÁLISIS DEL PROCESO PROPUESTO ... 58
CAPITULO IV ... 62
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL DE LA INVESTIGACIÓN ... 62
4.1. MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN... 63
4.1.1. Materiales ... 63
4.1.2. Equipos ... 64
4.1.3. Método ... 64
4.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ... 65
4.2.1. Materiales y métodos ... 65
4.2.1.1. Reactivos ... 65
4.2.2. Preparación de SPM ... 66
4.2.3. Punto de determinación de carga cero ... 68
4.2.4. Experimentos de adsorción ... 69
4.2.5. Experimentos de desorción ... 71
4.2.6. Isoterma de adsorción de SPM ... 72
4.2.7. Estudio cinético de SPM ... 72
4.2.8. Experimentos de columna ... 73
4.3. PRESENTACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ... 73
4.3.1. Caracterización de la SPM ... 73
4.3.2. Propiedades de Adsorción ... 77
4.3.2.1. Efecto del tiempo de contacto ... 77
4.3.2.2. Efecto de la concentración inicial de iones de metales pesados .. 80
4.3.2.3. Efecto del valor de pH sobre la adsorción de iones de metales pesados……...………...82
4.3.2.4. Adsorción competitiva entre tres iones de metales pesados ... 85
4.3.3. Desorción de iones de metales pesados ... 88
4.3.4. Isoterma de adsorción de SPM ... 91
4.3.5. Estudio cinético de SPM ... 93
4.3.6. Experimentos de columna ... 95
CONCLUSIONES ... 98
RECOMENDACIONES ... 99
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 100
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 4.1. Contenido químico elemental en las colas de silicato... 67
Tabla 4.2. Contenido químico elemental en bauxita... 67
Tabla 4.3. Condiciones experimentales en modo lote. ... 70
Tabla 4.4. Adsorción de metales sobre otros residuos sólidos de silicato. ... 90
Tabla 4.5. Modelo de Langmuir y parámetros del modelo de Freundlich. ... 93
Tabla 4.6. Parámetros del modelo cinético de pseudo primer orden y del modelo cinético de pseudo-segundo orden. ... 95
Tabla 4.7. Parámetros del modelo de Thomas. ... 96
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Ubicación general del proyecto Toromocho. ... 3 Figura 1.2. Arreglo general del proyecto. ... 6 Figura 4.1. Punto de carga cero del material poroso de silicato (SPM). ... 76 Figura 4.2. Patrones de difracción de rayos X (XRD) de SPM, bauxita y relaves . . 76 Figura 4.3. Micromorfología de SPM 1000 y 5000 ... 76 Figura 4.4. Espectros infrarrojos de transformada de Fourier (FTIR) de SPM, relaves de silicato, bauxita y bentonita. ... 77
Figura 4.6. Isotermas de adsorción para Pb2+, Cd2+ y Cu2+ en los adsorbentes en iones de metales pesados concentraciones de 20 a 1400 mg⸱L – 1., ... 82
Figura 4.8. Adsorción competitiva de Pb2+, Cd2+ y Cu2+ en los adsorbentes en iones de metales pesados concentración de 100 mg L− 1. ... 88
Figura 4.9. Los comportamientos de desorción de Pb2+, Cu2+, and Cu2+ de SPM después de sucesivas desorciones. ... 91
Figura 4.10. Curvas de adsorción de experimentos en columna. ... 97
CAPITULO I GENERALIDADES
En este primer capítulo exponemos aspectos relacionados con el Proyecto Toromocho materia del presente trabajo de investigación.
1.1. EL PROYECTO TOROMOCHO EN EL PERÚ
El Proyecto Toromocho planteado para su explotación minero metalúrgica, consiste en una mina de tajo abierto con reservas de cobre y molibdeno, localizada en la parte central de los Andes del Perú; en el distrito de Morococha, provincia de Yauli, departamento de Junín (Ver Mapa). El Proyecto está localizado en un área que cuenta con una larga historia de operaciones mineras y que ha sido activamente explorada desde los años 60 por Cerro de Pasco Corporation, luego por Centromin y recientemente por Minera Perú Copper S.A. (ahora Minera
Chinalco Perú S.A.), quien recibe la concesión de Centromin (ahora Activos Mineros) mediante un contrato de transferencia el 5 de mayo de 2008.
El titular del Proyecto Toromocho (el Proyecto) es Minera Chinalco Perú S.A.
(Chinalco), de propiedad de Aluminum Corporation of China Ltd. Para propósitos de este documento, el nombre del titular será Minera Chinalco Perú S.A., o su abreviación Chinalco.
A la fecha, las exploraciones geológicas y el planeamiento de mina han determinado que el depósito Toromocho contiene una reserva de 1 526 millones de toneladas de mineral con una ley promedio de cobre de 0,48%, una ley promedio de molibdeno de 0,019% y una ley promedio de plata de 6,88 gramos por tonelada, basado en una ley de corte de aproximadamente 0,37% de cobre.
El Proyecto prevé 32 años de operaciones de minado, durante los cuales también se realizará la producción de concentrado y almacenamiento de mineral de baja ley. Posteriormente, por un período adicional de 4 años, las operaciones estarán dirigidas al aprovechamiento del mineral de baja ley almacenado durante los primeros 32 años, sumando en total 36 años de operación propuesta para el Proyecto. El plan de operaciones del Proyecto contempla la extracción mineral de una mina a tajo abierto utilizando métodos convencionales de explotación, usando palas y camiones para el transporte del mineral y/o desmonte.
Figura 1.1. Ubicación general del proyecto Toromocho.
Con una tasa de procesamiento del mineral de 117 200 t/d, la planta concentradora producirá durante los 36 años de vida de la operación un promedio de 1 838 t/d de concentrado de cobre (26,5% Cu) y 25,7 t/d de óxido de molibdeno (MoO3). Durante los primeros 10 años de la operación, la producción media será de 2 335 t/d de concentrado de cobre. El concentrado de cobre será producido a partir del mineral mediante procesos de chancado, molienda, flotación y espesamiento, mientras que la producción de óxido de molibdeno involucrará un proceso de oxidación a presión. Tanto el concentrado de cobre como el óxido de molibdeno serán transportados por ferrocarril hacia el puerto de Callao. Uno de los principales impactos a nivel macro del Proyecto está referido a la inversión necesaria para su desarrollo, la cual ascendería a 2 200 millones de dólares americanos, equivalente a aproximadamente el 8% del total de la inversión privada en el Perú (tomando como base el total anual de 2008). Esta inversión se traducirá principalmente en compras y contrataciones, principalmente en el mercado local mediante la Política de Compras Locales, pero recurriendo al extranjero cuando sea necesario.
