El drenaje ácido de minas , el drenaje ácido y metalífero ( AMD ) o el drenaje ácido de rocas ( ARD ) es la salida de agua ácida de las minas de metal o de carbón .
El drenaje ácido de las rocas se produce de forma natural en algunos entornos como parte del proceso de meteorización de las rocas, pero se ve agravado por las perturbaciones de la tierra a gran escala características de la minería y otras actividades de construcción a gran escala, generalmente dentro de rocas que contienen abundantes minerales sulfurados . Las áreas donde se ha alterado la tierra (por ejemplo, sitios de construcción, subdivisiones y corredores de transporte) pueden crear un drenaje ácido de roca. En muchas localidades, el líquido que se drena de las reservas de carbón , las instalaciones de manipulación de carbón, los lavaderos de carbón y los vertederos de desechos de carbón puede ser muy ácido y, en tales casos, se trata como drenaje ácido de roca. Este líquido a menudo contiene metales tóxicos, como cobre o hierro. Estos, combinados con un pH reducido, tienen un impacto perjudicial en los entornos acuáticos de los arroyos.
El mismo tipo de reacciones y procesos químicos puede ocurrir a través de la alteración de suelos de sulfato ácido formados en condiciones costeras o estuarinas después del último aumento importante del nivel del mar , y constituye un peligro ambiental similar .
Nomenclatura
Históricamente, las descargas ácidas de minas activas o abandonadas se denominaban drenaje ácido de minas o AMD. El término drenaje ácido de roca, o ARD, se introdujo en las décadas de 1980 y 1990 para indicar que el drenaje ácido puede provenir de fuentes distintas de las minas. [1] Por ejemplo, un documento 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 la AMD como la ARD se refieren al pH bajo o las aguas ácidas causadas por la oxidación de minerales de sulfuro , aunque ARD es el nombre más genérico.
En los casos en que el drenaje de una mina no es ácido y ha disuelto metales o metaloides , o era originalmente ácido, pero ha sido neutralizado a lo largo de su trayectoria de flujo, entonces se describe como "drenaje de mina neutral", [3] "agua influenciada por la minería " [4] o de otro modo. Ninguno de estos otros nombres ha ganado aceptación general.
Ocurrencia
La minería subterránea a menudo avanza por debajo del nivel freático , por lo que el agua debe bombearse constantemente fuera de la mina para evitar inundaciones. Cuando se abandona una mina, cesa el bombeo y el agua inunda la mina. Esta introducción de agua es el paso inicial en la mayoría de las situaciones de drenaje de rocas ácidas. Relaves pilotes o estanques, vertederos de roca estéril mina , [3] y despojos de carbón son también una fuente importante de drenaje de mina ácido. [5]
Después de estar expuesto al aire y al agua, la oxidación de los sulfuros metálicos (a menudo pirita , que es sulfuro de hierro) dentro de la roca circundante y la sobrecarga genera acidez. Las colonias de bacterias y arqueas aceleran enormemente la descomposición de los iones metálicos, aunque las reacciones también ocurren en un ambiente abiótico. Estos microbios, llamados extremófilos por su capacidad para sobrevivir en condiciones adversas, se encuentran naturalmente en la roca, pero el suministro limitado de agua y oxígeno suele mantener su número bajo. Los extremófilos especiales conocidos como acidófilos favorecen especialmente los bajos niveles de pH de las minas abandonadas. En particular, Acidithiobacillus ferrooxidans es un contribuyente clave a la oxidación de la pirita. [6]
Las minas de metales pueden generar descargas muy ácidas donde el mineral es un mineral de sulfuro o está asociado con pirita. [7] 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-hierro y se encuentra con una variedad de otros sulfuros. Por lo tanto, las minas de cobre son a menudo las principales culpables del drenaje ácido de las minas.
