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Drenaje ácido de minas

Río Tinto, en España, presenta un drenaje ácido de origen tanto natural como artificial (minería). Rocas teñidas por precipitados ferrosos provenientes del drenaje ácido de mina...

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Río Tinto, en España, presenta un drenaje ácido de origen tanto natural como artificial (minería).
Rocas teñidas por precipitados ferrosos provenientes del drenaje ácido de minas en Shamokin Creek , en el condado de Northumberland, Pensilvania.

El drenaje ácido de minas , drenaje ácido y metalífero ( AMD ) o drenaje ácido de rocas ( ARD ) es la salida de agua ácida de las minas de metales y de carbón .

El drenaje ácido de rocas se produce de forma natural en algunos entornos como parte del proceso de meteorización de las rocas, pero se ve agravado por las grandes alteraciones del terreno características de la minería y otras actividades de construcción a gran escala, generalmente en rocas con alto contenido de minerales sulfurados . Las zonas donde el terreno ha sido alterado (por ejemplo, en obras de construcción o carreteras ) pueden generar drenaje ácido de rocas. En muchas localidades, el líquido que drena de los depósitos de carbón , las instalaciones de manipulación de carbón, las plantas de lavado de carbón y los vertederos de residuos de carbón puede ser altamente ácido, y en tales casos se trata como drenaje ácido de rocas. Esto, sumado a la disminución del pH, tiene un impacto perjudicial en los ecosistemas acuáticos de los arroyos.

El mismo tipo de reacciones y procesos químicos pueden producirse mediante la alteración de suelos sulfatados ácidos formados en condiciones costeras o estuarinas tras la última gran subida del nivel del mar , y constituyen un peligro ambiental similar .

Nomenclatura

Históricamente, las descargas ácidas de minas activas o abandonadas se denominaban drenaje ácido de minas (DAM). El término drenaje ácido de rocas (DAR) se introdujo en las décadas de 1980 y 1990 para indicar que el drenaje ácido puede tener su origen en fuentes distintas a las minas. [ 1 ] Por ejemplo, un artículo presentado en 1991 en una importante conferencia internacional sobre este tema se tituló: «La predicción del drenaje ácido de rocas: lecciones de la base de datos». [ 2 ] Tanto DAM como DAR se refieren a aguas con pH bajo o ácidas causadas por la oxidación de minerales sulfurados , aunque DAR es el nombre más genérico.

En los casos en que el drenaje de una mina no es ácido y contiene metales o metaloides disueltos , o era originalmente ácido pero se ha neutralizado a lo largo de su recorrido, se describe como "drenaje neutro de mina" [ 3 ] , "agua influenciada por la minería" [ 4 ] o de otra forma. Ninguno de estos otros nombres ha alcanzado aceptación general.

Aparición

En este caso, la pirita se ha disuelto, dando como resultado una estructura cúbica con oro residual. Esta descomposición es la principal causa del drenaje ácido de minas.

La minería subterránea suele realizarse por debajo del nivel freático , por lo que es necesario bombear el agua de la mina constantemente para evitar inundaciones. Cuando se abandona una mina, cesa el bombeo y el agua la inunda. Esta entrada de agua es el paso inicial en la mayoría de los casos de drenaje ácido de rocas. Los depósitos o estanques de relaves , los vertederos de estériles mineros [ 3 ] y los desechos de carbón también constituyen una fuente importante de drenaje ácido de minas.

Tras la exposición al aire y al agua, la oxidación de los sulfuros metálicos (a menudo pirita , que es sulfuro de hierro) en la roca circundante y la sobrecarga genera acidez. Las colonias de bacterias y arqueas aceleran considerablemente la descomposición de los iones metálicos, aunque estas reacciones también ocurren en un ambiente abiótico . Estos microbios, denominados extremófilos por su capacidad de sobrevivir en condiciones extremas, se encuentran de forma natural en la roca, pero la escasez de agua y oxígeno suele mantener su número bajo. Los extremófilos conocidos como acidófilos se desarrollan especialmente bien en los bajos niveles de pH de las minas abandonadas. En particular, Acidithiobacillus ferrooxidans contribuye de forma clave a la oxidación de la pirita. [ 5 ]

Las minas de metales pueden generar vertidos altamente ácidos cuando el mineral es un sulfuro o está asociado con pirita. En estos casos, el ion metálico predominante puede no ser hierro , sino zinc , cobre o níquel . El mineral de cobre más comúnmente extraído, la calcopirita , es en sí mismo un sulfuro de cobre y hierro y se presenta con otros sulfuros. Por lo tanto, las minas de cobre suelen ser las principales responsables del drenaje ácido de minas.