Las instalaciones proyectadas estarán emplazadas en las cuencas Huascacocha (Morococha), Tunshuruco y Rumichaca. La cuenca Morococha contendrá el tajo abierto, el depósito de mineral de baja ley y el depósito de mineral de baja ley – suroeste, los depósitos de desmonte oeste y sureste, la chancadora primaria, el taller mecánico y la infraestructura de mantenimiento, un depósito de combustible, el edificio de administración, áreas de acopio de
suelo, caminos de acarreo y caminos de acceso. Además, la cuenca Morococha contiene la actual ciudad de Morococha y las instalaciones de mina existentes y los depósitos de relaves asociados con las operaciones de Compañía Minera Argentum y Minera Austria Duvaz (y otras operaciones mineras históricas). La cuenca Rumichaca contendrá la faja transportadora principal, el complejo de la concentradora, los tanques de agua cruda y de proceso, una cantera de roca caliza (con depósitos de desmonte asociados) y un área de acopio de suelos, además del depósito de relaves en la cuenca Tunshuruco. El campamento de construcción estará emplazado en la localidad de Pachachaca, mientras que el de operación formará parte de la nueva ciudad de Morococha en el sector de Hacienda Pucará. En la siguiente figura se presenta el arreglo general del Proyecto.
Figura 2.2. Arreglo general del proyecto.
1.1.1. Ubicación
El Proyecto Toromocho está ubicado en los distritos de Morococha y Yauli, provincia de Yauli, departamento de Junín (Mapa). La región en la que se encuentran las concesiones presenta una topografía accidentada, con altitudes que varían entre 4 400 y 5 000 m, exceptuando algunas cumbres aisladas como Yanashinga, que alcanza los 5 290 m de altitud o el nevado Anticona de 5 120 m de altitud.
El Proyecto involucra principalmente a la cuenca del río Rumichaca y a la cuenca Huascacocha, las cuales drenan hacia la cuenca del río Yauli y finalmente hacia el océano Atlántico a través de los ríos Mantaro y Amazonas.
El acceso al área del Proyecto, se realiza desde la ciudad de Lima por la Carretera Central, a través de una vía asfaltada hasta Morococha (142 km), así como mediante el Ferrocarril Central (173 km). Ambas vías también unen la zona del Proyecto con la ciudad de La Oroya ubicada a aproximadamente 32 km por carretera y aproximadamente 35 km por ferrocarril.
1.1.2. Geomorfología y Relieve
El área de estudio se encuentra dentro del ámbito geomorfológico de la Cordillera de los Andes. Está constituida por un conjunto de elevaciones que corren alineadas en cadenas paralelas. La Cordillera de los Andes, configura un gran macizo antiguo, que responde al clásico esquema de plegamiento en el Primario, erosión en el Secundario, formando dilatadas penillanuras y sobre elevación en bloques durante el Terciario debido a la Orogenia Andina, intercalado con grandes cuerpos intrusivos y con eventos volcánicos, conjunto que configura un relieve complejo.
En el marco de la zona del Proyecto, se encuentran manifestaciones de deglaciaciones recientes y modificaciones producidas por procesos periglaciares actuales. En toda el área, la mayor importancia la tienen los procesos periglaciares, como el creeping o reptación, solifluxión y deslizamientos de derrubios, que determinan la presencia de formas menores típicas del resultado de estos procesos.
Las formas que predominan gracias a estos procesos son los grandes taludes de derrubios, los cuales tapizan las laderas con derrubios muy finos producto de la intensa meteorización mecánica que
caracteriza el área. Los conos de escombros y aluviales son muy numerosos, aunque sus dimensiones no son importantes.
1.1.3. Clima y meteorología
Para la caracterización climática de la zona se consideraron y analizaron los datos procedentes de varias estaciones regionales situadas cerca del área de estudio y 7 estaciones propias de Chinalco.
El área de estudio presenta un clima montañoso típico de ambientes ubicados a grandes alturas como la sierra del Perú. Este clima está caracterizado principalmente por ser frío y seco, y por presentar dos temporadas claramente definidas: la época de lluvias, correspondiente al periodo comprendido entre los meses de octubre y marzo; y la época seca, correspondiente al resto de meses del año.
El factor más influyente que define el clima en el área de estudio es su posición altitudinal (a aproximadamente 4 500 m de altitud en promedio). Otros factores considerados fueron la latitud (entre los 11 y 12º de latitud sur), y la continentalidad o posición con respecto al océano. Estos factores intervienen de manera determinante en los rasgos climáticos importantes tales como la amplitud térmica diaria y anual, los regímenes eólicos así como en los niveles existentes de humedad, precipitación y evaporación.
Los registros de la estación meteorológica de Tuctu señalan una temperatura media mensual entre 4,0°C y 5,9°C; sin una variación anual significativa y con una temperatura promedio anual de 5,0°C. Esta escasa variabilidad es una característica propia de estas latitudes. Los meses que presentan los valores más altos de temperatura son mayo, julio, agosto y noviembre; con máximas mensuales promedio mayores a 12ºC; mientras que los meses con las menores temperaturas son junio, julio y agosto; con medias mínimas mensuales de -2ºC en promedio.
El promedio anual de radiación solar diaria para el periodo de registro es 4 627 Wh/m². Esta información también señala un máximo para el promedio mensual de la radiación solar diaria de 5 479 Wh/m² en el mes de agosto y un mínimo de 3 838 Wh/m² en el mes de marzo.
Los vientos de la zona presentan características propias de sistemas eólicos de montaña y de valle (vientos locales) con un comportamiento acorde con las gradientes térmicas establecidas en el lugar, que determinan la intensidad de los movimientos de las masas de aire, y un comportamiento fuertemente influenciado por la configuración topográficas.
CAPITULO II
FORMULACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Para desarrollar el presente estudio, se ha considerado en el uso del método científico, el cual se da inicio con el planteamiento del problema, llegando a la formulación de las respectivas hipótesis y variables de investigación.
2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Como resultado de su peculiar geografía y variada mineralogía, la actividad minera-metalúrgica en nuestro país y especialmente en la parte inicial de la cuenca del río Yauli es causa de múltiples problemas ambientales uno de ellos es la generación del drenaje ácido como producto de los sistemas de explotación minera conteniendo iones sulfato, férricos y otros metales en solución, indudablemente este problema es planteado en las serranías del Perú
por las grandes precipitaciones pluviales y la existencia de aguas subterráneas en los interiores de las minas., en tal sentido se hace necesario buscar alternativas tecnológicas que permitan mitigar los efectos ocasionados por dicha actividad.