En algunas minas, el drenaje ácido se detecta entre 2 y 5 años después del inicio de la explotación, mientras que en otras minas, no se detecta durante varias décadas. [ cita requerida ] Además, el drenaje ácido puede generarse durante décadas o siglos después de que se detecta por primera vez. Por esta razón, el drenaje ácido de las minas se considera un problema ambiental grave a largo plazo asociado con la minería. [ cita requerida ]
Química
Para obtener más información, consulte Acidófilos en el drenaje ácido de minas.
La química de la oxidación de las piritas, la producción de iones ferrosos y posteriormente de iones férricos , es muy compleja, y esta complejidad ha inhibido considerablemente el diseño de opciones de tratamiento eficaces. [8]
Aunque una serie de procesos químicos contribuyen al drenaje ácido de las minas, la oxidación de la pirita es, con mucho, el mayor contribuyente. Una ecuación general para este proceso es:
- . [9]
La oxidación del sulfuro a sulfato solubiliza el hierro ferroso ( hierro (II) ), que posteriormente se oxida a hierro férrico ( hierro (III) ):
- .
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:
- .
El efecto neto de estas reacciones es la liberación de H + , lo que reduce el pH y mantiene la solubilidad del ión férrico.
Efectos
Efectos sobre el pH
Se han medido temperaturas del agua de hasta 47 ° C [10] bajo tierra en la mina Iron Mountain , y el pH puede ser tan bajo como -3,6. [11]
Los organismos que causan el drenaje ácido de las minas pueden prosperar en aguas con un pH muy cercano a cero. El pH negativo [12] se produce cuando el agua se evapora de las piscinas ya ácidas, lo que aumenta la concentración de iones de hidrógeno.
Aproximadamente la mitad de las descargas de minas de carbón en Pensilvania tienen un pH inferior a 5. [13] Sin embargo, una parte del drenaje de la mina en las regiones bituminosa y antracita de Pensilvania es alcalina, porque la piedra caliza en la sobrecarga neutraliza el ácido antes de que emana el drenaje. [ cita requerida ]
El drenaje ácido de rocas fue un obstáculo para la finalización de la construcción de la Interestatal 99 cerca de State College, Pensilvania . Sin embargo, este drenaje ácido de roca no provino de una mina; más bien, fue producido por oxidación de roca rica en pirita que fue desenterrada durante un corte de camino y luego utilizada como material de relleno en la construcción de la I-99. [ cita requerida ] Problemas similares con la pizarra pirítica ocurrieron en el Aeropuerto Internacional Halifax Stanfield en Canadá. [14] Cuando el fenómeno es el resultado de operaciones de movimiento de tierras distintas de la minería, a veces se le llama " drenaje ácido de roca ". [ cita requerida ]
Chico amarillo
Cuando el pH del drenaje ácido de la mina se eleva a más de 3, ya sea por contacto con agua dulce o minerales neutralizantes , los iones de hierro (III) previamente solubles se precipitan como hidróxido de hierro (III) , un sólido amarillo anaranjado conocido coloquialmente como niño amarillo . [15] Son posibles otros tipos de precipitados de hierro, incluidos óxidos y oxihidróxidos de hierro, y sulfatos como la jarosita . Todos estos precipitados pueden decolorar el agua y sofocar la vida vegetal y animal en el lecho del río, alterando los ecosistemas de los arroyos (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 yellow boy son tan altas que el precipitado se puede recuperar para uso comercial en pigmentos. [dieciséis]
Trazas de contaminación por metales y semimetales
Muchas descargas de rocas ácidas también contienen niveles elevados de metales potencialmente tóxicos, especialmente níquel y cobre, con niveles más bajos de una variedad de iones traza y semi-metálicos como plomo , arsénico , aluminio y manganeso . Los niveles elevados de metales pesados solo se pueden disolver en aguas que tienen un pH bajo, como se encuentra en las aguas ácidas producidas por la oxidación de la pirita. En el cinturón de carbón alrededor de los valles del sur de Gales en el Reino Unido , las descargas altamente ácidas ricas en níquel de los sitios de almacenamiento de carbón han demostrado ser particularmente problemáticas. [ cita requerida ]
