El drenaje ácido de mina , drenaje ácido y metalífero ( AMD ), o drenaje ácido de roca ( ARD ), es la salida de agua ácida de las minas metálicas y de carbón .
El drenaje ácido de rocas ocurre naturalmente en algunos ambientes como parte del proceso de erosión de las rocas, pero se ve exacerbado por perturbaciones terrestres a gran escala características de la minería y otras grandes actividades de construcción, generalmente dentro de rocas que contienen abundantes minerales de sulfuro . Las áreas donde la tierra ha sido removida (por ejemplo, sitios de construcción o construcción de carreteras ) pueden crear drenaje ácido de roca. En muchas localidades, el líquido que 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 suele contener metales altamente tóxicos, como cobre o hierro. Estos, combinados con un pH reducido, tienen un impacto perjudicial en los ambientes 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 .
Históricamente, las descargas ácidas de minas activas o abandonadas se denominaban drenaje ácido de mina o DMA. El término drenaje ácido de roca, o ARD, se introdujo en las décadas de 1980 y 1990 para indicar que el drenaje ácido puede originarse en fuentes distintas a las minas. [1] Por ejemplo, un artículo presentado en 1991 en una importante conferencia internacional sobre este tema se tituló: "La predicción del drenaje ácido de rocas: lecciones de la base de datos". [2] Tanto AMD como ARD se refieren a aguas ácidas o de pH bajo causadas por la oxidación de minerales de sulfuro , aunque ARD es el nombre más genérico.
En los casos en los que el drenaje de una mina no es ácido y tiene metales o metaloides disueltos , o originalmente era ácido, pero ha sido neutralizado a lo largo de su trayectoria de flujo, entonces se describe como "drenaje neutro de mina", [3] "agua influenciada por la minería". " [4] o de otro modo. Ninguno de estos otros nombres ha ganado aceptación general.
La minería subterránea a menudo avanza por debajo del nivel freático , por lo que es necesario bombear agua constantemente fuera de la mina para evitar inundaciones. Cuando se abandona una mina, el bombeo cesa y el agua inunda la mina. Esta introducción de agua es el paso inicial en la mayoría de situaciones de drenaje ácido de rocas. Las pilas o estanques de relaves, los vertederos de rocas de desecho de minas [3] y los desechos de carbón también son una fuente importante de drenaje ácido de mina.
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 difíciles, 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 bajos niveles de pH de las minas abandonadas. En particular, Acidithiobacillus ferrooxidans es un contribuyente clave a la oxidación de 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 el hierro sino el zinc , el cobre o el 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 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 extracción, mientras que en otras minas no se detecta hasta después de varias décadas. [ cita necesaria ] Además, el drenaje ácido puede generarse durante décadas o siglos después de su detección por primera vez. Por esta razón, el drenaje ácido de mina se considera un problema ambiental grave a largo plazo asociado con la minería. [ cita necesaria ]
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. [6]
Aunque una serie de procesos químicos contribuyen al drenaje ácido de las minas, la oxidación de 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 reducirla 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 las minas pueden prosperar en aguas con un pH muy cercano a cero. El pH negativo [11] ocurre cuando el agua se evapora de piscinas ya ácidas, aumentando así la concentración de iones de hidrógeno.
Aproximadamente la mitad de las descargas de las minas de carbón en Pensilvania tienen un pH inferior a 5. [12] Sin embargo, una parte del drenaje de la mina tanto en las regiones bituminosas como en las de antracita de Pensilvania es alcalina, porque la piedra caliza en la sobrecarga neutraliza el ácido antes de que emane el drenaje. [ cita necesaria ]
Cuando el pH del drenaje ácido de la mina se eleva a más de 3, ya sea a través del contacto con agua dulce o minerales neutralizantes , los iones de hierro (III) previamente solubles precipitan como hidróxido de hierro (III) , un sólido de color amarillo anaranjado conocido coloquialmente como chico amarillo . [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, perturbando los ecosistemas fluviales (un delito específico según la Ley de Pesca de Canadá). El proceso también produce iones de hidrógeno adicionales, que pueden disminuir aún más el pH. En algunos casos, las concentraciones de hidróxidos de hierro en el chico amarillo son tan altas que el precipitado se puede recuperar para uso comercial en pigmentos. [14]
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 semimetálicos como plomo , arsénico , aluminio y manganeso . Los niveles elevados de metales pesados sólo pueden disolverse en aguas que tengan un pH bajo, como se encuentra en las aguas ácidas producidas por la oxidación de la pirita. En el cinturón carbonífero que rodea los valles del sur de Gales, en el Reino Unido , los vertidos altamente ácidos y ricos en níquel procedentes de los lugares de almacenamiento de carbón han demostrado ser especialmente problemáticos. [ cita necesaria ]
El drenaje ácido de las 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 las 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 sólo en ciertos niveles de contaminación, mientras que otras especies se pueden encontrar en una amplia gama. [dieciséis]
En un entorno minero, una práctica líder es llevar a cabo 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 parámetros geoquímicos clave, generación de ácido y 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 tales casos, la Agencia de Medio Ambiente y Recursos Naturales de Gales, en colaboración con socios como la Autoridad del Carbón, han proporcionado algunas soluciones innovadoras, incluidas soluciones de humedales artificiales , como en el río Pelenna en el valle del río Afan cerca de Port Talbot y el humedal artificial junto a el río Neath en Ynysarwed.
