Drenaje-Ácido-de-Roca-Informe.pdf

Proyecto de Ingeniería Ambiental y Química Analítica Ambiental “

METODOLOGÍA PARA CARACTERIZAR EL DRENAJE ÁCIDO DE ROCA Y PARA EVALUAR EL POTENCIAL DE GENERACIÓN DEL DRENAJE ÁCIDO EN UNA DETERMINADA DETERMINADA MUESTRA DE ROCA”

INFORME Integrantes:   

CÓNDOR LAGUNA, Manuel Hitler MIRANDA RAMOS, Bryan Jaffet RÍOS JÁUREGUI, Marlon Brucce Sección: C11 – 6 – AB

Profesor: ZAPATA GAMARRA, Hernán Fecha de presentación: 12 de octubre

2015 – II

Proyecto de Ingeniería Ambiental y Química Analítica Ambiental TECSUP – P.F.R.

ÍNDICE 1. OBJETIVOS 1.1 Generales 1.2 Específicos

3 3 3

2. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO

3

3. FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1 Antecedentes 3.2 ¿Qué es el Drenaje Ácido de Roca? 3.3 Etapas de Generación del DAR 3.3.1 Etapa I 3.3.2 Etapa II 3.3.3 Etapa III 3.4 Factores que influyen en la generación del DAR 3.5 Reacciones en la generación del DAR 3.6 Impactos del DAR en la naturaleza

3 3 5 6 6 7 7 9 9 13

4. DESCRIPCIÓN Y DESARROLLO DEL TRABAJO 4.1 Caracterización del DAR 4.1.1 Muestreo del DAR 4.1.2 Medición de pH, potencial redox y cond. eléctrica 4.1.3 Medición de acidez 4.1.4 Medición de alcalinidad 4.1.5 Determinación de Fe por espectroscopia 4.1.6 Determinación de sulfatos por espectroscopia 4.2 Determinación del potencial de generación 4.2.1 Muestreo de roca 4.2.2 Tratamiento de la muestra 4.2.3 Medición de pH, potencial redox y cond. eléctrica 4.2.4 Determinación de Fe por gravimetría 4.2.5 Determinación de sulfatos por gravimetría 4.2.6 Ensayos cinéticos en celdas de humedad 4.2.7 Lixiviación a corto plazo (SPLP) 4.2.8 Ensayos estáticos

14 14 14 15 15 15 16 17 18 18 19 19 20 21 22 23 23

5. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS 5.1 Caracterización del drenaje ácido de roca en Tizapa 5.1.1 Medición de pH y cond. eléctrica 5.1.2 Determinación de sulfatos 5.1.3 Determinación de metales pesados 5.2 Caracterización del drenaje ácido de roca en Cascabel 5.3 Caracterización de las rocas para determinar el potencial de generación en las minas de Pasco y Junín.

25 25 25 26 26 27

6. CONCLUSIONES

32

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

32

Página 2

28


1.

OBJETIVOS 1.1

Generales: 



1.2

Específicos: 





2.

Caracterizar el drenaje ácido de roca a través de parámetros estipulados para su análisis. Determinar el potencial de generación del drenaje ácido en una muestra de roca.

Proponer métodos para evaluar los parámetros como pH, ORP, C.E., acidez, cantidad de hierro y sulfatos presentes en el drenaje ácido. Determinar el potencial de generación mediante métodos que predigan el surgimiento de drenaje ácido. Comparar los parámetros evaluados con los diferentes resultados recopilados de mineras.

JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO El drenaje ácido de roca o también denominado drenaje ácido de mina es una problemática en las empresas mineras de nuestro país y del todo el mundo. Los impactos que genera tal drenaje ácido son perjudiciales para los suelos, ríos y lagos ya que los acidifican y generan un deterioro con el paso del tiempo, afectando la flora y fauna de las zonas aledañas. Es por ello que este proyecto busca la forma de evaluar el drenaje ácido ya generado a través de parámetros claves que determinan su caracterización para un posterior tratamiento; y a la vez, busca predecir la generación de tal drenaje en las zonas mineras para una prevención.

3.

FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1

Antecedentes Los drenajes ácidos de la minería son una de las principales fuentes de contaminación de las aguas superficiales y subterráneas en el Perú y el mundo, debido a que este problema puede persistir durante décadas e incluso cientos de años una vez finalizado el ciclo productivo.

Página 3


Los drenajes ácidos son tóxicos en diversos grados para el hombre, la fauna y la vegetación, contienen metales disueltos y constituyentes orgánicos solubles e insolubles, que generalmente proceden de antiguas labores mineras, procesos de concentración de minerales, presas de residuos y relaveras de mina. En el Perú, existen reportes de la muerte de miles de peces y crustáceos de ríos, afecciones a ganados y destrucción de cultivos y riveras, así como la introducción de una coloración y turbiedad en las aguas de ríos y lagos.

Imagen N° 1 .

Coloración rojiza del DAR en los suelos

La problemática del DAR en las minas del Perú radica en el impacto social que tiene la actividad minera en el país. El problema se encuentra en que muchas operaciones y minas antiguas, anteriores a los años 2000, han venido dejando grandes pasivos ambientales que poco a poco han ido contaminando las aguas y los medios en los que se encuentran y sus alrededores. Ante este contexto resulta muy importante que las empresas apliquen una adecuada responsabilidad social y un manejo responsable de sus desechos y sus cierres de operaciones. En lo referente a las mineras actualmente en operación y con posibles situaciones de generación de DAR, la problemática se centra en encontrar métodos de remediación y atenuación de los impactos en toda la cadena productiva en donde se pueda generar este fenómeno. La remediación debe ser sostenible, viable y económica en el tiempo para que se pueda también manejar una vez que la minera haya cerrado sus operaciones. Página 4


3.2

¿Qué es el drenaje ácido de roca? El drenaje ácido proveniente de los minerales sulfurados, se refiere a la oxidación del azufre a sulfato, proceso en el cual se generan condiciones ácidas, formando con el agua presente una disolución ácida con capacidad de lixiviar a los metales asociados a los minerales sulfurados. Las aguas contaminadas se caracterizan por su alto contenido de acidez (bajo rango de pH), sulfatos y metales pesados. La acidez se produce como resultado de la reacción del agua y del oxígeno con los minerales que contienen azufre, la pirita es la que produce la oxidación de estos sulfuros formando ácido sulfúrico y el ion Fe (II). Las soluciones de drenaje ácido frecuentemente presentan un color café rojizo atribuido al ión Fe (III); sin embargo, también puede aparecer un color azul verdoso en el caso de que el hierro disuelto se encuentre en estado Fe (II), el cual tenderá a obscurecerse por oxidación a Fe (III), a medida que esté expuesto al oxigeno del aire. El drenaje ácido contiene en suspensión productos de reacciones de precipitación asociadas a los iones disueltos, que le pueden dar distintos colores a la solución. Usualmente, cuando el escurrimiento de drenaje ácido es aireado, se forman manchas café rojiza en los cauces y canales del drenaje.

