Drenaxe ácida de minas

A drenaxe ácida de minas ou, máis en xeral, drenaxe metalífera e ácida, ou drenaxe ácida de rochas é o fluxo de augas ácidas procedente de minas de metais ou de carbón ou de formacións naturais similares.
A drenaxe ácida de rochas prodúcese de forma natural en certos lugares como parte do proceso de meteorización das rochas, pero é exacerbado polos cambios a grande escala no terreo característicos da minaría e outras grandes construcións, xeralmente cando afectan a rochas que conteñen abondosos sulfuros minerais. Nas áreas onde a terra foi alterada (por exemplo, lugares onde se fixeron construcións ou estradas) poden orixinarse drenaxes ácidas de rochas. En moitas localidades, o líquido que se drena dos lugares de almacenamento de carbón, instalacións para o tratamento do carbón, lavados de carbón, e residuos de carbón pode ser moi ácido, e en tales casos considérase tamén drenaxe ácida de rochas.
O mesmo tipo de reaccións químicas e procesos poden ocorrer por medio de alteracións de solos sulfatados ácidos formados en condicións costeiras ou de estuario. Nomenclatura
Historicamente, as descargas ácidas procedentes de minas activas ou abandonadas foron denominados drenaxe ácida de minas. O termo drenaxe ácida de rochas foi introducido nas décadas de 1980 e 1990 para indicar que a drenaxe ácida pode orixinarse doutras fontes distintas das minas. Por exemplo, un documento presentado en 1991 nunha importante conferencia internacional sobre este asunto titulábase: "A predición da drenaxe ácida de rochas. Léccións a partir da base de datos" (The Prediction of Acid Rock Drainage - Lessons from the Database) Tanto a drenaxe ácida de minas coma a de rochas refírense a augas ácidas (de baixo pH) causadas pola oxidación de dulfuros minerais, aínda que drenaxe ácida de rochas é un termo máis xenérico.
Nos casos nos que as drenaxes procedentes dunha mina non son ácidas e levan metais ou metaloides disolvidos, ou eran orixinalmente ácidas, pero foron neutralizadas durante o traxecto seguido polo fluxo, entón denomínanse "drenaxes neutras de minas", "auga influenciada pola minaría" ou doutros modos. Ningún destes nomes acadou unha aceptación xeral. Distribución
A minaría subsuperficial a miúdo progresa por debaixo de táboas de auga, polo que hai que estar bombeando decote auga fóra da mina para que esta non se aolague. Cando se abandona unha mina, déixase de bombear, e a mina inúndase. Esta introdución de auga é o paso inicial na maior parte das situacións en que se produce drenaxe ácida das rochas. Moreas de residuos mineiros de barro, terra e rochas ou balsas de verteduras, e residuos de carbón son tamén unha importante fonte de drenaxe ácida de minas.
Unha vez que se expoñen ao aire e auga os sulfuros de metais (xeralmente pirita, que é un sulfuro de ferro) que se encontran nas rochas circundantes e nas que están sobre a veta, a súa oxidación xera acidez. As colonias de bacterias e arqueas aceleran moito a descomposición de compostos con ións metálicos, aínda que as reaccións tamén ocorren en ambientes abióticos. Estes microbios, chamados extremófilos pola súa capacidade de sobrevivir en duras condicións, viven de forma natural nas rochas, pero a limitación de auga e oxíxeno xeralmente fai que non proliferen en gran número. Os extremófilos especiais chamados acidófilos aprovéitanse especialmente dos baixos pHs das minas abandonadas. En especial, Acidithiobacillus ferrooxidans contribúe de forma clave á oxidación das piritas.
As minas metálicas poden xerar descargas moi ácidas cando o mineral é un sulfuro ou está asociado coa pirita. Nestes casos o ión metálico predominante pode non ser o ferro senón o cinc, cobre, ou níquel. O mineral de cobre máis explotado, a calcopirita, é un sulfuro de ferro e cobre e aparece xunto con outros sulfuros minerais. Deste xeito, as minas de cobre son con frecuencia as principais culpables das drenaxes ácidas de minas.