En algunas minas, el drenaje ácido se detecta entre 2 y 5 años después del inicio de la actividad minera, mientras que en otras, no se detecta hasta varias décadas después. Además, el drenaje ácido puede generarse durante décadas o siglos tras su primera detección. Por este motivo, el drenaje ácido de minas se considera un grave problema ambiental a largo plazo asociado a la minería.

Química

La química de la oxidación de las piritas, la producción de iones ferrosos y posteriormente iones férricos , es muy compleja, y esta complejidad ha inhibido considerablemente el diseño de opciones de tratamiento eficaces. [ 6 ]

Aunque una gran cantidad de procesos químicos contribuyen al drenaje ácido de minas, la oxidación de la pirita es, con mucho, el principal contribuyente. Una ecuación general para este proceso es: [ 7 ]

2 FeS 2 (s) + 7 O 2 (g) + 2 H 2 O (l) → 2 Fe 2+ (aq) + 4 SO 2− 4 (aq) + 4 H + (aq)

La oxidación del sulfuro a sulfato solubiliza el hierro ferroso ( hierro(II) ), que posteriormente se oxida a hierro férrico ( hierro(III) ):

4 Fe 2+ (aq) + O 2 (g) + 4 H + (aq) → 4 Fe 3+ (aq) + 2 H 2 O (l)

Cualquiera de estas reacciones puede ocurrir espontáneamente o puede ser catalizada por microorganismos que obtienen energía de la reacción de oxidación. Los cationes férricos producidos también pueden oxidar pirita adicional y reducirse a iones ferrosos: [ 8 ]

FeS 2 (s) + 14 Fe 3+ (aq) + 8 H 2 O (l) → 15 Fe 2+ (aq) + 2 SO 2− 4 (aq) + 16 H + (aq)

El efecto neto de estas reacciones es la liberación de H + , lo que disminuye el pH y mantiene la solubilidad del ion férrico.

Efectos

Efectos sobre el pH

Niño amarillo en un arroyo que recibe drenaje ácido de la minería de carbón a cielo abierto.

Se han medido temperaturas del agua de hasta 47 °C (117 °F) [ 9 ] bajo tierra en la mina Iron Mountain , y el pH puede ser tan bajo como -3,6. [ 10 ]  

Los organismos que causan el drenaje ácido de minas pueden proliferar en aguas con un pH muy cercano a cero. El pH negativo [ 11 ] se produce cuando el agua se evapora de estanques ya ácidos, aumentando así la concentración de iones de hidrógeno.

Aproximadamente la mitad de las descargas de las minas de carbón en Pensilvania tienen un pH inferior a 5. [ 12 ] Sin embargo, una parte del drenaje de las minas tanto en las regiones bituminosas como antracíticas de Pensilvania es alcalina, porque la piedra caliza en la sobrecarga neutraliza el ácido antes de que emane el drenaje.

Chico amarillo

Cuando el pH del drenaje ácido de minas supera 3, ya sea por contacto con agua dulce o por la neutralización de minerales, los iones de hierro(III) previamente solubles precipitan como hidróxido de hierro(III) , un sólido amarillo-anaranjado conocido coloquialmente como "yellow boy" (chico amarillo) . [ 13 ] También son posibles otros tipos de precipitados de hierro, como óxidos y oxihidróxidos de hierro, y sulfatos como la jarosita . Todos estos precipitados pueden decolorar el agua y asfixiar la vida vegetal y animal en el lecho del arroyo, alterando los ecosistemas fluviales (un delito específico según la Ley de Pesca de Canadá). El proceso también produce iones de hidrógeno adicionales, que pueden disminuir aún más el pH. En algunos casos, las concentraciones de hidróxidos de hierro en el "yellow boy" son tan altas que el precipitado puede recuperarse para su uso comercial en pigmentos. [ 14 ]