Imagen N° 2. Drenaje

Página 5

ácido de roca


3.3

Etapas de generación del drenaje ácido de roca El desarrollo del drenaje ácido de roca es un proceso que depende del tiempo y comprende tanto reacciones químicas de oxidación como fenómenos físicos relacionados. En algunos asientos mineros, el drenaje ácido se detecta desde el principio de las operaciones. En otros, han pasado de 10 a 40 años antes de que se observe drenaje ácido. En estos sitios, las reacciones de oxidación de sulfuros y generación de ácido probablemente estuvieron ocurriendo durante el intervalo de retardación previo a la medición del agua de drenaje, pero en una baja proporción y con neutralización de los productos de oxidación. Generalmente, se define como un proceso en tres etapas, definidas por el pH del agua en el microambiente de los minerales sulfurosos. 3.3.1 Etapa I La acidez es generada y rápidamente neutralizada en las etapas iniciales cuando la roca que contiene minerales sulfurados es expuesta al oxígeno y al agua. El drenaje de agua es casi neutro. Mientras se produce la oxidación de los minerales sulfurosos, existe suficiente alcalinidad disponible como para neutralizar la acidez y precipitar el hierro en forma de hidróxido. El oxígeno es el oxidante principal, al producir sulfato y acidez a partir de la oxidación de los minerales sulfurosos. Los minerales carbonatados, como la calcita (CaCO3) presente en la roca, neutralizan esta acidez y mantienen condiciones que van de neutras a alcalinas (pH>7) en el agua que fluye sobre la roca. También se podría detectar un contenido elevado de calcio (y magnesio u otros metales, dependiendo de las rocas consumidoras de ácido presentes), como resultado de la disolución de los minerales carbonatados, debido al consumo de ácido. La oxidación de los minerales sulfurosos libera Fe (II) en la solución. La oxidación química del Fe (II) es rápida a un pH superior a 7 y el Fe (III) se precipita de la solución como un hidróxido. De esta manera, la velocidad de oxidación química de la pirita es relativamente baja, comparada con las etapas posteriores de oxidación, ya que el Fe (III) no contribuye como oxidante. En esta etapa, el agua de drenaje se caracteriza generalmente por niveles elevados de sulfato, con pH cercano al neutro. El ácido producido es neutralizado mientras que el hierro férrico se precipita en forma de hidróxido. Página 6


3.3.2 Etapa II A medida que continúa la generación de ácido y se agotan o se vuelven inaccesibles los minerales carbonatados, el pH del agua disminuye y el proceso se encamina hacia su segunda etapa. Cuando el pH del microambiente disminuye hasta 4.5, ocurren reacciones de oxidación tanto química como biológica. A medida que la velocidad de generación de ácido se acelera en las etapas II y III, el pH disminuye progresiva y gradualmente. Los niveles de pH relativamente constantes representan la disolución de un mineral neutralizante que se vuelve soluble a ese nivel de pH. Si la oxidación continúa hasta que se haya agotado todo el potencial de neutralización, se presentarán valores de pH por debajo de 3.5. En esta etapa, el agua de drenaje está generalmente cerca al nivel neutro, con concentraciones elevadas de Fe (II) y sulfato. Se observa una acidez relativamente alta, aun cuando las concentraciones de metales en la solución puedan ser bajas. 3.3.3 Etapa III A medida que los minerales alcalinos se consumen o recubren, o bien, se produce acidez a mayor velocidad que alcalinidad, el pH se vuelve ácido. Las reacciones dominantes se transforman de oxidación química a principalmente oxidación biológicamente catalizada. De las reacciones de oxidación sulfurosa, se produce Fe (II), que se oxida biológicamente y se convierte en Fe (III). Este, a su vez, reemplaza el oxígeno como el oxidante principal. En esta etapa, la velocidad de oxidación es considerablemente más rápida que en la Etapa I. El descenso del pH incrementa la velocidad de oxidación. En esta etapa, el agua de drenaje es generalmente ácida, caracterizada por sulfatos y metales disueltos en concentraciones elevadas. El hierro disuelto se presenta como Fe (II) y (III). En el futuro, la velocidad disminuirá con la oxidación completa de los sulfuros más reactivos y el pH se incrementará hasta que la roca se torne ligeramente reactiva. El tiempo para cada etapa sucesiva puede variar de un período de días a un período de cientos de años, dependiendo de los factores que controlen la generación de ácido. Página 7


Imagen N° 3. Reacciones

en las tres etapas de generación

Página 8


3.4

Factores que influyen en la generación del DAR La generación y el consumo de ácido son el resultado de una serie de reacciones químicas interrelacionadas. La comprensión de los factores que controlan la velocidad y la magnitud de la generación de ácido, así como de los procesos químicos y de los reactantes involucrados, constituyen la clave para la predicción del potencial de generación de ácido en una muestra de roca; del mismo modo, es fundamental para identificar la tecnología apropiada, que sirva para prevenir o controlar la generación de drenaje ácido. Los componentes principales para la generación de ácido son:   

Minerales sulfurosos reactivos Agua o atmósfera húmeda Presencia de un agente oxidante, especialmente el oxígeno de la atmósfera o de fuentes químicas.

