Generación de Drenaje Ácido. Carmen Gloria Dueñas Jefe Área Análisis y Forénsica Ambiental Programa de Medio Ambiente Iquique, 30 de septiembre, 2010

Transcripción

1 Generación de Drenaje Ácido Carmen Gloria Dueñas Jefe Área Análisis y Forénsica Ambiental Programa de Medio Ambiente Iquique, 30 de septiembre, 2010

2 2.1 Definición de Drenaje Ácido Drenaje ácido: problema ambiental derivado de la meteorización y oxidación de los sulfuros metálicos. Escurrimiento de soluciones ácidas sulfatadas, con un contenido significativo de metales disueltos, resultado de la oxidación química y biológica de minerales sulfurados y la lixiviación de metales pesados asociados. Las reacciones de oxidación ocurren en forma natural, y se aceleran por el aumento de exposición de la roca al oxígeno y al agua y por la acción catalizadora de algunas bacterias.

3 Caracterización General 2.1 Definición de Drenaje Ácido ph bajo (valores de ph entre 5 y 1,5); asociado a una acidez creciente en el tiempo y una alcalinidad decreciente, concentraciones elevadas de sólidos disueltos totales (SDT); de sulfato (> mg/l), de hierro y otros metales. Niveles elevados de metales disueltos en efluentes no acídicos. Color café rojizo (ión Fe (III)) Color azul verdoso (Fe(II)) Distintos colores (suspensión productos de reacciones de precipitación asociadas a los iones disueltos).

4 2.1 Definición de Drenaje Ácido Es el resultado de una serie compleja de reacciones químicas que involucra: Generación de ácido sulfúrico, debido a la oxidación de los sulfuros por acción combinada del agua y del oxígeno; reacciones autocatalíticas aceleradas por actividad bacteriana. Consumo del ácido por reacciones de neutralización con minerales consumidores; estas reacciones resultan en la precipitación de sulfato de calcio e hidróxidos metálicos, oxi-hidróxidos y otros compuestos. Si la capacidad de consumo de ácido es más alta que la generación de ácido, es posible que el drenaje sea neutro o alcalino.

5 2.4 Factores y dinámica del drenaje ácido ph final del DAR es un balance entre: Productores de ácido: Sulfuros Sulfatos Consumidores de ácido: Carbonatos Alumino-silicatos Hidróxidos CALIDAD DEL AGUA

6 2.2 Fuentes Paredes de rajo Botaderos de estériles. (<0.2% Cu). En Chile, se generan más de ton/día. Relaves de flotación. en Chile se generan más de ton/día de relaves de flotación. Extensas zonas fracturadas ( cráter ) en superficie de Mina subterránea Botaderos de sulfuros de baja ley, ( % Cu). Botaderos de ripios.

7 2.2 Mecanismos y Etapas ETAPAS DEL DRENAJE ÁCIDO Etapa I MECANISMOS Los minerales sulfurados son oxidados químicamente por el oxígeno del aire. El producto de esta reacción es sulfato, hierro ferroso y acidez (ión H + ). En el rango normal de ph de suelos y agua (ph 5-7) los metales liberados por el desgaste de minerales generalmente precipitan y están relativamente inmóviles, debido a que los minerales alcalinos como la calcita (CaCO 3 ), presentes en la matriz de la roca neutralizan la acidez y originan la oxidación y precipitación del hierro como óxido o hidróxido. A medida que los minerales alcalinos se consumen o encapsulan por cubiertas de precipitado, disminuirá el ph en el área en torno al sulfuro, pasando a la siguiente etapa. Etapa II Etapa III El ph del microambiente ha disminuido hasta 4,5; por lo que ocurren reacciones de oxidación tanto químicas como biológicas. Si la oxidación continúa hasta que se haya agotado todo el potencial de neutralización, se presentarán valores de ph por debajo de 3,5. Existen concentraciones elevadas de hierro ferroso y sulfato y pese a la acidez relativamente alta, las concentraciones de metales en la solución pueden ser bajas. Las reacciones de oxidación catalizadas por bacterias aumentan. Se produce hierro ferroso, que se oxida biológicamente a hierro férrico, el cual se convierte en el oxidante dominante, reemplazando al oxígeno y el drenaje se vuelve aún más ácido producto de la oxidación de sulfuros metálicos (ZnS, PbS, etc), con mayores concentraciones de metales disueltos. La velocidad de oxidación es considerablemente más rápida que en la etapa I. Mediante estudios se ha podido observar que el aumento de las velocidades es de 10 a 1 millón de veces más.

