El drenaje ácido de minas , drenaje ácido y metalífero ( AMD ) o drenaje ácido de rocas ( ARD ) es la salida de agua ácida de minas de metales y minas de carbón . [ cita requerida ]
El drenaje ácido de roca se produce de forma natural en algunos entornos como parte del proceso de meteorización de las rocas, pero se ve exacerbado 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 una gran cantidad de minerales de sulfuro . Las áreas donde se ha alterado la tierra (por ejemplo, sitios de construcción o construcción de carreteras ) pueden crear 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 altamente ácido y, en tales casos, se trata como drenaje ácido de roca. Estos, combinados con un pH reducido, tienen un impacto perjudicial en los entornos acuáticos de los arroyos. [ cita requerida ]
El mismo tipo de reacciones y procesos químicos pueden ocurrir a través de la perturbación de suelos sulfatados ácidos formados en condiciones costeras o estuarinas después del último aumento importante del nivel del mar , y constituye un riesgo ambiental similar . [ cita requerida ]
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 los años 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 titulaba: "La predicción del drenaje ácido de roca: lecciones de la base de datos". [2] Tanto AMD como ARD se refieren a aguas con un pH bajo o 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 tiene metales o metaloides disueltos , o era originalmente ácido, pero se ha neutralizado a lo largo de su trayectoria de flujo, se lo describe como "drenaje de mina neutro", [3] "agua influenciada por la minería" [4] o de otra manera. Ninguno de estos otros nombres ha ganado aceptación general.
La minería subterránea suele avanzar por debajo del nivel freático , por lo que es necesario bombear agua constantemente para evitar inundaciones. Cuando se abandona una mina, el bombeo cesa y el agua la inunda. Esta introducción de agua es el paso inicial en la mayoría de las situaciones de drenaje ácido de roca. Los montones o estanques de relaves , los vertederos de desechos de roca de mina [3] y los desechos de carbón también son una fuente importante de drenaje ácido de minas.
Después de estar expuestos 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 en gran medida la descomposición de los iones metálicos, aunque las reacciones también ocurren en un entorno abiótico . Estos microbios, llamados extremófilos por su capacidad de sobrevivir en condiciones duras, se encuentran naturalmente en la roca, pero los suministros limitados de agua y oxígeno generalmente mantienen su número bajo. Los extremófilos conocidos como acidófilos favorecen especialmente los niveles bajos de pH de las minas abandonadas. En particular, Acidithiobacillus ferrooxidans es un contribuyente clave a la oxidación de la pirita. [5]
Las minas de metales pueden generar descargas altamente ácidas cuando el mineral es un mineral de 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 que se extrae con más frecuencia, la calcopirita , es en sí mismo un sulfuro de cobre y hierro y se presenta con una variedad de otros sulfuros. Por lo tanto, las minas de cobre suelen ser las principales culpables del drenaje ácido de minas.
En algunas minas, el drenaje ácido se detecta entre 2 y 5 años después de que comienza la explotación, mientras que en otras minas, no se detecta hasta varias décadas después. [ 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 minas se considera un problema ambiental grave a largo plazo asociado con la minería. [ cita requerida ]
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 efectivas. [6]
Aunque una serie de procesos químicos contribuyen al drenaje ácido de minas, la oxidación de la pirita es, con diferencia, el mayor contribuyente. Una ecuación general para este proceso es: [7]
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: [8]
El efecto neto de estas reacciones es liberar H + , lo que reduce el pH y mantiene la solubilidad del ion férrico.
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 prosperar en aguas con un pH muy cercano a cero. El pH negativo [11] se produce cuando el agua se evapora de charcas ya ácidas, lo que aumenta la concentración de iones de hidrógeno.