Una de las regiones más afectadas por este problema es el centro de la sierra peruana, donde se encuentran varios yacimientos mineros cuya zona es conocida como Morococha, y una de ellas es Unidad de Toromocho, que es contribuidora de las aguas ácidas que son desaguadas al final al río Yauli que a su vez es un contribuidor del río Mantaro, los iones metálicos y la acidez de estas, perjudican a los agricultores y a la ganadería que utilizan estas aguas, especialmente a las tierras y pastizales ubicados en el valle del Mantaro.
La actividad minera es una fuente potencial de contaminación, y siendo la preservación ambiental responsabilidad de todo ser humano, nosotros los mineros debemos evitar que la actividad que desarrollamos, altere irremediablemente nuestro entorno.
En el trabajo de investigación que presentamos, planteamos una propuesta para resolver la problemática resultante de la generación de aguas ácidas así como también planteamos una alternativa para procesar dicho drenaje, que fundamentalmente consiste en el empleo de un material de silicato poroso, como adsorbente de los iones metálicos pesados, para efectos del
estudio planteamos la remoción de los iones de plomo, cobre y cadmio, como principales contaminantes.
Esto nos permite plantear la siguiente pregunta:
2.1.1. Formulación del Problema General
¿Cómo influye la adsorción de los iones metálicos pesados contenida en las aguas acidas en la mitigación de los impactos ambientales generada por los relaves de la planta concentradora de MINERA CHINALCO – TOROMOCHO?
2.1.2. Formulación de Problemas Específicos
a) ¿Qué variables deben de ser estudiadas para determinar cuál de ellas es la que influye en el proceso a estudiar, para lograr remover efectivamente los iones metálicos en solución?
b) ¿Cuál será el comportamiento cinético del método propuesto para la remoción efectiva de los iones metálicos en solución?
2.2. OBJETIVOS
2.2.1. Objetivo General
Buscar una alternativa tecnológica pueda ser empleada para remover los iones metálicos pesados existentes en los drenajes ácidos producidos por los procesos extractivos en la Planta Concentradora de Minera Chinalco - Toromocho.
2.2.2. Objetivos Específicos
a) Determinar las variables que deben de ser estudiadas para determinar cuál de ellas es la que influye en el proceso a estudiar, para lograr remover efectivamente los iones metálicos en solución.
b) Determinar el comportamiento cinético del método propuesto para la remoción efectiva de los iones metálicos en solución.
2.3. JUSTIFICACIÓN
La tesis se justifica por las siguientes razones:
a) La naturaleza y complejidad de los minerales polimetálicos que es una de las características de la minería peruana y se ve reflejada en el yacimiento de Toromocho de la Empresa Minera Chinalco, esto es demostrado por la
existencia de minerales sulfurados, especialmente la pirita y otros sulfuros, además las condiciones de las inclemencias climáticas y las aguas subterráneas interactúen para la formación de aguas ácidas conteniendo iones metálicos en solución, hacen que sea necesario encontrar un tratamiento adecuado previo a drenar a las cuencas río abajo.
b) El drenaje de aguas ácidas con contenido de metales en solución es un problema de ambiental ocasionado por las actividades minero metalúrgicas, para lo cual las empresas dedicadas a este rubro están obligadas a mitigar los efectos ocasionados por la existencias de dichas aguas.
c) El desarrollo de este tipo de trabajos de investigación contribuye con el cumplimiento de los objetivos de la Universidad al proponer alternativas tecnológicas que resuelven problemas de la comunidad y de las empresas mineras dedicadas a la extracción de nuestros recursos.
2.4. PLANTEAMIENTO DE LA HIPÓTESIS 2.4.1. General
El uso de un bloque poroso preparado a partir de los silicatos existentes en los relaves de la Planta Concentradora de Minera Chinalco – Toromocho, permite adsorber en forma adecuada los iones
metálicos pesados existentes en los drenajes ácidos producidos por los procesos extractivos minero metalúrgicos.
2.4.2. Específicas
a) Las variables que influyen el proceso de adsorción de los iones metálicos pesados son: tiempos de contacto, concentración inicial de los iones metálicos pesados, el pH, competencia entre iones; dentro estos las que influyen son el pH y la coexistencia entre los iones presentes.
b) El modelo cinético indica que el proceso de adsorción está limitado por los procesos de difusión de iones de metales pesados y la quimisorción.
2.5. VARIABLES:
2.5.1. Variables Independientes:
Tiempo de contacto
Concentración inicial de iones metálicos pesados
pH
Competencia de adsorción entre metales disueltos
2.5.2. Variable Dependiente:
Porcentaje de remoción por cada ion metálico
CAPITULO III MARCO TEÓRICO
El marco teórico fundamentado para el desarrollo de este estudio es utilizado para proporcionar las bases del problema de la investigación y hacer propuestas para la solución teórica a las hipótesis indicadas en esta tesis.
3.1. BASES TEÓRICAS 3.1.1. Antecedentes
De acuerdo a Pozo – Antonio y otros (2017) indica que “La oxidación de minerales sulfurados presentes en los residuos de actividad minera de yacimientos polimetálicos con sulfuros, especialmente pirita u otros, como calcopirita o pirrotina, genera
drenajes ácidos de mina (AMD, por sus siglas en inglés, acid mine drainage) ricos en elementos potencialmente tóxicos, que pueden contaminar a los cuerpos de agua vulnerables, ya sean superficiales o profundos. La oxidación de la pirita y, en menor grado, la de otros sulfuros, por la acción del aire y agua tiene lugar a través de dos tipos de mecanismos: uno de naturaleza inorgánica, debido al oxígeno molecular o al ion férrico; y otro con intervención biótica, fundamentalmente de bacterias oxidantes del azufre y del hierro. La necesidad de mitigar y prevenir la formación de AMD ha promovido el desarrollo de numerosas investigaciones sobre los mecanismos de oxidación y su prevención. Los resultados de las investigaciones han sido la base del desarrollo de tecnologías de prevención o control basadas en procedimientos físicos, químicos y biológicos; el uso de medidas microbiológicas es la menos dañina para el medio ambiente, dado que se trata de seres presentes en el mismo y que no conlleva la adición de agentes artificiales.”.
Baquero y otros (2008) en su trabajo “se refiere únicamente a la prevención y minimización de aguas ácidas, en su generación, sin entrar en la descripción de tratamientos activos, pasivos o mixtos de dichas aguas. Cuando existe riesgo de generación de aguas ácidas, con el fin de eliminar o, al menos, minimizar su aparición, deberían tenerse en cuenta criterios de diseño y gestión del riesgo. La prevención
de la contaminación derivada de las actividades mineras se relaciona, estrechamente, con los métodos de explotación, el aporte de aguas (superficiales y subterráneas) y el tratamiento de las mismas. Con respecto a las formas de actuar, cabe distinguir aquellas acciones que se orientan hacia el objetivo de reducir la formación de contaminantes, y aquellas otras que implican el tratamiento de las aguas contaminadas.