Aunque las minas subterráneas abandonadas producen la mayor parte del drenaje ácido de la mina, algunas minas de superficie recientemente extraídas y recuperadas han producido ARD y han degradado los recursos locales de agua subterránea y superficial. El agua ácida producida en las minas activas debe neutralizarse para alcanzar un pH de 6 a 9 antes de que se permita su descarga desde el sitio de 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 derivada del drenaje ácido de rocas oscila entre 2.000 y 5.000 millones de dólares canadienses. [19] Durante un período de ocho años, MEND afirma haber reducido la responsabilidad de ARD en hasta 400 millones de dólares canadienses, a partir de una inversión de 17,5 millones de dólares canadienses. [20]
Con diferencia, el proceso comercial más comúnmente utilizado para tratar el 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, ayudado por la presencia de lodo reciclado. Opcionalmente, en este depósito se podrá introducir aire para oxidar el hierro y el manganeso y favorecer 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 reciclarán al tanque de tratamiento de drenaje ácido de la mina, con una corriente lateral de desperdicio de lodos. Existen varias variaciones de este proceso, según lo dicta la química de ARD, su volumen y otros factores. [21] 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 es:
o más precisamente en solución acuosa :
Las variantes menos complejas de este proceso, como la simple neutralización con cal, pueden implicar únicamente 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 prolongados y producen una descarga con concentraciones más altas de trazas de metales, si están presentes). Serían adecuados para flujos relativamente pequeños o drenaje ácido de mina menos complejo. [22]
También se puede utilizar una materia prima de silicato de calcio , hecha de escoria de acero procesada , para neutralizar la acidez activa en sistemas AMD eliminando los iones de hidrógeno libres de la solución a granel, aumentando así el pH. A medida que el anión silicato captura iones H + (aumentando 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 silicato es muy activo para neutralizar los cationes H + en la solución del suelo. [23] 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 de la piedra caliza, como lo demuestra su valor CCE de 90-100% y su valor neutralizante relativo de 98%. [24]
En presencia de metales pesados, el silicato de calcio reacciona de manera diferente que la piedra caliza. A medida que la piedra caliza aumenta el pH de la solución en masa, y si hay metales pesados presentes, la precipitación de los hidróxidos metálicos (con solubilidades extremadamente bajas) normalmente se acelera y el potencial de formación de armadura de las partículas de piedra caliza aumenta significativamente. [25] 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 (mono 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, interrumpiendo efectivamente la precipitación del metal y reduciendo la vulnerabilidad del material al blindaje. [23]
Generalmente, la piedra caliza u otros estratos calcáreos que podrían neutralizar el ácido faltan o son deficientes en los sitios que producen drenaje de roca ácida. Se pueden introducir virutas de piedra caliza en los sitios para crear un efecto neutralizante. 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, que une el material y evita una mayor neutralización.
Los procesos de intercambio catiónico han sido investigados previamente como un tratamiento potencial para el drenaje ácido de minas. El principio es que una resina de intercambio iónico puede eliminar metales potencialmente tóxicos (resinas catiónicas) o cloruros, sulfatos y complejos de sulfato de uranilo (resinas aniónicas) del agua de mina . [26] Una vez que los contaminantes se adsorben, los sitios de intercambio en las resinas deben regenerarse, lo que generalmente requiere reactivos ácidos y básicos y genera una salmuera que contiene los contaminantes en forma concentrada. Una empresa sudafricana que ganó el premio IChemE (ww.icheme.org) de 2013 por la gestión y el suministro de agua (tratamiento de AMD) ha desarrollado un proceso patentado de intercambio iónico que trata los efluentes mineros (y AMD) de forma económica.
Durante la década de 1980 se propusieron sistemas de humedales artificiales 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 haber sido neutralizada mediante (típicamente) un proceso de tratamiento a base de piedra caliza. [28] La precipitación de metales se produce por su oxidación a pH casi neutro, complejación con materia orgánica, precipitación como carbonatos o sulfuros. Este último resulta de bacterias anaeróbicas transmitidas por sedimentos capaces de revertir iones sulfato en iones sulfuro. Estos iones de sulfuro pueden luego unirse con iones de metales pesados, precipitando los metales pesados de la solución e invirtiendo efectivamente todo el proceso. [ cita necesaria ]
El atractivo de una solución para 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 logrado desarrollar humedales artificiales que tratan grandes volúmenes (ver descripción del humedal artificial de la mina Campbell ) y/o agua altamente ácida ( con un tratamiento previo adecuado). Normalmente, el efluente de los humedales artificiales que reciben agua casi neutra estará bien amortiguado entre 6,5 y 7,0 y podrá descargarse fácilmente. Algunos de los precipitados metálicos retenidos en los sedimentos son inestables cuando se exponen al oxígeno (por ejemplo, sulfuro de cobre o selenio elemental), y es muy importante que los sedimentos del humedal permanezcan sumergidos en gran medida o permanentemente.
Un ejemplo de humedal artificial eficaz es el de Afon Pelena , en el valle del río Afan, sobre Port Talbot , donde se han tratado con éxito vertidos altamente ferruginosos de la mina Whitworth.
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 descargarse o tratarse 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 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 de la comunidad del drenaje ácido de las minas se secuencian directamente del medio ambiente. Las construcciones genómicas casi completas permiten una nueva comprensión de la comunidad y pueden reconstruir sus rutas metabólicas. [31] Nuestro conocimiento sobre 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. [32]
Recientemente, los científicos han comenzado a explorar sitios de drenaje ácido de minas y sitios de recuperación de minas en busca de bacterias únicas del suelo capaces de producir nuevas pistas farmacéuticas. Los microbios del suelo han sido durante mucho tiempo una fuente de medicamentos eficaces [33] y nuevas investigaciones, como la realizada 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 las minas que producen drenaje ácido como los sistemas fluviales significativamente afectados por dicho drenaje. De ninguna manera está completo, ya que en todo el mundo existen varios miles de sitios de este tipo.