Aproximadamente la mitad de los vertidos de las minas de carbón de Pensilvania tienen un pH inferior a 5. [12] Sin embargo, una parte del drenaje de la mina, tanto en las regiones bituminosas como en las antracitas de Pensilvania, es alcalina, porque la piedra caliza en la capa superficial neutraliza el ácido antes de que emane el drenaje. [ cita requerida ]
Cuando el pH del drenaje ácido de las minas se eleva por encima de 3, ya sea a través del contacto con agua dulce o neutralizando minerales, los iones de hierro (III) previamente solubles precipitan como hidróxido de hierro (III) , un sólido de color amarillo anaranjado conocido coloquialmente como yellow boy . [13] 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 del río (un delito específico según la Ley de Pesca de Canadá). El proceso también produce iones de hidrógeno adicionales, que pueden reducir 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. [14]
Muchos vertidos de roca ácida también contienen niveles elevados de metales potencialmente tóxicos, especialmente níquel y cobre, con niveles más bajos de una variedad de iones traza y semimetálicos 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, los vertidos altamente ácidos ricos en níquel de los sitios de almacenamiento de carbón han demostrado ser particularmente problemáticos. [ cita requerida ]
El drenaje ácido de minas 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 minas muestran menos individuos, menos diversidad y menor biomasa. Muchas especies de peces tampoco pueden tolerar la contaminación. [15] Entre los macroinvertebrados, ciertas especies se pueden encontrar solo en ciertos niveles de contaminación, mientras que otras especies se pueden encontrar en un rango amplio. [16]
En el ámbito minero, la práctica más común es realizar una evaluación geoquímica de los materiales de la mina durante las primeras etapas de un proyecto para determinar el potencial de formación de ácido desoxirribonucleico (DAM). La evaluación geoquímica tiene como objetivo mapear la distribución y variabilidad de los parámetros geoquímicos clave, la generación de ácido y las características de lixiviación de elementos. [17]
La evaluación puede incluir: [17]
En el Reino Unido, muchos vertidos de minas abandonadas están exentos de control reglamentario. En esos casos, la Agencia de Medio Ambiente y Recursos Naturales de Gales, en colaboración con socios como la Autoridad del Carbón, han aportado algunas soluciones innovadoras, incluidas soluciones de humedales artificiales como los del 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 las minas, algunas minas a cielo abierto recientemente explotadas y recuperadas han producido ARD y han degradado los recursos locales de agua subterránea y superficial. El agua ácida producida en minas activas debe neutralizarse para lograrSe permite un pH de 6 a 9 antes de la descarga desde una 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 ácido de rocas oscila entre 2.000 y 5.000 millones de dólares canadienses . [19] En un período de ocho años, MEND afirma haber reducido la responsabilidad por ARD en hasta 400 millones de dólares canadienses , a partir de una inversión de 17,5 millones de dólares canadienses . [20]
En los lugares afectados por drenajes ácidos de rocas , a menudo faltan rocas calizas o estratos calcáreos adecuados que podrían contribuir a neutralizar los efluentes ácidos o son insuficientemente accesibles (tiempo de contacto demasiado corto con aguas ácidas que fluyen demasiado rápido, superficie específica demasiado baja , contacto insuficiente, etc.). En tales casos, se puede verter piedra caliza triturada en el lugar como agente neutralizante.
Sin embargo, aunque la piedra caliza es una materia prima no procesada disponible en grandes cantidades y el agente de neutralización menos costoso, puede sufrir una serie de desventajas que posiblemente limiten sus aplicaciones. De hecho, los pequeños granos de carbonato de calcio de piedra caliza triturada pueden ser propensos a la formación de una capa de yeso ( CaSO 4 ·2H 2 O ) rodeada por una fina película impermeable y protectora de hidroxisulfato de Fe-Al menos soluble. Esta capa a veces se denomina en la literatura como una armadura (escudo, incrustación, borde, corteza ...). [21] Cuando está presente, pasiva la superficie de la piedra caliza, evitando la disolución de la calcita y la liberación adicional de bicarbonato en solución. [21]
Esto podría explicar por qué en Cwm Rheidol, en el centro de Gales , el impacto positivo de la aplicación de piedra caliza ha sido mucho menor de lo previsto debido a la formación de una capa de sulfato de calcio poco soluble en la superficie de las astillas de piedra caliza, que une el material y evita una mayor neutralización.
Dependiendo del volumen y caudal de los efluentes ácidos a neutralizar y de la escala de las instalaciones industriales, un proceso comercial común pero más costoso para tratar el 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, ayudados por la presencia de lodos reciclados. Opcionalmente, se puede inyectar aire en el tanque para oxidar el hierro (II) y el manganeso (II) y ayudar en su precipitación. La suspensión 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 reciclan al tanque de tratamiento de drenaje ácido de minas, con una corriente lateral de desecho de lodos. Existen varias variaciones de este proceso, según lo dictado 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, que mejoran tanto su sedimentabilidad como su resistencia a la reacidificación y la movilización de metales.
Una ecuación general para este proceso de neutralización es:
Las variantes menos complejas de este proceso, como la neutralización simple con cal, pueden requerir tan 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 (se requieren tiempos de reacción más largos y producen una descarga con mayores concentraciones de metales traza, si están presentes). Serían adecuados para flujos relativamente pequeños o drenajes ácidos de minas menos complejos. [23]