Efectos sobre la fauna acuática
El drenaje ácido de la mina también afecta a la vida silvestre que vive dentro del cuerpo de agua afectado. Los macroinvertebrados acuáticos que viven en arroyos o partes de arroyos afectados por el drenaje ácido de las minas muestran menos individuos, menos diversidad y menor biomasa. Muchas especies de peces tampoco pueden tolerar la contaminación. [17] Entre los macroinvertebrados, ciertas especies se pueden encontrar solo con ciertos niveles de contaminación, mientras que otras especies se pueden encontrar en una amplia gama. [18]
Identificación y predicción
En un entorno minero, es una práctica líder realizar una evaluación geoquímica de los materiales de la mina durante las primeras etapas de un proyecto para determinar el potencial de AMD. La evaluación geoquímica tiene como objetivo mapear la distribución y variabilidad de los parámetros geoquímicos clave, las características de generación de ácido y lixiviación de elementos. [19]
La evaluación puede incluir: [19]
- Muestreo;
- Pruebas geoquímicas estáticas (por ejemplo, contabilidad ácido-base, especiación de azufre);
- Pruebas geoquímicas cinéticas : realización de pruebas de consumo de oxígeno, como OxCon, para cuantificar las tasas de generación de acidez [20]
- Modelización de oxidación, generación y liberación de contaminantes; y
- Modelado de composición de materiales.
Tratamiento
Vigilancia
En el Reino Unido, muchas descargas de minas abandonadas están exentas de control reglamentario. En tales casos, la Agencia de Medio Ambiente que trabaja con socios como la Autoridad del Carbón ha proporcionado algunas soluciones innovadoras, incluidas soluciones de humedales construidos como en el río Pelenna en el valle del río Afan cerca de Port Talbot y el humedal construido junto al río Neath en Ynysarwed.
Aunque las minas subterráneas abandonadas producen la mayor parte del drenaje ácido de la mina, algunas minas superficiales recientemente extraídas y recuperadas han producido ARD y han degradado los recursos locales de aguas subterráneas y superficiales. El agua ácida producida en las minas activas debe neutralizarse para alcanzar un pH de 6 a 9 antes de que se permita la descarga de un sitio de la mina a un arroyo.
En Canadá, el trabajo para reducir los efectos del drenaje ácido de minas se concentra en el programa Mine Environment Neutral Drainage (MEND). Se estima que la responsabilidad total por el drenaje de rocas ácidas está entre $ 2 mil millones y $ 5 mil millones CAD. [21] Durante un período de ocho años, MEND afirma haber reducido la responsabilidad por ARD hasta en 400 millones de dólares canadienses, a partir de una inversión de 17,5 millones de dólares canadienses. [22]
Métodos
Neutralización de cal
Con mucho, el proceso comercial más utilizado para el tratamiento del drenaje ácido de minas es la precipitación de cal ( CaO ) en un proceso de lodos de alta densidad (HDS). En esta aplicación, se dispersa una lechada de cal en un tanque que contiene drenaje ácido de mina y lodo reciclado para aumentar el pH del agua a aproximadamente 9. A este pH, la mayoría de los metales tóxicos se vuelven insolubles y precipitan, ayudados por la presencia de lodo reciclado. Opcionalmente, se puede introducir aire en este tanque para oxidar el hierro y el manganeso y ayudar a su precipitación. La lechada resultante se dirige a un recipiente de sedimentación de lodos, como un clarificador . En ese recipiente, el agua limpia se desbordará para su liberación, mientras que los precipitados metálicos sedimentados (lodos) se reciclarán al tanque de tratamiento de drenaje ácido de la mina, con una corriente lateral que desperdicia lodos. Existe una serie de variaciones de este proceso, según lo dictado por la química de la ARD, su volumen y otros factores. [23] Generalmente, los productos del proceso HDS también contienen yeso ( CaSO 4 ) y cal sin reaccionar, que mejoran tanto su sedimentabilidad como su resistencia a la reacidificación y movilización de metales. Una ecuación general para este proceso es:
- H 2 SO 4 + CaO -> CaSO 4 + H 2 O
o más precisamente en solución acuosa :
- SO 4 2− + 2H + + Ca 2+ + O 2− (aq) -> Ca 2+ + SO 4 2− (aq) + 2H + + O 2− (aq)
Las variantes menos complejas de este proceso, como la simple neutralización de cal, pueden involucrar solo un silo de cal, un tanque de mezcla y un estanque de sedimentación. Estos sistemas son mucho menos costosos de construir, pero también son menos eficientes (es decir, se requieren tiempos de reacción más largos y producen una descarga con concentraciones de metales traza más altas, si están presentes). Serían adecuados para caudales relativamente pequeños o drenaje ácido de mina menos complejo. [24]
Neutralización de silicato de calcio
También se puede usar una materia prima de silicato de calcio, hecha de escoria de acero procesada, para neutralizar la acidez activa en los sistemas AMD al eliminar los iones de hidrógeno libres de la solución a granel, aumentando así el pH. A medida que el anión de silicato captura los iones H + (elevando el pH), forma ácido monosilícico (H 4 SiO 4 ), un soluto neutro. El ácido monosilícico permanece en la solución a granel para desempeñar muchas funciones en la corrección de los efectos adversos de las condiciones ácidas. En la solución a granel, el anión de silicato es muy activo para neutralizar los cationes H + en la solución del suelo. [25] Si bien su modo de acción es bastante diferente al de la piedra caliza, la capacidad del silicato de calcio para neutralizar soluciones ácidas es equivalente a la piedra caliza, como lo demuestra su valor CCE de 90-100% y su valor neutralizante relativo de 98%. [26]
En presencia de metales pesados, el silicato de calcio reacciona de manera diferente a la piedra caliza. A medida que la piedra caliza eleva el pH de la solución a granel, y si hay metales pesados presentes, la precipitación de los hidróxidos metálicos (con solubilidades extremadamente bajas) normalmente se acelera y el potencial de blindaje de las partículas de piedra caliza aumenta significativamente. [27] En el agregado de silicato de calcio , a medida que las especies de ácido silícico se absorben en la superficie del metal, el desarrollo de capas de sílice (monocapas y bicapas) conduce a la formación de complejos coloidales con cargas superficiales neutras o negativas. Estos coloides cargados negativamente crean una repulsión electrostática entre sí (así como con los gránulos de silicato de calcio cargados negativamente) y los coloides metálicos secuestrados se estabilizan y permanecen en un estado disperso, lo que interrumpe eficazmente la precipitación del metal y reduce la vulnerabilidad del material al blindaje. [25]
Neutralización de carbonatos
Generalmente, la piedra caliza u otros estratos calcáreos que podrían neutralizar el ácido faltan o son deficientes en los sitios que producen drenaje ácido de roca. Se pueden introducir astillas de piedra caliza en los sitios para crear un efecto neutralizador. Donde se ha utilizado piedra caliza, como en Cwm Rheidol en el centro de Gales , el impacto positivo ha sido mucho menor de lo previsto debido a la creación de una capa de sulfato de calcio insoluble en las astillas de piedra caliza, uniendo el material y evitando una mayor neutralización.
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 complejos de cloruros, sulfatos y sulfato de uranilo (resinas aniónicas) del agua de la mina . [28] Una vez que se adsorben los contaminantes, 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 (ww.icheme.org) por la gestión y el suministro de agua (tratamiento de AMD) ha desarrollado un proceso de intercambio iónico patentado que trata los efluentes de las minas (y AMD) de manera económica.