La velocidad y la magnitud de la generación de ácido son afectadas por los siguientes factores secundarios:   

3.5

Bacterias (Thiobacillus ferrooxidans). pH Temperatura

Reacciones en la generación del DAR Las reacciones de generación de ácido se expresan generalmente como la oxidación de la pirita, uno de los minerales sulfurosos más comunes. Inicialmente, los sulfuros reaccionan con el oxígeno y el agua para formar sulfato (SO4 2-), Fe (II) e iones hidrógeno (H+). Esta reacción total de generación de ácido, en la que se muestra la pirita siendo oxidada por el oxígeno, puede representarse por la siguiente ecuación: FeS2(s) + 7/2 O2(g) + H2O(l)



Fe2+(ac) + 2SO42-(ac) + 2H+

Posteriormente, el Fe (II) reacciona con el oxígeno para formar Fe (III): Fe2+(ac) + 1/4 O2(g) + H+

Página 9



Fe3+(ac) + 1/2H2O(l)


Dependiendo del pH en el ambiente alrededor del sitio de oxidación, el Fe (III) puede luego precipitarse en la forma de hidróxido. A niveles de pH por encima de 3.5, el Fe (III) tiende a precipitarse como hidróxido férrico. Esto forma el precipitado rojo que se observa en la mayoría de minas que generan ácido. Durante esta reacción, se liberan iones de hidrógeno adicionales. Fe3+(ac) + H2O(l)

Fe(OH)3(s) + 3H+



También se puede ser utilizado como oxidante. A medida que se desarrolla la generación de ácido y se consume la alcalinidad disponible, el Fe (III), a su vez, sirve como oxidante y puede promover la oxidación química de los minerales sulfurosos. En el caso de la pirita, la reacción que ocurre es la siguiente: FeS2(s) + 14Fe3+(ac) + 8H2O(l)

15Fe2+(ac) + 16H+ + 2SO42-(ac)



La oxidación química de la pirita es una reacción relativamente rápida a valores de pH mayores que 4.5, pero mucho más lenta a niveles de pH más ácidos. La velocidad del suministro de oxígeno es el elemento que controla principalmente la velocidad de la oxidación química. A niveles de pH inferiores a 4.5, la oxidación por el Fe (III) se convierte en el proceso de oxidación dominante. La velocidad de producción de Fe (III), a partir del Fe (II) se convierte en la etapa controlante del proceso total de oxidación. Sin embargo, por catálisis biológica, esta reacción es relativamente rápida. Por lo general, se reconoce que ciertas bacterias pueden acelerar la velocidad con la cual ocurren algunas de las reacciones anteriormente indicadas, incrementando con ello la velocidad de generación de ácido. La bacteria Thiobacillus ferrooxidans es capaz de oxidar compuestos de azufre reducidos, así como oxidar el Fe (II) en Fe (III) (que entonces puede actuar como oxidante). La velocidad con la cual ocurre la oxidación bacteriana depende de los siguientes parámetros:      

Temperatura pH Disponibilidad de oxígeno Disponibilidad de dióxido de carbono Nutrientes (N y P). Área superficial del mineral sulfuroso expuesto. Página 10


En general, las velocidades de oxidación se aceleran con un incremento de temperatura. Como regla empírica, las velocidades de reacción pueden duplicarse por cada 10°C de aumento de temperatura. El proceso de oxidación del sulfuro es exotérmico, genera calor y aumenta la temperatura en el sitio de la reacción. Se han registrado temperaturas superiores a los 50°C en pilas de desmonte en oxidación, ubicadas en regiones cuya temperatura de aire ambiental es menor a 5°C. Por tanto, la oxidación continua puede crear condiciones ideales para el crecimiento de las bacterias oxidantes. La producción de H + y la consiguiente disminución del pH, hasta un nivel adecuado para las bacterias que oxidan el sulfato y el hierro, la producción de Fe (III) y el aumento de temperatura debido al proceso de oxidación exotérmico, dan por resultado unas condiciones idealmente adecuadas para estas bacterias. Una vez establecidas, las velocidades de oxidación bacterialmente catalizadas son lo suficientemente altas como para mantener condiciones de temperatura elevada y pH bajo. A temperaturas bajas, la velocidad de oxidación, tanto biológica como química, es mucho más reducida de lo que podrían ser a temperaturas ambientales. Las velocidades de reacción, medidas en pruebas cinéticas de laboratorio, deberán reajustarse de acuerdo a estos hechos. Por debajo de los 4 °C, las velocidades de oxidación se consideran insignificantes. Los minerales sulfurosos más comunes, considerados como fuente de DAR, son los minerales de hierro, en forma especial, la pirita (FeS2) y pirrotita (Fe (1-X)SX). Dependiendo de la forma y de la estructura cristalina del mineral, como éste se presenta en el yacimiento, se observarán diferentes velocidades de oxidación. Todo mineral sulfuroso tiene el potencial de oxidarse y lixiviar metales. Los minerales de metales bases, tales como calcopirita (CuFeS4), enargita (Cu3 AsS4), galena (PbS), esfalerita (ZnS) y arsenopirita (FeAsS), pueden encontrarse asociados a cuerpos mineralizados. La oxidación y lixiviación de los minerales, generalmente es el resultado de la generación de ácido a partir de los minerales de sulfuro de hierro asociados, pueden dar como resultado la liberación de acidez y metales disueltos en el agua de drenaje. Como ejemplo, la oxidación de un mol de pirita produce 4 moles de acidez (equivalentes de hidronio) a partir de las reacciones que se muestran a continuación:

Página 11


FeS2(s) + 7/2O2(g) + H2O(l)



Fe2+(ac) + 2SO42-(ac) + 2H+

Fe2+(ac) + 1/4O2(g) + 5/2H2O(l)



Fe(OH)3(s) + 2H+

Existe una serie de minerales que pueden consumir acidez y neutralizar el drenaje ácido. Entre los minerales que consumen ácido se encuentran:    

Carbonatos (calcita) Hidróxidos (limonita) Silicatos (clorita) Arcillas

El mineral más común que consume ácido es la calcita (carbonato de calcio), que consume acidez a través de la formación de bicarbonato y ácido carbónico: CaCO3(s) + H+ CaCO3(s)





Ca2+(s) + HCO3-(ac)

Ca2+(s)

CO32-(ac)