En general, la actuación no se ciñe a un sólo procedimiento, sino que es combinación de varios, y se acomete en función del problema específico a resolver, ya que su eficiencia puede ser muy diferente de unos casos a otros. Los métodos preventivos se basan en la eliminación de alguno de los elementos esenciales en la generación de aguas ácidas (sulfuro, oxígeno, humedad o bacterias catalizadoras).La elección entre uno u otro método, depende de las condiciones (origen, desagüe, grado de actividad, etc.), características (físicas y químicas) y carácter (permanente y temporal) del efluente, así como espacio disponible. Los tratamientos aquí expuestos, son tanto in situ, como confinados en espacios inundados o bajo lámina de agua, en huecos mineros superficiales aislados del agua, o eliminando la humedad mediante procesos de evaporatranspiración.”
Cadillo, E. (2018) en su trabajo de investigación “enfocó en desarrollar una propuesta para la reducción de las concentraciones de los metales totales en el agua ácida del pasivo ambiental dejado por la
empresa minera Nuncia en el distrito de Ataquero, provincia de Carhuaz, departamento de Áncash. Así permitiendo mejorar la calidad del agua, para lo cual se construyó un sistema de tratamiento consistente en uno tubo de PVC de 4” que simula una columna de tratamiento teniendo como filtros naturales los propios materiales de la zona donde se realizara la investigación, de entre los cuales se seleccionó a la turba, paja y bosta de la vaca, ya que estas nos generan bacterias sulfato reductoras, las cuales son las causantes de la mejora de la calidad del agua”.
Berrospi, L. (2019) en su tesis desarrolla “El tratamiento de remediación con dolomita es un método alternativo de precipitación y purificación de drenajes ácidos de mina, logrando neutralizar y reducir las concentraciones de los iones de metales pesados, tales como el cobre, plomo, hierro y zinc presente en las aguas ácidas de la laguna Yanamate. La dolomita, es un mineral no metálico de carbonato doble de calcio y magnesio (CaMg(CO3)), que se comporta como un efectivo reactivo de purificación de aguas contaminadas con AMD, debido a las propiedades fisicoquímicas de la neutralización, así como la adsorción de iones metálicos disueltos en las aguas ácidas.”
Zevallos, J. (2016) en su tesis indica “La investigación se llevó a cabo en el distrito de Apata, provincia de Jauja, en el proyecto minero
Paraíso Perdido, que se encuentra en el lado este del distrito, la investigación se realizó con el objetivo de estabilizar el drenaje ácido de mina que se encuentra en 4 de pH a 6,5 pH para lograr minimizar el daño con aguas acidas al río Esperanza aguas abajo de la compañía minera Paraíso perdido, para ello se aplicó una serie de técnicas e instrumentos con lo cual se determinó que los minerales presentes en el proyecto Paraíso perdido producirán efluentes ácidos que pondrán en riesgo la estabilidad del rio, como resultado del estudio se logró proponer un tratamiento de reducción de la acidez, siendo esta una buena alternativa para reducir el nivel de contaminación de estas aguas residuales, ya que se logra el aumento de pH para su estabilización, la disminución de los sulfatos y iones metálicos de cobre, hierro, etc.”
Villachica, C. (2005) desarrolla el proceso NCD cuyo
“procedimiento aprovecha la característica coloidal de los precipitados obtenidos al neutralizar aguas ácidas de minas y la energía cinética que el efluente genera durante su conducción por canal o tubería. El agente neutralizante se añade al canal de conducción, en forma soluble o finamente dividido en una pulpa, a una distancia aguas arriba del punto de descarga suficiente para proporcionar el tiempo de contacto requerido para completar las reacciones de neutralización y precipitación de metales disueltos. La velocidad del efluente supera largamente la velocidad crítica de los precipitados generados y del
agente neutralizante no consumido, debido a su granulometría fina. La separación sólido-líquido del efluente neutralizado se logra mezclando rápidamente con residuos (relaves) mineros, cuarzo, magnetita, caliza, suelos, escoria, u otro material sólido de carácter granular, que coagula los precipitados coloidales sobre su superficie, reduce su volumen y sedimenta rápidamente. El material coagulante puede ser separado y recirculado con relativa facilidad.”
3.1.2. Caracterización del Drenaje Ácido de Roca
El drenaje ácido de roca (DAR) es un fenómeno que se experimenta en varias minas de oro, metales base y carbón en el mundo, y se forma cuando los sulfuros minerales contenidos en las labores subterráneas, roca de desmonte, relaves y otros componentes de una mina, son expuestos al aire y agua. El drenaje ácido resulta cuando la capacidad oxidante de un componente -la cual es función de su composición en sulfuros minerales- excede la capacidad del componente de neutralizar la acidez. La neutralización de la acidez puede ocurrir debido a la reacción del drenaje con minerales tales como carbonatos y algunos silicatos reactivos. El drenaje resultante, el cual puede variar considerablemente con respecto al pH y su carga de metales, puede tener serios impactos sobre el ambiente receptor debido no sólo a su posible acidez, sino también a los metales pesados
que pueden ser lavados a medida que el agua corre a través de la mina o de los residuos mineros. El DAR es probablemente el más serio de los retos ambientales en minería y actualmente debe ser considerado por todas las compañías que se encuentran desarrollando y llevando a cabo planes de manejo de residuos para cumplir con las normas ambientales vigentes.
Las llamadas aguas ácidas de mina son aquellas que ocurren como consecuencia de la oxidación natural de sulfuros presentes en rocas expuestas a la acción del intemperismo (aire y agua). Se sabe también que la presencia de actividad biológica puede acelerar las reacciones de oxidación de los sulfuros. Las características principales de las aguas ácidas son su bajo pH (llegándose a niveles de pH cercanos a 2), su alto contenido de iones (principalmente sulfatos e iones metálicos) y acidez muy alta (a niveles próximos a los 5000 mg de CaC03 equivalente por litro).
Otra característica importante del drenaje ácido de mina es su gran capacidad para movilizar metales pesados que puedan estar presentes en los sulfuros. Las aguas ácidas de mina ofrecen un medio favorable para la presencia de iones metálicos en distintas concentraciones de elementos como hierro, magnesio, aluminio, manganeso, cobre, zinc, plomo, etc.