Contaminación por metales traza y semimetales

Muchos vertidos de roca ácida también contienen niveles elevados de metales potencialmente tóxicos, especialmente níquel y cobre, con niveles más bajos de diversos iones traza y semimetálicos como plomo , arsénico , aluminio y manganeso . Los elevados niveles de metales pesados ​​solo pueden disolverse en aguas con un pH bajo, como las que se encuentran en las aguas ácidas producidas por la oxidación de la pirita. En la zona carbonífera de los valles del sur de Gales , en el Reino Unido, los vertidos altamente ácidos y ricos en níquel procedentes de los depósitos de carbón han resultado especialmente problemáticos.

Efectos sobre la fauna acuática

El drenaje ácido de minas también afecta a la fauna silvestre que habita en el cuerpo de agua afectado. Los macroinvertebrados acuáticos que viven en arroyos o tramos de arroyos afectados por el drenaje ácido de minas presentan menor número de individuos, menor diversidad y menor biomasa. Muchas especies de peces tampoco toleran la contaminación. [ 15 ] Entre los macroinvertebrados, ciertas especies solo se encuentran en determinados niveles de contaminación, mientras que otras se encuentran en un amplio rango. [ 16 ]

Identificación y predicción

En el ámbito minero, es práctica habitual realizar una evaluación geoquímica de los materiales de la mina durante las primeras etapas de un proyecto para determinar el potencial de drenaje ácido de minas (DAM). La evaluación geoquímica tiene como objetivo mapear la distribución y variabilidad de los parámetros geoquímicos clave, así como las características de generación de ácido y lixiviación de elementos. [ 17 ]

La evaluación puede incluir: [ 17 ]

  1. Muestreo;
  2. Análisis geoquímicos estáticos (por ejemplo, balance ácido-base, especiación de azufre);
  3. Trabajo de pruebas geoquímicas cinéticas : Realización de pruebas de consumo de oxígeno, como la OxCon, para cuantificar las tasas de generación de acidez [ 18 ].
  4. Modelización de la oxidación, la generación y liberación de contaminantes; y
  5. Modelado de la composición del material.

Tratamiento

Vigilancia

En el Reino Unido, muchos vertidos procedentes de minas abandonadas están exentos de control reglamentario. En estos casos, la Agencia de Medio Ambiente y Recursos Naturales de Gales, en colaboración con socios como la Autoridad del Carbón, han proporcionado soluciones innovadoras, como la creación de humedales artificiales , por ejemplo, en el río Pelenna , en el valle del río Afan, cerca de Port Talbot, y el humedal artificial junto al río Neath en Ynysarwed .

Aunque las minas subterráneas abandonadas producen la mayor parte del drenaje ácido de minas, algunas minas a cielo abierto recientemente explotadas y rehabilitadas han producido drenaje ácido de minas y han degradado los recursos hídricos subterráneos y superficiales locales. El agua ácida producida en las minas activas debe neutralizarse para lograr Se permite un pH de entre 6 y 9 antes de que se vierta el vertido de una mina a un curso de agua.

En Canadá, el trabajo para reducir los efectos del drenaje ácido de minas se concentra en el programa de Drenaje Neutro del Entorno Minero (MEND, por sus siglas en inglés). Se estima que la responsabilidad total derivada del drenaje ácido de rocas oscila entre 2.000 y 5.000 millones de dólares canadienses . [ 19 ] Durante un período de ocho años, MEND afirma haber reducido la responsabilidad por drenaje ácido de rocas hasta en 400 millones de dólares canadienses , con una inversión de 17,5 millones de dólares canadienses . [ 20 ]

Métodos

Neutralización con carbonato de calcio

Con frecuencia , en los lugares afectados por el drenaje ácido de rocas, faltan rocas calizas o estratos calcáreos adecuados que puedan neutralizar los efluentes ácidos, o bien su acceso es insuficiente (tiempo de contacto demasiado corto con aguas ácidas que fluyen demasiado rápido, superficie específica demasiado baja , contacto insuficiente, etc.). En estos casos, se puede verter piedra caliza triturada en el lugar como agente neutralizante.