+

La calcita es el mineral carbonatado más abundante, asociado con escasa, o ninguna, dolomita. Generalmente, es el más reactivo de los minerales consumidores de ácido y, a diferencia de la mayoría de éstos, tiende a ser más soluble a temperaturas más bajas. La liberación de bicarbonato y carbonato a través de la disolución de la calcita puede resultar en la formación de minerales carbonatados secundarios, siderita (FeCO3), mediante: Fe2+(ac)

+

CO32-(ac)

FeCO3(s)



Este mineral también puede estar presente como mineral principal en la roca. Es menos soluble que la calcita, tendiendo a amortiguar el pH en el rango de 4.5 a 6.0. La calcita tiende a neutralizar soluciones llevándolas hasta un pH entre 6.0 y 8.0. Los Página 12


siguientes minerales que proporcionan alcalinidad, luego del consumo de los minerales carbonatados, generalmente son los hidróxidos, los cuales consumen acidez mediante la formación de un ión libre más agua, por ejemplo, para Al(OH) 3: Al(OH)3 + 3H+



Al3+(ac) + 3H2O(l)

La mayoría de rocas contendrán tanto minerales sulfurosos como minerales consumidores de ácido. La relativa cantidad y la reactividad de los dos tipos determinarán si la roca producirá finalmente condiciones ácidas en el agua que pasa sobre y a través de ella. Las reacciones de neutralización eliminarán una porción de la acidez y el hierro de la solución, elevando el pH. Donde hay suficiente tiempo de contacto con los minerales consumidores de ácido, puede ocurrir la neutralización hacia un pH de 7. Bajo condiciones de pH neutro, la mayoría de metales presenta baja solubilidad y precipitan de la solución en forma de hidróxidos u óxidos metálicos. Sin embargo, algunos metales, como el zinc, arsénico y molibdeno, son tan solubles o más solubles bajo condiciones alcalinas que bajo condiciones ácidas. Los iones sulfato también son químicamente estables en un amplio rango de pH. En consecuencia, las concentraciones de sulfato algunas veces pueden servir como indicador general de la magnitud de la generación de ácido, incluso después de que la neutralización se ha producido. 3.6

Impactos del DAR en la naturaleza 



Afecta a los ecosistemas acuáticos, como resultado de la acidez y metales disueltos en las aguas. Estos organismos son más sensibles que los humanos a los niveles elevados de la mayoría de los metales. Inhibir el crecimiento de comunidades vegetacionales aledañas a los canales de drenaje, debido a que la acumulación de hierro y de sulfuros en la superficie de los suelos dificulta la penetración de las raíces. También, el ácido sulfúrico afecta la tasa de crecimiento de las plantas.

Página 13

Proyecto de Ingeniería Ambiental y Química Analítica Ambiental TECSUP – P.F.R. 





4.

Afectar la calidad de las aguas superficiales y subterráneas (acuíferas poco profundos), lo cual podría afectar a la comunidad por limitar o impedir utilizar aguas para algunos usos riego o recreación. Dificultar el proceso de revegetación y estabilización de los residuos mineros, ya que la generación de ácido obstaculiza el establecimiento de la capa de vegetal. El hidróxido férrico es un sólido desagradable, fangoso, de color amarillo o naranja, que puede cubrir el lecho de un riachuelo y decolorar el agua aumentando la turbidez. Es considerado un impacto negativo sobre los organismos vivos en el río.

DESCRIPCIÓN Y DESARROLLO DEL TRABAJO 4.1

Caracterización del drenaje ácido de roca La metodología que se empleará será apta para analizar ciertos parámetros importantes como el pH, conductividad eléctrica, potencial redox, acidez y presencia de metales pesados. Cabe recalcar que las muestras serán líquidas, es decir, el muestreo es directamente realizado en los drenajes ácidos. 4.1.1 Muestreo de drenaje ácido roca 











Ubicarse en las zonas donde está presente el drenaje ácido (dentro de la mina). Extraer una muestra de drenaje en las zonas afectadas dentro de la minera con la ayuda de un recipiente. Lavar dicho recipiente con el mismo drenaje para evitar contaminaciones Vaciar los volúmenes recolectados del recipiente a un bidón de aprox. 20 litros con la ayuda del embudo. El material que está compuesto el bidón es de polipropileno, ya que es resistente. El volumen extraído será el suficiente para realizar las pruebas de caracterización mencionadas anteriormente. Página 14


4.1.2 Medición de pH, potencial redox y conductividad eléctrica. 



 





La medición de los parámetros presentados se realizarán in situ. Los lugares de medición serán en donde se halle presencia del drenaje ácido. Conectar los electrodos al equipo (previamente calibrado). Introducir el electrodo de pH en el drenaje. Medir y anotar el resultado proporcionado en el equipo. Lavar el electrodo con agua desionizada, secarlo y guardarlo hasta su próxima medición. Repetir el mismo proceso para los parámetros siguientes como ORP y conductividad eléctrica.

4.1.3 Medición de acidez 

 







Extraer 50mL de muestra de drenaje y depositarlos en un matraz Erlenmeyer de 250mL. Agregar 5 gotas de indicador fenolftaleína y agitar. En el montaje de titulación, en la bureta de 50mL, agregar hidróxido de sodio (NaOH 0,02M). Efectuar la titulación agitando vigorosamente y terminar al observar el cambio de color a rojo grosella. Anotar el gasto del titulante. Repetir el mismo proceso para el blanco, utilizando solo 50mL de agua destilada. El reporte del resultado final estará en mg/L de CaCO3.

4.1.4 Medición de alcalinidad 











Extraer 50mL de muestra de drenaje y depositarlos en un matraz Erlenmeyer de 250mL. Agregar 5 gotas de indicador verde de bromocresol y agitar. En el montaje de titulación, en la bureta de 50mL, agregar ácido sulfúrico (H2SO4 0,01M). Efectuar la titulación agitando vigorosamente y terminar al observar el cambio de color. Anotar el gasto del titulante. Repetir el mismo proceso para el blanco, utilizando solo 50mL de agua destilada. El reporte del resultado final estará en mg/L de CaCO3. Página 15


4.1.5 Determinación de Fe por espectroscopia Curva de calibración: 

  









Pipetear 10mL de una solución patrón de Fe de 1000 ppm a un matraz volumétrico de 100mL. Aforar con agua desionizada. Preparar estándares de 0,0; 0,5; 1,0; 2,0 y 5,0. Para el primer estándar (0,5), extraer 0,5mL de la solución de 100 ppm de Fe y verterla a un vaso de precipitados de 250mL. En él, agregar 1mL de cloruro de hidroxilamina al 10% y 10mL de solución buffer de acetato de amonio. Agitar. Luego, agregar 1mL de disolución de o-fenantrolina al 0,5% y agitar. Transferir toda la solución a un matraz volumétrico de 100mL y enrasar con agua destilada. De la misma forma, se prepara para los estándares restantes. Sólo variarán las alícuotas de la solución de 100ppm de Fe.