8 2.2 Mecanismos y Etapas FeS 2 (s) + 7/2 O 2 + H 2 O Fe SO H + Fe /4O 2 + H + Fe /2H 2 O Fe H 2 O Fe(OH) 3 (s) + 3H + Fe /4O 2 + H + Fe /2H 2 O FeS 2 (s) + 14Fe H 2 O 15Fe SO H +

9 2.3 Posibles impactos y efectos del drenaje ácido Los posibles impactos sobre el medio ambiente pueden ser : Afectar ecosistemas acuáticos, como resultado de la acidez y metales disueltos en las aguas. Estos organismos son más sensibles que los seres humanos a los niveles elevados de la mayoría de metales. Si los metales se encuentran en el agua, son asimilados por los organismos vivos, se acumulan en los sedimentos y pueden ingresar en la cadena alimenticia. 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. Afectar la calidad de las aguas superficiales y subterráneas (acuíferos poco profundos), lo cual podría afectar a la comunidad por limitar o impedir utilizar las aguas para algunos usos como riego o recreación.

10 2.3 Posibles impactos y efectos del drenaje ácido El agua ácida puede producir también efectos sobre la operación minera: Deteriorar la calidad del agua de mina, limitando su uso en el proceso; y creando problemas de corrosión en las instalaciones y equipos de faenas mineras. Dificultar procesos de revegetación y estabilización de los residuos mineros, ya que la generación de ácido obstaculiza el establecimiento de una capa vegetal.

11 2.3 Posibles impactos y efectos del drenaje ácido El drenaje neutro también puede causar grandes impactos: El drenaje que proviene de la oxidación de minerales sulfurados de una roca que además contiene carbonatos puede ser casi neutra, pero puede contener niveles elevados de metales solubles en ph neutro o alcalino, tales como el zinc o el arsénico cuya solubilidad no disminuye linealmente con el ph; y puede precipitar a los iones solubles de hierro férrico (Fe+3), produciendo hidróxido férrico (Fe(OH)3) como precipitado, también llamado yellow boy. 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 y también desde el punto de vista estético.

12 2.4 Factores y dinámica del drenaje ácido Para que ocurra se necesita: Una fuente potencial: presencia de minerales sulfurados. Un oxidante: en último término, el oxígeno. Un solvente: el agua Dadas estas condiciones, intervienen otros factores que determinan la cinética del proceso.

13 2.4 Factores y dinámica del drenaje ácido

14 2.4 Factores en Chile Contexto geológico: Pórfidos cupríferos: amplia presencia de pirita. capacidad de neutralización variable dependiendo entre otros del tipo de alteración. Otros tipos de yacimientos. Contexto geomorfológico. Contexto climático. Contexto hidrogeoquímico. Contexto Minero: block caving.

15 2.4 Factores en Chile Marco geotectónico Tipo de yacimiento Sulfuros y/o sulfatos PN Elementos Skarns Alto Medio Alto Au, Fe Intrusivo Volcánico continental Pórfidos Cu - Au - Mo Sn granitoides y pegmatitas Alto Bajo Medio Cu, Mo, Zn Bajo Medio Bajo Sn, W, Fe Au epitermales SA Medio Alto Bajo Au, Hg, Fe, Cu, As, Sb Au epitermales AC Bajo Medio Alto Au, Ag Volcánico oceánico Kuroko (VMS) Alto Medio Fe, Au, Pb, Zn, Ni, Co, Cu Beshi Alto Medio Fe, Au, Pb, Zn, Ni, Co, Cu Ofiolítico Cromita podiform Medio Medio Alto Cr, Pt Sedimentario MSV Zn Pb Alto Alto Zn, Pb, Cu, Fe, Cd Estratiforme Cu Alto Bajo Medio Cu, Fe, Co

16 2.4 Factores en Chile: Pórfidos Cupríferos Nivel aguas Subterráneas Se produce una alteración y se forma un cuerpo mineralizado que presenta altas concentraciones de sulfuros de Cu, Fe, Mo. A QS A: Alt. Argillica Avanzada: dickita, caolinita, pirofilita, diásporo, alunita y cuarzo. P K P QS: Alt. Filica : Cuarzo, Sericita, Pirita diseminada y Caolinita. P: Alt. Propilitica: Epidota y/o clorita, albita, calcita y pirita. 1 a 3 km K: Alt. Potasica: actinolita, albitaoligoclasa- andesina, epidota, magnetita, clorita, cuarzo, escapolita.