Humedales construidos
Se propusieron sistemas de humedales construidos durante la década de 1980 para tratar el drenaje ácido generado por las minas de carbón abandonadas en el este de los Apalaches. [29] Generalmente, los humedales reciben agua casi neutra, después de haber sido neutralizada (típicamente) por un proceso de tratamiento a base de piedra caliza. [30] La precipitación de metales se produce por su oxidación a pH casi neutro, formación de complejos con materia orgánica, precipitación como carbonatos o sulfuros. Este último es el resultado de bacterias anaeróbicas transportadas por sedimentos capaces de revertir los iones sulfato en iones sulfuro. Estos iones de sulfuro pueden unirse con iones de metales pesados, precipitando los metales pesados de la solución e invirtiendo efectivamente todo el proceso. [ cita requerida ]
El atractivo de una solución de humedales artificiales radica en su costo relativamente bajo. Están limitados por las cargas de metal con las que pueden lidiar (ya sea de altos flujos o concentraciones de metales), aunque los practicantes actuales han logrado desarrollar humedales artificiales que tratan grandes volúmenes (ver descripción del humedal construido de la mina Campbell ) y / o agua altamente ácida ( con un pretratamiento adecuado). Por lo general, el efluente de un humedal construido que recibe agua casi neutra estará bien amortiguado entre 6,5 y 7,0 y se puede descargar fácilmente. Algunos de los precipitados metálicos retenidos en los sedimentos son inestables cuando se exponen al oxígeno (p. Ej., Sulfuro de cobre o selenio elemental), y es muy importante que los sedimentos de los humedales permanezcan sumergidos en gran medida o permanentemente.
Un ejemplo de un humedal artificial eficaz se encuentra en Afon Pelena en el valle del río Afan sobre Port Talbot, donde se han tratado con éxito descargas altamente ferruginosas de la mina Whitworth .
Precipitación de sulfuros metálicos
La mayoría de los metales básicos en solución ácida precipitan en contacto con sulfuro libre, por ejemplo, de H 2 S o NaHS. La separación sólido-líquido después de la reacción produciría un efluente libre de metales base que puede ser descargado o tratado adicionalmente para reducir el sulfato, y un concentrado de sulfuro metálico con posible valor económico.
Como alternativa, varios investigadores han investigado la precipitación de metales utilizando sulfuro biogénico. En este proceso, las bacterias reductoras de sulfato oxidan la materia orgánica utilizando sulfato, en lugar de oxígeno. Sus productos metabólicos incluyen bicarbonato , que puede neutralizar la acidez del agua, y sulfuro de hidrógeno , que forma precipitados altamente insolubles con muchos metales tóxicos. Aunque prometedor, este proceso ha sido lento en ser adoptado por una variedad de razones técnicas. [31]
Tecnologias
Existen muchas tecnologías para el tratamiento de AMD, desde plantas tradicionales de tratamiento de agua de alto costo hasta métodos sencillos de dosificación de reactivos de tratamiento de agua in situ .
Estudio metagenómico
Con el avance de las estrategias de secuenciación a gran escala , los genomas de microorganismos en la comunidad de drenaje de minas ácidas se secuencian directamente del medio ambiente. Las construcciones genómicas casi completas permiten una nueva comprensión de la comunidad y pueden reconstruir sus vías metabólicas. [32] Nuestro conocimiento de los acidófilos en el drenaje ácido de minas sigue siendo rudimentario: conocemos muchas más especies asociadas con ERA de las que podemos establecer roles y funciones. [33]
Microbios y descubrimiento de fármacos
Los científicos han comenzado recientemente a explorar el drenaje ácido de las minas y los sitios de recuperación de minas en busca de bacterias del suelo únicas capaces de producir nuevas pistas farmacéuticas. Los microbios del suelo han sido durante mucho tiempo una fuente de fármacos eficaces [34] y una nueva investigación, como la realizada en el Centro de Investigación e Innovación Farmacéutica , sugiere que estos entornos extremos son una fuente sin explotar para nuevos descubrimientos. [35] [36]
Lista de sitios seleccionados de drenaje de minas ácidas en todo el mundo
Esta lista incluye tanto las minas que producen drenaje ácido como los sistemas fluviales significativamente afectados por dicho drenaje. De ninguna manera es completo, ya que en todo el mundo existen varios miles de sitios de este tipo.