Las reacciones que describen con mayor claridad el proceso de generación de aguas ácidas son las que describen la oxidación de la pirita (FeS2) que es uno de los minerales siempre presente en los yacimientos de sulfuros:
2 FeS2 + 7O2 + 2 H20 =2Fe2+ + 4S042-+ 4H+ (1)
2Fe2+ + 1/202+ 2H+ = 2Fe3+ + H20 (2)
2Fe3+ + 6H20 = 2 Fe(OH)3(sólido) + 6H+ (3)
FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H20 = 15 Fe2+ +2S042-+16H+ (4)
La ecuación 1 describe el proceso de oxidación de la pirita en su primera fase. Para que esta reacción ocurra es necesaria la presencia de oxígeno y tal como se puede apreciar la oxidación del hierro no es completa pues el producto de la reacción es el ión ferroso y no el férrico.
Los productos de la reacción 1 van a generar el inicio de la acidificación del agua la cual, de no ser neutralizada provocará a su vez la caída del pH.
La ecuación 2 ocurre cuando el ambiente es lo suficientemente oxidante como para convertir al ión ferroso en férrico.
La precipitación del hidróxido férrico ocurre cuando el pH es superior a 2.3. De no ocurrir la precipitación del hidróxido férrico, el ión férrico existente podría contribuir a acelerar el proceso de oxidación de la pirita tal como se describe en la ecuación 4.
La actividad biológica puede jugar un rol importante acelerando o desacelerando la oxidación de los sulfuros. Thiobacillus Ferrooxidans es conocido por acelerar las reacciones (2) y (4) a través de su capacidad para acelerar la oxidación del ión ferroso. Sin embargo para que la actividad bacteriana realmente acelere los procesos de oxidación el pH del medio debe ser inferior a 3.2. Por otro lado se sabe que la intensidad de la actividad bacteriana depende de la temperatura y que temperaturas muy bajas tienden a inhibir la acción bacteriana.
A pesar que la pirita es un mineral predominante en los depósitos de sulfuros, los procesos de oxidación descritos pueden afectar a otros sulfuros.
3.1.3. Como se produce la Contaminación
La contaminación de las aguas de los cauces naturales es causada en la industria minera metalúrgica por dos fuentes: una como producto de la explotación minera y la otra como consecuencia del procesamiento de minerales. En el primer caso se puede conceptuar como una consecuencia de la hidrología de la zona minera que está relacionada directamente con la geología de la zona y puede explicarse de la siguiente manera:
El agua que cae sobre la tierra como la lluvia o nieve contiene solamente pequeñas cantidades de materia mineral disuelta. Tan pronto como este alcance la tierra, sin embargo, comienza a reaccionar con los minerales del suelo y las rocas con las que llega a estar en contacto. La cantidad y carácter de la materia mineral disuelta por aguas meteóricas depende de la composición química y estructura física de las rocas con las cuales ellas han estado en contacto, la temperatura, la presión, la duración del contacto y los materiales ya en solución. La acción solvente del agua es asistida por la presencia en solución de dióxido de carbono en solución, derivado a partir de la atmósfera, en el agua que cae en forma de lluvia o a partir del suelo a través por el cual pasa el agua y se forma por procesos orgánicos.
La acción de las aguas meteóricas sobre los minerales existentes en las rocas ígneas, primero se disuelve el mineral luego se hidroliza, que es la reacción de los iones del agua con los del mineral disuelto. La cantidad de disociación de agua pura en iones es pequeña: a temperaturas ordinarias un litro de agua contiene solamente 10-7 gramos de hidrogeno en la forma iónica. La concentración de iones hidrógeno de aguas meteóricas es más grande, sin embargo, debido a la presencia del dióxido de carbono que existe universalmente en ellas, la acción del agua sobre los minerales es acelerada, la cantidad de aceleración depende de la cantidad de dióxido de carbono en la solución. Es probable que cerca de la superficie, o grande sea las aguas percolantes conteniendo ácido carbónico, la acción de este ácido es la más fuerte, pero como este es usado en la reacción mencionada, los efectos de la hidrólisis llega a ser predominante.
Como una regla cualquier mineral conteniendo hierro es fácil de alterarse rápidamente con el ataque por el agua, el hierro se une con él oxigeno para formar el óxido de hierro, el cual es muy insoluble y permanece en el suelo.
El principal material soluble en las rocas sedimentarias es el carbonato, principalmente de calcio. La disolución del carbonato de calcio, con algo de carbonato de magnesio, es el resultado de la acción
primaria de las aguas meteóricas conteniendo en solución dióxido de carbono del aire y el suelo, que pasa a través de depósitos sedimentarios.
El carbonato de calcio es relativamente insoluble en agua pura: 1 litro de agua destilada disuelve solamente 0,014 gr de carbonato de calcio a 25ºC. El bicarbonato de calcio, formado por la reacción entre el carbonato de calcio y agua conteniendo ácido carbónico, es sin embargo, mucho más soluble.
El sulfato es derivado de varias fuentes en el suelo y las rocas y a partir de materiales adicionados por agentes humanos, por ejemplo los sulfatos resultantes de la oxidación e hidrólisis de sulfuros metálicos, del gypsum o de fertilizantes conteniendo sulfatos. El sulfuro de hierro, por oxidación e hidrólisis, produce óxido de hierro (usualmente hidratado) y ácido sulfúrico:
2FeS2 + 7H2O + 7.5O2 = 2Fe(OH)3 + 4H2SO4
Las aguas provenientes de las pizarras característicamente llevan sulfatos, algunas veces en considerables cantidades, derivado probable mayormente, de la pirita frecuentemente asociados con las pizarras. El ácido sulfúrico formado en la oxidación e hidrólisis de la pirita actúa
fuertemente sobre las otras rocas constituyentes e intensifica la acción de las aguas percolantes. Algunas aguas, particularmente en la vecindad de las minas de carbón, donde la pirita ha sido expuesta a la acción del aire y del agua, son ácidas debido a su contenido de ácido sulfúrico. Cuando aquellas aguas ácidas se mueven hacia abajo a través de rocas calizas, el ácido sulfúrico actúa sobre el carbonato de calcio y las aguas llegan a ser neutrales y entonces más y más alcalinos pero aun contienen considerables cantidades de iones sulfato y hierro.