17 2.4 Factores en Chile: Pórfidos Cupríferos

18 2.4 Factores y dinámica del drenaje ácido FACTORES HIDROLÓGICOS GEOLÓGICOS MINEROS 1.Primarios: Son aquellos factores que determinan la cantidad de ácido que se puede generar en un ambiente determinado - Disponibilidad de agua para la oxidación de minerales sulfurados. - ph natural del agua. - Equilibrio hierro férrico/ferroso - Actividad microbiológica de las aguas. - Tipo de yacimiento. - Marco litológico. - Cantidad y mineralogía de sulfuros. - Resistencia de los sulfuros a la meteorización. - Disponibilidad de oxígeno. - Ubicación del yacimiento: (altura, temperatura ambiental, viento, presión atmosférica, etc). - Actividad microbiológica en ripios de biolixiviación. - Cantidad de sulfuros en los residuos mineros masivos.

19 2.4 Factores y dinámica del drenaje ácido FACTORES HIDROLÓGICOS GEOLÓGICOS MINEROS 2.Secundarios: Son aquellos factores que determinan la cantidad de ácido que puede ser neutralizada naturalmente en un ambiente determinado. - Especiación y concentración de elementos disueltos en el agua de drenaje. - Disponibilidad, mineralogía y resistencia de las especies químicas neutralizantes: Minerales alcalinos (carbonatos) y en menor grado Minerales silicatos y aluminosilicatos (mica y minerales de arcilla). - Alcalinidad de los residuos mineros masivos.

20 2.4 Factores y dinámica del drenaje ácido FACTORES HIDROLÓGICOS GEOLÓGICOS MINEROS 3.Terciarios: Son los factores que determinan la velocidad con la cual se pueden producir la generación y el transporte de las soluciones ácidas. - Factores climáticos: Precipitación (pluvial y nival) Evaporación y sublimación Fusión de hielo y nieve - Potencial de transporte de contaminantes al ambiente receptor: Caudal Superficie de escurrimiento e infiltración resultante de la pluviosidad - Química natural de los cuerpos de agua receptores: Dureza Alcalinidad Contenido de materia orgánica a.tipo de alteración: Características físicas del material de roca: tamaño de la partícula, dureza del material, porosidad del lecho. b.mineralogía de los productos de alteración. c.factores hidrogeológicos Permeabilidad Transmisividad Porosidad total d.comportamiento electroquímico de los sulfuros. a.características físicas del material de residuo minero: Tamaño de la partícula. Dureza del material. b. Factores hidrogeológicos del material de residuo: Permeabilidad Porosidad total

21 Resumen La oxidación de sulfuros no es sólo un proceso, sino que es una cadena de reacciones. Varios oxidantes están involucrados, no sólo el oxígeno, principalmente Fe +3 Generalmente, procesos de oxidación de sulfuros empiezan con oxidación por O 2, y la importancia del Fe +3 aumenta a ph < 4. La tasa de oxidación por Fe +3 es mucho más alta que la tasa producida por O 2. Por lo tanto, la disponibilidad de Fe +3 reactivo es un control fundamental del ph final de DAR. En ambientes experimentales abióticos, la oxidación de Fe +2 (aq) es el límite crítico con respecto a la tasa de oxidación de pirita. Sin embargo, normalmente las poblaciones bacteriales aumentan esta tasa en aguas naturales.

22 Resumen La generación de acidez es función de la mineralogía de sulfuros. Algunas reacciones producen protones. La química final de las aguas afectadas por la oxidación de sulfuros es un balance entre la producción de protones y su consumo, al reaccionar con carbonatos, aluminosilicatos y oxi-hidróxidos.

23 Carmen Gloria Dueñas Juan Ramón Candia

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