África
- West Rand Goldfield , [37] Witwatersrand , Sudáfrica
Europa
- Avoca , Condado de Wicklow , Irlanda
- Mina Aznalcollar en el Guadiamar , España
- Wheal Jane , Cornualles , Inglaterra
- Río Tinto , España
- Mina de Libiola , [38] Italia
- Río Spree , Alemania
- El distrito de los lagos de Lusacia y el distrito de los lagos de Alemania central , ambos producto de la extracción de lignito a cielo abierto, tienen que lidiar con el drenaje ácido de las minas.
América del norte
- Túnel de Argo , Idaho Springs, Colorado , EE.
- Sitio del superfondo de Berkeley Pit , que cubre el río Clark Fork y 50.000 acres (200 km²) en Butte, Montana , EE. UU. Y sus alrededores
- La mina Summitville en el condado de Rio Grande, Colorado . El área tiene un drenaje ácido tanto natural como exacerbado por la minería que fluye hacia Wrightman Fork, luego hacia el río Alamosa , que desemboca en el valle de San Luis.
- Playa Britannia, Columbia Británica , Canadá
- Clinch - Sistema del río Powell , Virginia y Tennessee , EE. UU.
- Mina Iron Mountain , condado de Shasta, California , Estados Unidos
- Monday Creek , Ohio, Estados Unidos
- Irwin Syncline en el suroeste de Pensilvania
- Pronto sitio de relaves de la mina , área de Elliot Lake , Ontario , Canadá
- North Fork del río Kentucky, Kentucky, EE. UU.
- Pozo de Old Forge , río Lackawanna , Pennsylvania. Descarga entre 40-100 millones de galones de drenaje ácido de mina por día. [39]
- Cheat River Watershed Archivado el 18 de febrero de 2020 en Wayback Machine , West Virginia , EE. UU.
- Copperas Brook Watershed, de la mina Elizabeth en S. Strafford, Vermont , impactando el río Ompompanoosuc
- Mina de pirita Davis en el noroeste de Massachusetts
- Agujero de Hughes , Pensilvania
- Mina Gold King , Colorado , EE. UU.
Oceanía
- Brukunga, Australia Meridional [40]
- Mina Grasberg , provincia de Papua , Indonesia [41]
- Mina de zinc McArthur River , Territorio del Norte , Australia [42]
- Mina Mount Morgan , Queensland , Australia [43]
- Ok Tedi desastre ambiental causado por Ok Tedi Mine , Ok Tedi río , Papúa Nueva Guinea [44]
- Mina Tui , una mina abandonada en las laderas occidentales del monte Te Aroha en la cordillera Kaimai de Nueva Zelanda, considerada el sitio más contaminado del país.
- Campos minerales de la costa oeste , Tasmania , Australia [45]
Ver también
- Biolixiviación
- Problemas ambientales con la minería
- Asociación Internacional de Agua de Minas
- Sistema de tratamiento pasivo
Referencias
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enlaces externos
- Gestión del drenaje ácido y metalífero: Programa de desarrollo sostenible de prácticas líderes para la industria minera Trove: Manual del Departamento de Industria, Turismo y Recursos del Gobierno de Australia, 2007. ISBN 0642725128 Consultado el 21 de mayo de 2016.
- AMRClearinghouse.org
- OrangeWaterNetwork.org (sitio web de EPCAMR)
- Evaluación de los métodos de tratamiento (PDF)
- Proyectos de drenaje de minas de carbón en Pensilvania Consultado el 17 de abril de 2012.
- IMWA - Asociación Internacional de Agua de Minas
- INAP - Red Internacional de Prevención de Ácidos
- INAP - Guía global de drenaje ácido de rocas
- Fuente de información sobre drenaje ácido de minas de TechnoMine
- Descripción general de los procesos químicos involucrados
- PADRE - Asociación para la remediación del drenaje ácido en Europa
- La ciencia del drenaje ácido de minas y el tratamiento pasivo
- Drenaje de mina USGS
- Las aguas más ácidas del mundo se encuentran cerca de Redding, California (pH -3,6)
- MiWER - Centro de investigación sobre el medio ambiente y el agua de las minas (con sede en Australia)
- Descripción general de los impactos del drenaje ácido de la mina en West Rand Goldfield