Sin embargo, aunque la caliza es una materia prima sin procesar disponible en grandes cantidades y el agente neutralizante menos costoso, puede presentar varias desventajas que posiblemente limiten sus aplicaciones. De hecho, los pequeños granos de carbonato de calcio de la caliza triturada pueden ser propensos a la formación de una capa de yeso ( CaSO₄ · 2H₂O ) rodeada por una fina película impermeable y protectora de hidroxisulfato de Fe-Al menos soluble. Esta capa se denomina a veces en la literatura como armadura (escudo, incrustación, borde, corteza...). [ 21 ] Cuando está presente, pasiva la superficie de la caliza, impidiendo la disolución de la calcita y la posterior liberación de bicarbonato en solución. [ 21 ]

Neutralización con cal

Dependiendo del volumen y caudal de los efluentes ácidos a neutralizar y de la escala de las instalaciones industriales, un proceso comercial común, aunque más costoso, para el tratamiento de drenaje ácido de minas es la precipitación con cal en un proceso de lodos de alta densidad (HDS). En esta aplicación, una suspensión de cal ( CaO – Ca(OH) ₂ después de la hidratación) se dispersa en un tanque que contiene drenaje ácido de minas y lodos reciclados para aumentar el pH del agua a aproximadamente 9. A este pH, la mayoría de los metales tóxicos se vuelven insolubles y precipitan, favorecidos por la presencia de lodos reciclados. Opcionalmente, se puede inyectar aire en el tanque para oxidar el hierro(II) y el manganeso(II) y facilitar su precipitación. La suspensión resultante se dirige a un recipiente de sedimentación de lodos, como un clarificador . En dicho recipiente, el agua limpia rebosará para su descarga, mientras que los precipitados metálicos sedimentados (lodos) se reciclan al tanque de tratamiento de drenaje ácido de minas, con una corriente lateral de desecho de lodos. Existen varias variantes de este proceso, determinadas por la química del ARD, su volumen y otros factores. [ 22 ] Generalmente, los productos del proceso HDS también contienen yeso ( CaSO 4 ) y cal sin reaccionar, lo que mejora tanto su sedimentabilidad como su resistencia a la reacidificación y la movilización de metales.

Una ecuación general para este proceso de neutralización es:

H2SO4 + Ca ( OH ) 2 → CaSO4 + 2H2O​​

Las variantes menos complejas de este proceso, como la neutralización simple con cal, pueden requerir únicamente un silo de cal, un tanque de mezcla y un estanque de sedimentación. Estos sistemas son mucho menos costosos de construir, pero también menos eficientes (requieren tiempos de reacción más prolongados y producen una descarga con mayores concentraciones de metales traza, si los hubiera). Serían adecuados para caudales relativamente pequeños o drenaje ácido de minas menos complejo. [ 23 ]

Neutralización con silicato de calcio

Una materia prima de silicato de calcio , obtenida a partir de escoria de acero procesada , también puede utilizarse para neutralizar la acidez activa en sistemas AMD mediante la eliminación de iones de hidrógeno libres de la solución, aumentando así el pH. A medida que el anión silicato captura iones H + (elevando el pH), forma ácido monosilícico (H₄SiO₄ ) , un soluto neutro. El ácido monosilícico permanece en la solución y desempeña diversas funciones para corregir los efectos adversos de las condiciones ácidas. En la solución, el anión silicato es muy eficaz neutralizando los cationes H + en la solución del suelo. [ 24 ] Si bien su modo de acción es bastante diferente al de la caliza, la capacidad del silicato de calcio para neutralizar soluciones ácidas es equivalente a la de la caliza, como lo demuestra su valor CCE del 90-100 % y su valor de neutralización relativa del 98 % . [ 25 ]