Una materia prima de silicato de calcio , hecha de escoria de acero procesada , también se puede utilizar para neutralizar la acidez activa en sistemas AMD eliminando iones de hidrógeno libres de la solución a granel, aumentando así el pH. A medida que el anión de silicato captura iones H + (elevando el pH), forma ácido monosilícico (H 4 SiO 4 ), un soluto neutro. El ácido monosilícico permanece en la solución a granel y juega muchos papeles en la corrección de los efectos adversos de las condiciones ácidas. En la solución a granel, el anión de silicato es muy eficaz para neutralizar los cationes H + en la solución del suelo. [24] Si bien su modo de acción es bastante diferente de la piedra caliza, la capacidad del silicato de calcio para neutralizar soluciones ácidas es equivalente a la de la piedra caliza, como lo demuestra su valor CCE [ aclaración necesaria ] de 90-100% y su valor neutralizante relativo de 98% [ aclaración necesaria ] . [25]
En presencia de metales pesados, el silicato de calcio reacciona de una manera diferente a la piedra caliza. A medida que la piedra caliza eleva el pH de la solución a granel, cuando hay metales pesados presentes, la precipitación de los hidróxidos metálicos poco solubles se acelera y la tendencia a que se forme un revestimiento impermeable de hidróxido metálico, denominado blindaje , en la superficie de los granos de piedra caliza aumenta significativamente. Los granos de piedra caliza se recubren con una cáscara de yeso encapsulada en una fina película externa de hidroxisulfato de Fe-Al impermeable y protector. El blindaje ralentiza la disolución de CaCO 3 y evita que los granos de piedra caliza liberen alcalinidad adicional en solución. [21] En los agregados de silicato de calcio , a medida que las especies de ácido silícico se adsorben sobre 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 cargados negativamente se repelen electrostáticamente entre sí (así como con los gránulos de silicato de calcio cargados negativamente). Los coloides metálicos secuestrados se estabilizan y permanecen en un estado disperso estable , lo que interrumpe eficazmente la precipitación del metal y reduce la vulnerabilidad del material al blindaje (formación de una costra impermeable alrededor de los granos de material que evita su disolución y disminuye su reactividad). [24]
Los procesos de intercambio catiónico se han investigado previamente como un posible tratamiento 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 la mina . [26] 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 una forma concentrada. Una empresa sudafricana [ aclaración necesaria ] que ganó el premio IChemE 2013 para la gestión y el suministro de agua (tratamiento de AMD) ha desarrollado un proceso de intercambio iónico patentado que trata los efluentes mineros (y AMD) de manera económica. [ cita requerida ]
Durante la década de 1980 se propusieron sistemas de humedales construidos para tratar el drenaje ácido de las minas generado por las minas de carbón abandonadas en los Apalaches orientales . [27] Generalmente, los humedales reciben agua casi neutra, después de que se haya neutralizado típicamente mediante un proceso de tratamiento a base de piedra caliza. [28] La precipitación de metales se produce a partir de su oxidación a un pH casi neutro, la formación de complejos con materia orgánica y la precipitación como carbonatos o sulfuros. Estos últimos son el resultado de bacterias anaeróbicas transportadas por sedimentos capaces de reducir los iones de sulfato a iones de sulfuro. Estos iones de sulfuro pueden luego unirse con iones de metales pesados, precipitando los metales pesados fuera de la solución y revirtiendo 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 que pueden manejar (ya sea de altos flujos o concentraciones de metales), aunque los profesionales actuales han tenido éxito en el desarrollo de humedales artificiales que tratan grandes volúmenes (ver descripción del humedal artificial de la mina Campbell ) y/o agua altamente ácida (con un pretratamiento adecuado). Por lo general, el efluente del humedal artificial que recibe agua casi neutra estará bien amortiguado a 6,5-7,0 y se puede descargar fácilmente. Algunos de los precipitados metálicos retenidos en los sedimentos se oxidan y removilizan fácilmente cuando se exponen al oxígeno atmosférico (por ejemplo, sulfuro de cobre o selenio elemental ), y es muy importante que los sedimentos del humedal permanezcan en gran parte y permanentemente sumergidos para mantenerlos insolubles e inmóviles. Las sequías prolongadas causadas por el calentamiento climático podrían comprometer el funcionamiento adecuado y la seguridad de algunos humedales artificiales si durante el período de verano extremadamente caluroso el suministro de agua disminuye y la evaporación se acelera, lo que hace que se sequen.
Un ejemplo de un humedal construido eficaz se encuentra en Afon Pelena, en el valle del río Afan, sobre Port Talbot , donde se han tratado con éxito los vertidos altamente ferruginosos de la mina Whitworth. [ cita requerida ]
La mayoría de los metales básicos en solución ácida precipitan en contacto con sulfuro libre, por ejemplo, de H2S o NaHS. La separación sólido-líquido después de la reacción produciría un efluente libre de metales básicos que se puede descargar o tratar más para reducir el sulfato, y un concentrado de sulfuro metálico con posible valor económico.
Como alternativa, varios investigadores han estudiado la precipitación de metales utilizando sulfuro biogénico. En este proceso, las bacterias reductoras de sulfato (SRB) 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. Aunque prometedor, este proceso ha tardado en adoptarse por diversas razones técnicas. [29]
Existen muchas tecnologías para el tratamiento de la DMAE. [30]
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 capacidad de reconstruir sus vías metabólicas. [31] Nuestro conocimiento de los acidófilos en el drenaje ácido de minas sigue siendo rudimentario: conocemos muchas más especies asociadas con ARD de las que podemos establecer roles y funciones. [32]
Recientemente, los científicos han comenzado a explorar los drenajes ácidos de las minas y los sitios de recuperación de minas en busca de bacterias únicas del suelo capaces de producir nuevos fármacos. Los microbios del suelo han sido durante mucho tiempo una fuente de medicamentos eficaces [33] y nuevas investigaciones, como las realizadas en el Centro de Investigación e Innovación Farmacéutica , sugieren que estos entornos extremos son una fuente sin explotar para nuevos descubrimientos. [34] [35]
Esta lista incluye tanto minas que producen drenaje ácido como sistemas fluviales afectados significativamente por dicho drenaje. No es en absoluto completa, ya que existen varios miles de sitios de este tipo en todo el mundo.