Tratamiento de muestra: 









Tomar 100mL de muestra y verterlo en un vaso de precipitado de 250mL. Agregar 3mL de HCl(c) y 1mL de cloruro de hidroxilamina al 10%. Digestar la muestra hasta reducir el volumen en 15mL y enfriar. Una vez frío, agregar 10mL de la solución buffer, agitar y agregar 1mL de la disolución de ofenantrolina al 0,5% y agitar nuevamente. Transferir a un matraz volumétrico de 100mL y enrasar con agua destilada.

Lectura de la muestra 



Utilizando los estándares de calibración, obtener valores del espectro de absorción del complejo. Realizar el barrido espectral desde 450 hasta 650nm. Graficar el espectro y determinar la longitud de onda más sensible. Página 16

Proyecto de Ingeniería Ambiental y Química Analítica Ambiental TECSUP – P.F.R. 



Ajustar el equipo a la longitud de onda más sensible y encontrar las absorbancias de los estándares y finalmente de la muestra. El reporte del resultado de la muestra será en mg/L de Fe.

4.1.6 Determinación de sulfatos por espectroscopia Curva de calibración: 

  









Pipetear 10mL de una solución patrón de sulfato de 1000 ppm a un matraz volumétrico de 100mL. Aforar con agua desionizada. Preparar estándares de 0,0; 0,5; 1,0; 2,0 y 5,0. Para el primer estándar (0,5), extraer 0,5mL de la solución de 100 ppm de sulfato y verterla a un vaso de precipitados de 250mL. Adicionar 2,5mL de solución acondicionadora y agitar. La solución acondicionadora se prepara agregando en un vaso de 1mL, 300mL de agua destilada, 30mL de HCl, 100mL de alcohol isopropílico y 75g de cloruro de sodio (NaCl). La mezcla, añadir 50mL de glicerol. Luego, completar el volumen con agua y almacenarlo en un frasco ámbar a temperatura ambiente. Una vez añadida la solución acondicionadora, agregar una cucharilla de cristales de cloruro de bario y agitar vigorosamente. Transferir toda la solución a un matraz volumétrico de 100mL y enrasar con agua destilada. De la misma forma, se prepara para los estándares restantes. Sólo variarán las alícuotas de la solución de 100ppm de sulfatos.

Tratamiento de muestra: 







De una cantidad de 100mL, filtrar la solución para eliminar la turbidez presente. De la solución filtrada, tomar 50mL y adicionar 2,5mL de la solución acondicionadora. Agitar. Adicionar una cucharilla de cristales de cloruro de bario y agitar vigorosamente. Transferir a un matraz volumétrico de 100mL y enrasar con agua destilada. Página 17


Lectura de la muestra: 







4.2

Utilizando los estándares de calibración, obtener valores del espectro. Realizar el barrido espectral desde 350 hasta 550nm. Graficar el espectro y determinar la longitud de onda más sensible (420nm). Ajustar el equipo a la longitud de onda más sensible y encontrar las absorbancias de los estándares y finalmente de la muestra. El reporte del resultado de la muestra será en mg/L de mg/L SO42-

Determinación del potencial de generación en muestra de roca Para pronosticar el potencial de generación de drenaje ácido en una determinada muestra de roca es necesario realizar una serie de ensayos y métodos como el ensayo estático ácido – base, ensayo de conteo de potencial de generación neto, pruebas de lixiviación en columna y ensayos cinéticos de celdas de humedad. Ante esto, es necesario también realizar un seguimiento de los parámetros ya conocidos como pH, conductividad y presencia de metales como Fe. 4.2.1 Muestreo de roca De acuerdo al tipo de material que va a ser muestreado se adoptará la forma más adecuada. Así para muestras sólidas, y en este caso particular rocas, se utilizan mazas y piquetas. Se obtiene un volumen importante al cual se le quita todo el material alterado o que sea susceptible de meteorizarse, dejando un núcleo fresco; siempre considerando el tamaño de acuerdo a sus características. Los puntos de muestreo serán dentro y fuera de la mina. El muestreo fue por rebajes de los cuales se extrajeron 15 kilos. Las muestras fueron almacenadas en bolsas de plástico y separadas e identificadas por el tipo de roca. La forma en la cual se muestrea es a juicio de experto, lográndose seleccionar la roca que es fresca y en lo posible oxidada. Cabe recalcar que de toda la cantidad muestreada, una parte será utilizada en los ensayos y otra para determinar parámetros generales. Página 18


4.2.2 Tratamiento de la muestra Para poder llevar a cabo el análisis químico es necesario que el material sea un polvo fino, impalpable. Si la roca es dura debe ser sometida a los siguientes pasos: 











Se hace pasar por una máquina trituradora (chancadora) de mandíbula, de acero templado de gran dureza, que permite obtener fracciones tamaño grava aproximadamente (menores a 1cm), que se recoge en un cajón donde hay una bolsa de nylon. El material obtenido se homogeniza y cuartea para reducir el volumen de material. Posteriormente, se procede a moler en unos molinos que son construidos con una aleación que es más dura aún que los minerales que forman la muestra. Este tipo de material, dada su gran dureza, evita la contaminación por ruptura del mismo y asegura la correcta molienda. Se muele hasta una malla menor a 2mm A continuación se vuelve a homogeneizar y cuartear, para obtener un volumen adecuado de material representativo de la muestra original. En la etapa de tamización se utilizan tamices de malla menor a 0,5mm Por último, antes de pesar el material que va a ser analizado, se debe mezclar a fin de volver a homogeneizar.