En presencia de metales pesados, el silicato de calcio reacciona de manera diferente a la caliza. Dado que la caliza eleva el pH de la solución, en presencia de metales pesados, se acelera la precipitación de los hidróxidos metálicos poco solubles y aumenta significativamente la tendencia a la formación de una capa impermeable de hidróxido metálico, denominada blindaje , en la superficie de los granos de caliza. Los granos de caliza se recubren con una corteza de yeso encapsulada en una fina película externa de hidroxisulfato de Fe-Al impermeable y protector. El blindaje ralentiza la disolución del CaCO₃ e impide que los granos de caliza liberen alcalinidad adicional en la solución. [ 21 ] En los agregados de silicato de calcio , a medida que las especies de ácido silícico se adsorben en la superficie del hidróxido metálico, el desarrollo de capas de sílice (monocapas y bicapas) conduce a la formación de complejos coloidales con cargas superficiales neutras o negativas. Estos coloides con carga negativa se repelen electrostáticamente entre sí (así como con los gránulos de silicato de calcio con carga negativa). Los coloides metálicos secuestrados se estabilizan y permanecen en un estado disperso estable , interrumpiendo eficazmente la precipitación del metal y reduciendo la vulnerabilidad del material al blindaje (formación de una costra impermeable alrededor de los granos del material que impide su disolución y disminuye su reactividad). [ 24 ]

Eliminación de metales tóxicos mediante intercambio iónico

Los procesos de intercambio catiónico se han investigado previamente como un tratamiento potencial para el drenaje ácido de minas. El principio es que una resina de intercambio iónico puede eliminar metales potencialmente tóxicos (resinas catiónicas), o cloruros, sulfatos y complejos de sulfato de uranilo (resinas aniónicas) del agua de mina . [ 26 ] Una vez que los contaminantes se adsorben , los sitios de intercambio en las resinas deben regenerarse, lo que generalmente requiere reactivos ácidos y básicos y genera una salmuera que contiene los contaminantes en forma concentrada. Una empresa sudafricana que ganó el premio IChemE 2013 por gestión y suministro de agua (tratamiento de AMD) ha desarrollado un proceso de intercambio iónico patentado que trata los efluentes mineros (y AMD) de manera económica.

Humedales artificiales

Se propusieron sistemas de humedales artificiales durante la década de 1980 para tratar el drenaje ácido de minas generado por las minas de carbón abandonadas en los Apalaches orientales . [ 27 ] Generalmente, los humedales reciben agua casi neutra, después de haber sido neutralizada típicamente mediante un proceso de tratamiento a base de caliza. [ 28 ] La precipitación de metales ocurre por su oxidación a pH casi neutro, complejación con materia orgánica, precipitación como carbonatos o sulfuros. Esto último resulta de bacterias anaeróbicas transportadas por sedimentos capaces de reducir iones sulfato a iones sulfuro. Estos iones sulfuro pueden luego unirse con iones de metales pesados, precipitando metales pesados ​​de la solución y revirtiendo efectivamente todo el proceso.

El atractivo de una solución de humedales artificiales radica en su coste relativamente bajo. Están limitados por las cargas de metales que pueden tratar (ya sea por caudales elevados o concentraciones de metales), aunque los profesionales actuales han logrado desarrollar humedales artificiales que tratan grandes volúmenes (véase la descripción del humedal artificial de la mina Campbell ) y/o agua altamente ácida (con un pretratamiento adecuado). Normalmente, el efluente de un humedal artificial que recibe agua casi neutra estará bien amortiguado a 6,5–7,0 y puede descargarse fácilmente. Algunos de los precipitados metálicos retenidos en los sedimentos se oxidan y removilizan fácilmente al exponerse al oxígeno atmosférico (por ejemplo, sulfuro de cobre o selenio elemental ), y es muy importante que los sedimentos del humedal permanezcan sumergidos de forma permanente y en gran medida para mantenerlos insolubles e inmóviles. Las sequías prolongadas causadas por el calentamiento global podrían comprometer el correcto funcionamiento y la seguridad de algunos humedales artificiales si, durante un verano extremadamente caluroso, disminuye el suministro de agua y se acelera la evaporación, provocando su secado.