H2SO4 + CaCO3 = H2CO3 + CaSO4
H2CO3 + CaCO3 = Ca(HCO3)2
La otra fuente considerada son los afluentes producidos como consecuencia del procesamiento de minerales, en este caso se trata de una planta concentradora convencional, que básicamente tiene los circuitos de chancado, molienda, clasificación, flotación por espumas de sulfuros, espesado y filtrado de concentrados. Dentro de este aspecto habría que considerar como mayor fuente de contaminación los reactivos empleados dentro del proceso tanto como los colectores, espumantes, modificadores de superficie, reguladores de pH. La acción de estos reactivos es la de adecuar a los minerales sulfurados para que se flote selectivamente a los minerales de interés y deprimir a los minerales no importantes económicamente.
Es indudable que la interacción entre las superficies frescas de los minerales involucrados con los reactivos empleados, produzcan cierto grado de lixiviación o disolución de las especies sólidas lo que se ve reflejado en los análisis químicos de las aguas de rebose de los relaves, esto entendiendo que las áreas de las superficies de los minerales se ven incrementadas por la molienda, estas superficies frescas se ponen en contacto en la etapa de acondicionamiento con reactivos como la cal (cambio de pH), el NaCN (a razón de 0,05 kg / TM de mineral fresco) y el CuSO4 (a razón de 0,86 kg / TM de mineral fresco), principalmente aparte de los reactivos orgánicos empleados como los xantatos, promotores, espumantes. Los primeros reactivos son considerados dentro de la metalurgia extractiva como agentes lixiviantes muy activos.
Dentro de la planta concentradora también debemos considerar como fuente de contaminación el consumo de agentes de molienda, básicamente las barras y bolas de acero que son consumidos en una alta proporción (aprox., 1 kg/TM de mineral fresco), gran parte de este hierro pasa a solución.
3.1.4. Tratamiento activo del drenaje ácido de minas
El tratamiento activo, también conocido como tratamiento químico, implica agregar productos químicos al agua para elevar el pH y
precipitar metales. Hay varios químicos diferentes que se usan para combatir el drenaje ácido de minas. Este grupo de métodos también implica el uso de maquinaria para poner los productos químicos en el agua. El tratamiento activo puede ser muy efectivo, tan efectivo como cualquier método pasivo, pero el tratamiento se determina sitio por sitio.
Hay una variedad de productos químicos en uso hoy en día y cada uno se puede usar de muchas maneras diferentes, con diferentes sistemas de entrega y configuración de los sitios. Los productos químicos comúnmente utilizados incluyen; caliza, cal hidratada, cal viva de guijarros, ceniza de sosa, sosa cáustica, amoníaco y escoria de acero. Cada uno de estos químicos tiene diferentes propiedades, costos y algunas diferencias en cómo se pueden administrar.
Para entregar constantemente una sustancia química al agua sin un control humano constante, tenía que haber una innovación en la tecnología de tratamiento. Esta innovación llegó con la máquina Aquafix, que utiliza el concepto de rueda de agua. No se requiere energía para este sistema y el flujo de agua es lo que agrega el químico al agua (Skousen y Jenkins, 1993). Otras formas de este concepto se denominan simplemente dosificadores, como los instalados en Three Forks Creek en Virginia Occidental. Estos dosificadores utilizan un
mecanismo accionado por agua para transmitir el producto químico elegido de un silo cercano (WVDEP, 2011).
Si el sitio tiene un drenaje que no es demasiado ácido y contiene pocos metales, entonces la piedra caliza sería una buena opción para el tratamiento activo del sitio. Este material no es muy soluble y puede desarrollar una cubierta que evita que cualquiera llegue al agua, por lo que no es una opción para situaciones extremas. Para estos sitios mínimos, esta podría ser una excelente opción, especialmente porque es barata y fácil de manejar de forma segura. Para la implementación de este sistema, la piedra caliza simplemente se puede verter o se puede dosificar, agregando con el tiempo en lugar de verter todo a la vez (Skousen et al, 1996).
En áreas de alto flujo o acidez hay varias opciones para el tratamiento activo. Entre estas opciones, la cal hidratada puede ser la opción más efectiva. Este es el químico más popular utilizado para tratar el drenaje ácido de minas en todo el mundo. Con esta opción, debe haber una planta mezcladora en el sitio para mezclar mecánicamente el polvo en el que comienza la cal hidratada y luego entregarlo al agua afectada (Skousen et al, 1996). Estos sistemas se distinguen por los silos que se encuentran en el sitio, esto puede ser costoso pero el costo se distribuye con el tiempo.
La cal viva de guijarros se usa con la máquina aquafix para áreas que tienen tiempos periódicos de drenaje de minas. Este sistema se usa porque utiliza el concepto de pozo de agua, solo agrega químicos cuando el flujo mueve la rueda de agua. Esto se puede adaptar para situaciones más duras, el producto químico es muy reactivo y no se usa tanto (Skousen et al, 1996).
El uso de cenizas de sosa está disminuyendo, en parte porque solo se usa porque es conveniente. Las áreas remotas con problemas muy leves pueden tener un pequeño sistema que entrega briquetas de ceniza de soda al agua periódicamente (Skousen et al, 1996). Este sistema da muy poco control sobre cuánto se agrega y cuándo, pero solo se usa en áreas remotas con problemas leves de AMD.
La soda cáustica se agrega al agua usando un sistema alimentado por gravedad, lo que lo convierte en una buena opción para áreas a las que sería difícil y costoso obtener electricidad. El cáustico puede elevar el pH muy rápidamente, es más pesado que el agua y puede aplicarse incluso en estanques. Sin embargo, es algo peligroso en el manejo y transporte, también es más costoso que la mayoría de las otras opciones. El cáustico se almacena en un tanque en el sitio, que puede congelarse. Esto conduce a cambios en la sustancia química, a una solución al 20%, a agregar calentadores o enterrar el tanque (Skousen
et al, 1996). Esto puede conducir a un precio más alto pero aún más barato que la solución de ceniza de soda para ubicaciones remotas.
El amoniaco es un gas que se inyecta en el agua y casi de inmediato aumenta el nivel de pH. Es mucho más barato que muchos de los otros métodos y el amoníaco es algo natural, lo que significa que los organismos vivos lo producen (Faulkner y Skousen, 1991). Sin embargo, hay varios inconvenientes. Puede ser peligroso de manejar y los operadores deben tener mucho cuidado con la cantidad que se agrega al agua, una sobrecarga de amoníaco podría dañar seriamente la corriente. Esta es la razón por la cual el uso de esta sustancia química está más regulado e incluso podría requerir un cambio en un informe de sitios NPDES (Skousen et al, 1996). Puede ser muy efectivo y es más barato que muchas otras opciones, pero debe determinarse sitio por sitio si este es el producto químico correcto para usar.