4.2.3 Medición de pH, potencial redox y conductividad eléctrica. 











Pesar 20g de muestra seca con granulometría inferior a 0,5mm en un vaso de 150mL Agregar 50mL de agua destilada y agitar vigorosamente por un lapso de 10 min. Dejar reposar la muestra por un lapso de 60min cubriendo la superficie del vaso con papel aluminio. Culminado el tiempo, introducir el electrodo correspondiente al parámetro a analizar. Esperar la estabilización del valor en el equipo y anotar el resultado final. Realizar el mismo procedimiento para las demás muestras para la medición de ORP y C.E. Página 19


4.2.4 Determinación de Fe por gravimetría

Página 20


4.2.5 Determinación de sulfatos por gravimetría

Página 21


4.2.6 Ensayos cinéticos en celdas de humedad Las pruebas cinéticas buscan determinar el comportamiento a largo plazo de generación de ácido y lixiviación de metales. Las pruebas cinéticas brindan un estimado de las tasas de generación de ácido, neutralización de ácido y lixiviación de metales. La metodología consiste en someter las muestras a la intemperie bajo condiciones controladas en los laboratorios con el objetivo de determinar las velocidades de generación de acidez, las tasas de agotamiento de metales y las concentraciones en un período de tiempo prolongado. Para la presente prueba se hacen las siguientes determinaciones: 







El ensayo de pH cuantifica el estado real de la muestra. El pH indica si la muestra era ácida, casi neutra o alcalina al momento de ser medida. Si una muestra era ácida, por ejemplo, entonces cualquier medida del potencial de neutralización no era obviamente reactiva. Los minerales carbonatados comunes pueden crean valores de pH de alrededor de 8 – 10, y así los valores por encima de 10 son inusualmente alcalinos. Los valores de pH entre 5.0 y 10.0 pueden ser considerados casi neutros al momento del análisis. El potencial de neutralización neto (NNP) es un método de medición del balance neto de las capacidades de generación de acidez y de neutralización de acidez. Este se determina matemáticamente de la diferencia entre el potencial de neutralización de acidez (ANP) y el potencial de generación de acidez (AGP), calculados en toneladas de CaCO3, por 1000 toneladas de muestra Los sulfatos son un producto de la oxidación completa del sulfuro y puede ser un indicativo de la velocidad de la oxidación de los sulfuros y de la generación de ácido. La acidez es una medida acumulativa de las diversas especies acuosas como el Fe(OH)2+, Al3+. Así la acidez podría ser usada como un parámetro indicador para cuantificar, de manera gruesa, el estado del proceso de generación del ácido. Página 22


4.2.7 Lixiviación a corto plazo (SPLP) El Procedimiento de Lixiviación por Precipitación Sintética (SPLP) se utiliza para seleccionar los metales presentes en el drenaje a corto plazo de las rocas. El procedimiento SPLP es útil en situaciones en las que se tiene que determinar si un material potencialmente contaminante, dejado en el sitio, lixiviará sustancias tóxicas cuando se expone a la meteorización normal. El SPLP fue desarrollado para su uso en la evaluación del proyecto del botadero de desmonte, más que para las operaciones de minado. El SPLP fue desarrollado para evaluar el destino y el transporte de los metales en un botadero especialmente diseñado para estos ya que no son aceptados en un botadero municipal de sólidos. El fluido de extracción para el SPLP es una solución acuosa (de ácidos sulfúricos y nítricos) que simulan la lluvia. Consecuentemente, el método SPLP es apropiado para usarse en los ensayos DAR. El ensayo ABA no considera la neutralización por la química de los silicatos (un factor muy lento pero importante) ni tampoco considera las tasas de tiempo de reacción. Así, factores tales como el encapsulamiento de sulfuros con silicatos (que retarda la reactividad y reduce el ARD) no son considerados. Los ensayos de lixiviación y de celdas de humedad producen información más útil en términos de predecir el impacto en la calidad del agua. 4.2.8 Ensayos estáticos El objetivo de las pruebas estáticas es la de determinar si el material o residuo de la mina puede generar acidez o no y estimar la calidad de los drenajes en función a las condiciones medioambientales del lugar. Con el tiempo los minerales, al ser expuestos al agua y al aire se comportan de manera distinta, unos como productores de ácido y otros como sus neutralizadores, con estos valores podemos predecir la calidad del agua y por ende el potencial ácido/base. Página 23


Los ensayos estáticos se basan en la evaluación del balance entre el potencial de generación ácida (oxidación de minerales sulfurosos) y la capacidad de neutralización ácida (disolución de carbonatos y otros minerales que aportan alcalinidad). En estos ensayos consideramos los siguientes factores: 





  

Máximo potencial de producción ácida o potencial de acidez (AP, Acid Potential). Máxima neutralización potencial o potencial de neutralización (NP, Neutralizing Potential). El potencial de neutralización neta (NNP) que mide la acidez o basicidad de una muestra y se obtiene por diferencia entre el potencial de neutralización (NP) o alcalinidad total y el potencial de acidez (AP) o acidez total (NNP = NP – AP). pH en Pasta % de Sulfuro (%S) Grado de generación ácida (NP/AP)

El AP es controlado principalmente por el tipo y contenido de sulfuros, sulfatos y metales que pueden hidrolizarse como Fe, Al y Mn. Mientras que el NP se considera los carbonatos y silicatos. Las unidades de NP, AP y NNP se suelen expresar en toneladas de carbonato cálcico (CaCO 3) por 1000 toneladas de material. El Potencial de Producción de Acidez Neta solo indica la posibilidad de que un material o residuo de mina puede o no generar acidez. Para drenajes ácidos de mina los ensayos estáticos sólo predicen cualitativamente la capacidad de generar acidez, es decir se trata de un dato empírico que tratará de representar a la muestra en su totalidad. Esto mediante la comparación entre la máxima producción de ácido potencial (AP) con la máxima capacidad de neutralización potencial (NP). Cuando los resultados de los ensayos estáticos dan señales inciertas de la generación ácida, los ensayos cinéticos adquieren gran importancia en la determinación de la capacidad de producción ácida.

Página 24


5.

PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Las pruebas realizadas que se mencionaron anteriormente fueron ejecutadas por mineras como Tizapa (México), Cerro de Pasco y Junín (Perú) y Cascabel (Bolivia) 5.1

Caracterización del drenaje ácido de roca en Tizapa 3

4

5

2

1

Imagen N° 4. Puntos de muestreo de

escurrimiento de drenaje en Tizapa.