Un ejemplo de humedal artificial eficaz se encuentra en el Afon Pelena, en el valle del río Afan , por encima de Port Talbot, donde se han tratado con éxito los vertidos altamente ferruginosos de la mina Whitworth .

Precipitación de sulfuros metálicos

La mayoría de los metales base en solución ácida precipitan al entrar en contacto con sulfuro libre, por ejemplo, proveniente de H₂S o NaHS. La separación sólido-líquido posterior a la reacción produciría un efluente libre de metales base que puede descargarse o tratarse posteriormente para reducir el sulfato, y un concentrado de sulfuro metálico con posible valor económico.

Como alternativa, varios investigadores han estudiado la precipitación de metales mediante sulfuro biogénico. En este proceso, las bacterias reductoras de sulfato (BRS) oxidan la materia orgánica utilizando sulfato como aceptor terminal de electrones , en lugar de oxígeno . Sus productos metabólicos incluyen bicarbonato, producido por la oxidación de la materia orgánica, que puede neutralizar la acidez del agua, y sulfuro de hidrógeno , que forma precipitados altamente insolubles con muchos metales tóxicos. Si bien es prometedor, este proceso se ha adoptado lentamente por diversas razones técnicas. [ 29 ]

Tecnologías

Se han desarrollado y revisado diversas tecnologías para el tratamiento de la DMAE, incluyendo el tratamiento pasivo con agentes biológicos, como bacterias reductoras de sulfato, neopartículas magnéticas, bentonita y otros materiales innovadores. [ 30 ]

Estudio metagenómico

Con el avance de las estrategias de secuenciación a gran escala , los genomas de los microorganismos en la comunidad de drenaje ácido de minas se secuencian directamente del medio ambiente. Las construcciones genómicas casi completas permiten una nueva comprensión de la comunidad y la reconstrucción de sus rutas metabólicas. [ 31 ] Nuestro conocimiento de los acidófilos en el drenaje ácido de minas sigue siendo rudimentario: conocemos muchas más especies asociadas con el drenaje ácido de minas de las que podemos establecer roles y funciones. [ 32 ]

Microorganismos y descubrimiento de fármacos

Recientemente, los científicos han comenzado a explorar los drenajes ácidos de minas y los sitios de recuperación de minas en busca de bacterias del suelo únicas capaces de producir nuevos compuestos farmacéuticos prometedores. Los microbios del suelo han sido durante mucho tiempo una fuente de fármacos eficaces [ 33 ] y nuevas investigaciones, como la realizada en el Centro de Investigación e Innovación Farmacéutica , sugieren que estos entornos extremos constituyen una fuente inexplorada para nuevos descubrimientos. [ 34 ] [ 35 ]

Lista de sitios seleccionados de drenaje ácido de minas en todo el mundo.

Esta lista incluye tanto minas que producen drenaje ácido como sistemas fluviales significativamente afectados por dicho drenaje. No es exhaustiva, ya que en todo el mundo existen miles de sitios similares.

África

Europa

América del norte

Oceanía

Véase también

Referencias

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  • AMRClearinghouse.org
  • OrangeWaterNetwork.org (Sitio web de EPCAMR)
  • Evaluación de los métodos de tratamiento (PDF)
  • IMWA – Asociación Internacional de Aguas Mineras
  • INAP – Red Internacional para la Prevención de la Acidez
  • INAP – Guía mundial sobre el drenaje ácido de rocas
  • Descripción general de los procesos químicos involucrados
  • PADRE – Asociación para la Remediación de Drenaje Ácido en Europa
  • La ciencia del drenaje ácido de minas y el tratamiento pasivo
  • Drenaje de minas del USGS
  • Las aguas más ácidas del mundo se encuentran cerca de Redding, California (pH -3,6).
  • MiWER - Centro de Investigación sobre Aguas Mineras y Medio Ambiente (con sede en Australia)
  • Panorama general de los impactos del drenaje ácido de minas en el yacimiento aurífero de West Rand.
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