La escoria de acero es un material sólido que resulta de los procesos de fundición y refinación de metales y se puede encontrar en pilas en cualquier sitio donde se fabricó acero (Ziemkiewicz y Skousen, 1998). Este material es soluble y libera óxidos de calcio y magnesio, químicos que aumentan el pH. A diferencia de la cal, este material de escoria no absorbe CO2 del aire y la escoria también genera más alcalinidad que el mismo peso en cal. Pero la escoria también puede
contener metales pesados, aunque la mayoría no prueba en grandes cantidades, con la excepción del níquel y el manganeso. Hay muchos tipos diferentes de escoria, dependiendo de cómo se produjo, algunos contienen más metales, mientras que otros tienen un mayor potencial para neutralizar la AMD. La escoria actúa de manera diferente cuando se combina con ácido y quizás es por eso que no se usa con tanta frecuencia como la cal, especialmente en sitios con alta acidez. Como tratamiento activo, la escoria se aplicaría directamente, se descargaría o se dosificaría en el agua (Ziemkiewicz y Skousen, 1998). La escoria tiene el beneficio de ser abundante y barata de obtener, aunque el transporte puede ser costoso.
El tratamiento que implica la precipitación de metales tiene que tener una forma de eliminar los metales precipitados del agua. Esto normalmente se completa a través del tiempo de residencia en un estanque de asentamiento o humedal. Los metales disueltos de AMD forman pequeñas masas, o flóculos, que se asientan fuera del agua cuando permanece quieto (Brown et al, 1994). Este material puede dejarse en el estanque o en el humedal, bombearse para desechar pilas o para sellar minas o pozos abandonados (Skousen et al, 1996).
3.1.5. Tratamiento pasivo del drenaje ácido de minas
El tratamiento pasivo utiliza procesos naturales para tratar el drenaje ácido de minas. Esto a menudo implica el desvío de agua hacia un estanque o humedal. A diferencia del tratamiento activo, los productos químicos no se agregan al agua. En cambio, en la mayoría de estos sistemas, el agua afectada se desvía a través de tratamientos naturales o biológicos para lograr resultados similares a los tratamientos químicos.
Uno de los sistemas pasivos más utilizados, ya que ambos son independientes y forman parte de otro sistema, son los humedales. Hay tres tipos de humedales utilizados en tratamientos pasivos; flujo aeróbico, anaeróbico y vertical. Todos estos humedales son humedales construidos porque es contra la ley federal degradar los humedales naturales. No existen tales regulaciones para los humedales construidos. Los humedales aeróbicos son poco profundos, con profundidades de no más de 30 cm. Estos humedales se usan típicamente cuando el agua entrante es alcalina neta. Su uso principal es solo para la aireación y precipitación de metales del agua (Skousen y Ziemkiewicz, 2005). Los humedales anaerobios son más profundos, cualquier humedal que tenga más de 30 cm de profundidad. Estos humedales se usan cuando el agua entrante es netamente ácida. Tiene
un sustrato rico en materia orgánica y utiliza plantas y bacterias para el tratamiento (Skousen y Ziemkiewicz, 2005).
Los humedales de flujo vertical utilizan la materia orgánica más que otros tipos de humedales. El humedal consta de capas de compost orgánico y piedra caliza. El drenaje se conduce a través de estas capas donde se agrega alcalinidad y los metales pueden precipitar. Este tipo de humedal es una parte común de los sucesivos sistemas de producción alcalina (SAPS) de tratamiento pasivo (Demchak et al, 2001).
Los desagües anóxicos de piedra caliza son uno de varios sistemas pasivos que utilizan las cualidades naturales de la piedra caliza para agregar alcalinidad al agua a medida que se disuelve. Un drenaje de piedra caliza anóxica es una zanja enterrada, forrada con plástico y piedra caliza, donde el agua se desvía para correr a través de esta zanja. Esto se instala típicamente aguas arriba de un humedal, de modo que los metales pueden precipitarse durante el tiempo de residencia en el humedal (Skousen, 1991). Cuando se usa para lograr el mejor efecto, un ALD intercepta el drenaje de la mina antes de exponerlo al oxígeno atmosférico y está completamente cerrado (Cravota III y Trahan, 1999). Los ALD son útiles por sí mismos en ciertas situaciones, pero también se usan como parte de otros sistemas. La
velocidad de flujo, el oxígeno disuelto, la concentración de metales y la acidez deben tenerse en cuenta al considerar la posibilidad de usar un ALD para tratar el drenaje ácido de la mina (Skousen, 1991).
Los sistemas de producción alcalina (APS), o los sistemas de producción alcalina sucesivos (SAPS), son tratamientos pasivos que combinan varias formas diferentes de tratamiento para remediar completamente la AMD. Estos sistemas utilizan drenajes de piedra caliza anóxicos y sustratos orgánicos para correr continuamente el agua desviada hasta que el agua haya sido completamente tratada.
Este es un sistema que está en uso y es muy efectivo para elevar el pH del agua, pero hay algún problema con la eliminación de metales del agua (Skousen, 1997).
Los estanques de piedra caliza son simplemente estanques que están revestidos con capas de piedra caliza en el fondo. El propósito de estos estanques es para el tratamiento de la DMAE en el punto donde surge y permite que el agua se filtre a través de las capas de piedra caliza y dentro del estanque (Skousen, 1997). Esto tiene limitaciones físicas obvias y puede no ser utilizable en todas las áreas o en todas las situaciones. Tiene el beneficio de ser un método sobre el suelo, lo que significa que el mantenimiento y el mantenimiento de un estanque
de piedra caliza es más fácil que en los sistemas que están enterrados (Skousen, 1997).
Los canales abiertos de piedra caliza son una forma básica de tratamiento donde se construye un canal y se recubre con piedra caliza;
esto es efectivo tanto con piedra caliza blindada como sin blindaje, aunque la piedra caliza no blindada es ligeramente más efectiva que la piedra caliza blindada (Ziemkiewicz et al, 1994). Esto es básicamente una zanja bien construida a través de la cual se desvía el agua. Siendo este el caso, hay muchos factores en la construcción y el uso de este sistema de tratamiento pasivo (Ziemkiewicz et al, 2003). Esto incluye el tipo o la gravedad del drenaje, la pendiente del área y cualquier otra limitación física del sitio en cuestión.
Las capas de lixiviación de piedra caliza son una parte comúnmente utilizada del tratamiento pasivo. El lecho de lixiviación es un pozo normalmente poco profundo que está lleno de astillas de piedra caliza y piedra, que naturalmente agregan alcalinidad al agua que atraviesa. El agua a tratar debe ser desviada, probablemente a través de una alcantarilla, hacia el lecho de sanguijuela y luego fuera de ella, después de un tiempo de residencia suficiente, y de regreso a donde debe fluir naturalmente (Black et al, 1999). El lecho de lixiviación es bastante fácil de construir y una valla de madera es más que suficiente
para protegerlo, ya que el lecho es de piedra y no es algo más profundo o más sensible, como un humedal.