5.1.1 Medición de pH y conductividad eléctrica in situ Muestra 1 2 3 4 5

pH 2,44 2,53 2,90 3,38 6,15

CE (mV) 11,31 8,02 4,72 1,87 1,24

En la tabla mostrada, las muestras de agua (1, 2, 3 y 4) analizadas indican condiciones de acidez con un pH ácido de va desde 2,44 a 3,38, que la conductividad eléctrica es menor conforme el pH aumenta, lo que es una indicación indirecta que a medida que disminuye el pH se disuelven sales que liberan al medio acuoso sus iones respectivos. El agua de la rampa cocodrilos (punto 5) se presenta como ligeramente neutra y esto es debido a que la procedencia de esta agua no es de rebajes antiguos y se infiere que es agua procedente del acuífero que se mezcla con el cauce del agua a tratar. Página 25


5.1.2 Concentración de sulfatos

Además de la acidez liberada (H+), que es la causa de los valores bajos de pH en las muestras 1, 2, 3 y 4; la oxidación de la pirita libera, al medio acuoso, sulfatos (SO42-) lo que explica la presencia de los iones (SO 42-). 5.1.3 Concentración de Cu, Pb, Cd, Fe, Zn y Mg.

Los resultados indican que con excepción de las muestras Cocodrilos y DA 8 + Cocodrilos (puntos 4 y 5), las demás sobrepasan los valores de los límites máximos permisibles (LMP) de la norma oficial mexicana para agua potable (NOM-127-SSA1-1994) para Cd, Cu, Pb, Fe, Zn y Mn. Las concentraciones de cadmio, cobre, hierro y zinc son sustancialmente altas. Página 26


5.2

Caracterización del drenaje ácido de roca en Cascabel. Se realizó la recolección de las primeras muestras de drenaje de la mina Cascabel durante tres días consecutivos. Inicialmente, se realizó un análisis físico del agua in situ para los tres días, se encontró un agua sin olor, sin color y con baja turbiedad. Estos parámetros de aspecto físico no mostraron mayor variación en cada toma. Los análisis de laboratorio de esta tres muestras se presentan a continuación junto con una columna de los parámetros de ley con el fin de establecer una comparación entre los mismos. Análisis pH Sulfatos Cd Cu Fe Mn Pb Zn

Unidad Unidad pH mg SO42- /L mg Cd/L mg Cu/L mg Fe/L mg Mn/L mg Pb/L mg Zn/L

M1 3,78 756,60 1,189 0,134 1,224 14,003 0,089 72,333

M2 3,77 756,60 1,128 0,125 1,276 13,687 0,080 70,200

M3 3,91 844,36 0,980 0,111 1,327 13,630 0,073 67,117

LMP 6-8,5 500 0,002 1,5 3,0 2,0 0,2 0,2

Los resultados obtenidos en la medición del potencial de hidrógeno en el drenaje ácido de roca en mina muestran características ácidas con unos valores que oscilan entre 3 – 4, lo cual no es adecuado para la naturaleza, debido a que puede alterar, perturbar o inhibir los procesos biológicos y químicos que Página 27


normalmente se llevan a cabo, trayendo consigo consecuencias adversas, como lo que es la degradación del ecosistema, contaminación de aguas impidiendo la vida acuática en ellas debido a procesos de desnaturalización de las proteínas, entre otras. Se encuentra también que hay un alto contenido de sulfatos, condición tampoco deseable ya que con ello se evidencia la presencia de minerales sulfurados, responsable del drenaje ácido cuando éstos se exponen con el agua y el oxígeno del aire del ambiente. En cuanto a los metales se puede decir que el drenaje presenta elevadas concentraciones de Cadmio (Cd), Manganeso (Mn), y Zinc (Zn). Estos metales considerados pesados son los más importantes contaminantes ambientales, estos no se degradan química ni biológicamente, por lo que una vez emitidos permanecen en el ambiente y duran cientos de años, ocasionando daños a la salud de las personas y demás seres vivos. 5.3

Caracterización de las rocas para determinar el potencial de generación en las minas de Pasco y Junín. Los relaves mineros que se estudian corresponden a la cordillera central del Perú, donde confluyen diversos centros mineros. Los yacimientos minerales de donde se obtienen las muestras son de carácter polimetálico, con contenidos de especies valiosas en plomo, pobre, zinc y plata. Se han recolectado muestras de relaves de cuatro centros mineros representativos de la minería del Centro del Perú y con ellas se desarrolla el estudio propuesto. Las muestras se identifican como M3, M4, M5 y M7, las cuales fueron el producto de selección de entre siete muestras colectadas. Muestra M3 M4 M5 M7

Zona Mar Túnel Yanacancha Chaupimarca Yauli

Página 28

Región Junín Pasco Pasco Junín


A las muestras (previamente tratadas así como se detalló en secciones anteriores), se analizaron los parámetros como el contenido de hierro, sulfatos y otros metales pesados. Análisis Cu Mn Pb Zn Fe Sulfatos

Unidad mg Cu/L mg Mn/L mg Pb/L mg Zn/L % %

M3 M4 M5 392,15 579,75 161,72 >10000 1421,83 >10000 1090,15 469,75 3272,94 1615,66 1000,00 8999,48 3,79 11,94 14,78 0,53 3,58 4,50

M7 129,02 642,72 1762,57 765,70 6,71 1,07

Se puede observar la presencia de elementos como el Cu, Fe, Mn, Pb, Zn, etc., que pueden representar algún potencial de contaminación. El potencial de reactividad o disolución de estos elementos está muy relacionado con las especies químicas que los constituyen. Los elementos encontrados del análisis químico realizado podrían reaccionar y derivar en compuestos tóxicos para el medio ambiente y para el ser humano. Como ejemplo:      

Sulfato de Cobre (CuSO 4) Sulfato de Plomo (PbSO 4) Sulfato Ferroso (II) (FeSO 4) Sulfato Férrico (III) (Fe 2(SO4)3) Ácido Sulfúrico (H2SO4) Iones Metálicos (Fe2+, Zn2+, etc.)