Un problema al usar la piedra caliza es cuando entra en contacto con el drenaje de la mina que contiene aluminio y hierro (III), la piedra caliza puede desarrollar una armadura. La AMD que generalmente causa esto tiende a ser más altamente ácida y contiene niveles más altos de estos metales. La formación de armadura significa que los hidróxidos que se crean cuando la piedra caliza se mezcla con estos metales, particularmente el hierro, pueden recubrir la piedra caliza y reducir su capacidad para tratar el drenaje. Esto no quiere decir que la piedra caliza no blindada no se pueda usar para tratar el drenaje, pero es algo menos efectiva que su contraparte no blindada. En pruebas de laboratorio, la piedra caliza blindada ha demostrado ser entre un 2 y un 45 por ciento menos efectiva que sin blindaje, dependiendo de las circunstancias específicas de cada sitio (Ziemkiewicz et al, 1997).
El concepto de lecho de lixiviación también puede utilizar escoria de acero, en lugar de piedra caliza. Esto demuestra ser muy efectivo, produciendo agua alcalina de hasta un pH de 9 (Simmons et al, 2002).
Esto es más efectivo si el agua tratada por acidez y no se ve afectada por hierro, aluminio o manganeso (Ziemkiewicz et al, 2003). Esto tiene
los mismos beneficios que el lecho de lixiviación de piedra caliza; eso es fácil construcción y mantenimiento.
Los biorreactores son una forma diferente de tratamiento pasivo que no implica desviar el agua tanto como los otros métodos pasivos.
Utilizan microorganismos para el tratamiento, como se usa en algunas formas de tratamiento de humedales, para ayudar a acelerar la precipitación de metales. Con un biorreactor, el tratamiento generalmente se aplica al sitio que produce el drenaje, en lugar de desviar el agua y tratarla allí. Este tratamiento se aplica generalmente al relleno de desperdicios en los sitios mineros, donde la DMAE se origina en muchos casos (Skousen, 1997).
Similar a los sitios activos, los metales precipitados deben tratarse en sistemas pasivos. Si no se les permitirá permanecer en estanques o humedales, entonces es necesario un procedimiento de lavado. La mayoría de los sistemas pasivos tienen mecanismos que lavan el sistema automáticamente con agua para limpiar los metales o tienen fácil acceso para que los gerentes puedan lavar el sistema (Skousen, 1997). Los metales enjuagados se mueven o bombean a los mismos lugares donde se almacenan los metales precipitados de los sitios activos.
3.1.6. Avances en el tratamiento de drenajes
El carbonato de calcio proporciona un medio alternativo para neutralizar el agua ácida. Su principal ventaja sobre la cal es su menor precio y la producción de volúmenes de lodo más pequeños (Maree et al. 1992). Sin embargo, en comparación con la cal hidratada, incluso la piedra caliza de alta calidad requiere un largo período de reacción para tratar el agua ácida. Si bien el proceso puede acelerarse utilizando sistemas de lecho fluidizado, estas ganancias son relativamente caras (Clayton et al. 1990; Maree y du PIessis 1994).
En contraste, la precipitación de sulfuro (con Na2S, o CaS) es un proceso más efectivo para el tratamiento de desechos industriales que contienen metales pesados altamente tóxicos. Las características atractivas del proceso de precipitación de sulfuro son el logro de un alto grado de eliminación de metales en un amplio rango de pH, la precipitación efectiva de ciertos metales incluso a niveles de pH muy bajos y una reacción rápida. La eliminación de metales pesados de las aguas residuales con procesos de precipitación de sulfuro ha ganado, por consiguiente, considerable importancia en las últimas décadas (Larson y Ross 1976; Lantz 1979; Bhattacharya et al. 1979, 1981).
Desafortunadamente, la precipitación de sulfuro tiene una tendencia a formar H2S tóxico a bajos valores de pH.
El proceso de precipitación da como resultado la eliminación de la mayoría de los metales pesados dentro de los límites prescritos, pero produce un efluente con una alta salinidad y un uso limitado. El principal problema en el tratamiento del efluente encalado es que las sales disueltas deben reducirse a niveles aceptables con un costo indebido.
Las tecnologías existentes para la eliminación de sal incluyen, entre otras, evaporación, ósmosis inversa, electrodiálisis e intercambio iónico. La evaporación implica evaporación natural y forzada. A pesar de su bajo costo, la evaporación natural lleva mucho tiempo y requiere grandes estanques para ser efectiva. En contraste, la evaporación impulsada por energía no solo es más eficiente sino también significativamente más costosa. La ósmosis inversa (Sourirajan 1970;
Mattson y Lew 1982) es una tecnología en la que el agua que contiene sales disueltas se bombea a alta presión a través de membranas que permiten la penetración selectiva del agua mientras retienen las sales disueltas, produciendo así agua purificada y salmuera. Sin embargo, el sulfato de calcio escasamente soluble concentrado en el efluente de la salmuera limita la recuperación de agua al provocar la incrustación del equipo.
La electrodiálisis (Conlon 1990) es una tecnología en la cual el agua pura se pasa entre las membranas catiónicas y las membranas
selectivas aniónicas, en presencia de un campo eléctrico. Las impurezas (iones) se transportan a través de estas membranas y se concentran en corrientes de salmuera, dejando una corriente de producto de agua purificada. Como es el caso de la ósmosis inversa, el calcio en el agua de alimentación da lugar al escamado de las membranas, limitando así la recuperación de agua purificada a niveles similares a los que se pueden lograr con ósmosis inversa.
También es posible extraer sales disueltas de agua al pasarla a través de lechos de resinas de intercambio iónico. Esta es una tecnología bien establecida para producir agua muy pura a partir de agua que contiene bajos niveles de sales disueltas (Clifford 1990). Las sales disueltas en muchas de las aguas contaminadas de la mina son principalmente sulfato de calcio y magnesio.
Las zeolitas son minerales de aluminosilicato hidratado de origen natural. Pertenecen a la clase de minerales conocidos como 'tectosilicatos ". Las zeolitas naturales más comunes se forman por la alteración de rocas volcánicas ricas en vidrio (toba) con agua dulce en lagos de playa o por agua de mar (Badillo-Almaraz et al. 2003).
Las estructuras de las zeolitas consisten en estructuras tridimensionales de SiO4 y AIO4 tetraédrica. El ion de aluminio es lo