En las muestras M4 y M5 se encuentran altos contenidos de Cu (579.75 ppm en M4) y de Zn (1000 ppm en M4 y 9000 ppm en M5), esto es comprensible debido a que se trata de relaves mineros de minas polimetálicas antiguas. A continuación, se presenta el porcentaje de minerales neutros a los efectos ácidobase en las cuatro muestras: Muestra M3 M4 M5 M7

% Mineral 94,6 67,7 50,0 97,3

Página 29


Es decir, cada una de las muestras minerales analizadas, tienen una alta proporción de especies neutras. Las especies que presentan un carácter neutralizante son la calcita (CaCO3), dolomita (CaMgSi2O6) y siderita (FeCO3). Siendo todas ellas constituidas de carbonato, su reacción frente a un ácido es de una típica reacción de neutralización ácido – base. Muestra M3 M4 M5 M7

% Mineral 2,60 18,0 33,0 0,00

Las especies generadoras de ácido son aquellas que corresponden a sulfuros. En especial, la pirita (FeS 2) o pirrotita (Fe(1-x)S(x)), las cuales presentan una fuerte reactividad a la formación de ácido. Muestra M3 M4 M5 M7

% Mineral 2,80 14,3 17,0 2,70

El análisis de esta síntesis mineralógica nos indica que las muestras M4 y M5 tienen escasas probabilidades de generación ácida debido a que la predominante presencia de especies básicas en alguna medida garantiza la posible neutralización del ácido que se genere. En cambio, las muestras M3 y M7 muestran posibilidades de generación de ácido por la predominancia de las especies sulfuradas. La relación ácido/base, ABA, es un procedimiento rápido y sencillo para evaluar la generación o no de acidez. Teniendo en cuenta que la diferencia entre el Potencial de Neutralización (NP) y el Potencial de acidez (AP) es positiva, el riesgo de generación ácida es menor, en cambio si esta diferencia es negativa existirá una alta probabilidad de que se formen efluentes ácidos. Cabe resaltar que cuando los valores (NP / AP) están entre 1 y 3 la predicción de la producción ácida es también algo incierta y dificultosa, mientras que para valores de esta relación por encima Página 30


de 3 el potencial de generación ácida es mucho menor, es por esto que siempre se toma para el caso de análisis de neutralización el triple de material neutralizante que de material generador de acidez. Muestra M3 M4 M5 M7

%S total 1,91 10,75 8,89 4,25

% Sulfatos 0,53 3,58 4,50 1,07

%S

PNN

PN

1,38 -25,5 17,6 7,17 123,0 234,8 4,39 189,5 326,8 3,18 -141,8 -42,6

PA

pH

PN/PA

43,1 111,8 137,3 99,2

7,5 8,4 6,9 2,2

0,41 2,10 2,38 -0,43

Los valores de PNN, PN y PA están expresados en Kg CaCO 3 /Ton. De acuerdo a los criterios indicados anteriormente y a los resultados de los ensayos ABA obtenidos en el laboratorio, se encuentra que existen muestras de relaves que tienen valores de PNN que van desde -141,8 hasta -25.5 expresados en kg CaCO3 /Ton, las muestras M3 y M7 valores tienen una alta tendencia o alto potencial a generar drenaje ácido. Por otro lado, las muestras M4 y M5 presentan valores de PNN (kg CaCO3 /Ton) de 123,0 y 189,50 respectivamente y un pH neutro en ambos casos, por lo tanto no son considerados generadoras de drenaje ácido en caso de alterarse en contacto con agua y oxígeno. En resumen, tomando en cuenta el porcentaje de minerales generadores de ácidos, neutros, básicos (análisis mineralógico) y el potencial de generación (ensayos estáticos), se muestra lo siguiente: Muestra M3 M4 M5 M7

Especies Especies neutras % básicas % 94,6 67,7 50,0 97,3

2,6 18,0 33,0 0,00

Especies generadoras de acidez % 2,8 14,3 17,0 2,7

Posibilidad generación ácida Sí No No Sí

Por tanto, las muestras M3 y M7 tomadas de la mina ubicada en Junín son tocas generadoras de drenaje ácido. Mientras que, las muestras M4 y M5 tomadas de la mina ubicada en Cerro de Pasco, no son consideradas generadoras de drenaje ácido. Página 31


6.

CONCLUSIONES 









7.

Los parámetros que permiten caracterizar el drenaje ácido de roca en una determinada zona afectada de una minera son el pH, conductividad eléctrica y contenido de metales pesados. El método de caracterización consistió en emplear electrodos a fin de medir el pH, potencial redox y conductividad eléctrica in situ en las zonas afectadas por el drenaje ácido y tomar muestras a fin de analizar el contenido metálico como hierro, azufre en forma de sulfatos, cobre, plomo, zinc, entre otros mediante los métodos de espectroscopia y absorción atómica. La metodología para estimar el potencial de generación de drenaje ácido en una determinada muestra de roca consistió en analizar las muestras mediante pruebas cinéticas, estáticas y de lixiviación, las cuales aseguran una buena predicción. La razón por la cual el drenaje ácido es un problema fatal en la naturaleza es por la cantidad de metales pesados que contienen, siendo los más abundantes el Fe, Cd, Cu, Pb, entre otros, otorgando una toxicidad alta a los drenajes, afectando principalmente a los suelos. La metodología propuesta, comparada con los estudios realizados por las diferentes mineras, es más minuciosa en cuanto a los análisis para la predicción de generación de drenaje ácido ya que, en dichos estudios, solo utilizan ciertos métodos, lo cual conlleva a una recopilación de datos en menor cantidad.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 



Ministerio de Energía y Minas (2002). Guía Ambiental para el Manejo de Drenaje Ácido de Minas [en línea]. Recuperado el 02 de octubre, de: http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/file/DGAAM/guias/ma nedrenaje.pdf Pontificia Universidad Católica del Perú (2013). Medición del potencial de generación de agua ácida para un relave en la Zona Central de Perú y sus necesidades de neutralización [en línea]. Recuperado el 02 de octubre, de: http://tesis.pucp.edu.pe/repositorio/handle/123456789/4923 Página 32

Drenaje-Ácido-de-Roca-Informe.pdf

Recommend Documents