Nalgunhas minas, a drenaxe ácida detéctase entre 2 e 5 anos despois de que empece a actividade meneira, pero noutras tarda moito máis tempo. Ademais, as drenaxes ácidas poden seguir producíndose durante décadas ou séculos despois de que se detectaron por primeira vez, o que pode ser un problema ambiental a longo prazo. Química
A química da oxidación das piritas, a produción de ións ferrosos e despois fériicos, é moi complexa, e esta complexidade dificulta considerablemente o deseño de opcións de tratamento efectivo das drenaxes.
Aínda que hai moitos procesos químicos contribúen á drenaxe ácida de minas, a oxidación das piritas é con diferenza o principal contribuínte. A ecuación xeral deste proceso é: 2FeS2(s) + 7O2(g) + 2H2O(l) 2Fe2+(aq) + 4SO42−(aq) + 4H+(aq)
A oxidación de sulfuro a sulfato solubiliza o ferro ferroso (ferro(II)), o cal é posteriormente oxidado a ión fériico (Fe(III)): 4Fe2+(aq) + O2(g) + 4H+(aq) 4Fe3+(aq) + 2H2O(l)
Ambas as reaccións poden ocorrer espontaneamente ou poden ser catalizados por microorganismos que obteñen enerxía da reacción de oxidación. Os catións férricos producidos poden tamén oxidar máis pirita e producir ións ferrosos: FeS2(s) + 14Fe3+(aq) + 8H2O(l) 15Fe2+(aq) + 2SO42−(aq) + 16H+(aq)
O efecto neto destas reaccións é liberar H+, o cal fai diminuír o pH e manter a solubilidade do ión férrico.
Papel dos microorganismos
Varias especies de bacterias e arqueas acidófilas que viven nas minas son responsables de catalizar parte das reaccións que orixinan as drenaxes ácidas. A oxidación dos sulfuros metálicos é moito máis lenta se non están presentes microorganismos como, por exemplo, Acidithiobacillus ferrooxidans (sinónimo Thiobacillus ferrooxidans); esta bacteria xera ferro férrico, que é un potente oxidante das piritas. Outras bacterias implicadas na drenaxe ácida de minas son Leptospirillum ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans e Sulfobacillus thermosulfidooxidans. Tamén son importantes as arqueas da familia Ferroplasmaceae (como Ferroplasma acidiphilum, que oxida o ión ferroso), e as diminutas arqueas ARMAN, atopadas na mina de Iron Mountain en California e despois noutras partes do mundo. Prodúcense asociacións e sinerxías entre a comunidade de microorganismos das minas. Efectos
Efectos sobre o pH
Nalgúns sistemas de drenaxes ácidas de minas as temperaturas chegan aos 47 °C, e o pH pode baixar ata -3, 6 (os pH negativos son posibles en certas condicións).
Os microorganismos que poden contribuír a causar drenaxe ácida de minas poden prosperar en augas con pHs próximos a cero. Os pH negativos poden producirse cando a auga evapora en lagoas xa ácidas, o que incrementa aínda máis a concentración de H+.
Por exemplo, aproximadamente a metade das descargas de minas de carbón en Pensilvania teñen un pH por debaixo de 5. Porén, unha porción significativa da drenaxe de minas nas rexións produtoras de carbón de Pensilvania tanto de carbón bituminoso coma de antracita é alcalina, porque a rocha calcaria das capas que cobren as vetas de carbón neutraliza os ácidos antes de que emane a drenaxe.
Precipitados amarelos
Cando o pH da drenaxe ácida de minas se eleva por riba de 3, polo contacto con auga doce ou con minerais neutralizantes, o Fe(III) previamente disolvido precipita como hidróxido de ferro(III), que é un sólido de cor amarela-laranxa. Son posibles outros tipos de precipitados de ferro, como óxidos de ferro e oxihidróxidos. Todos estes precipitados poden cambiar a cor da auga e afectar ás plantas e animais, alterando o ecosistema do regato. O proceso tamén produce ións hidróxeno adicionais, os cales poden incrementar máis a acidez do pH. Nalgúns casos, as concentracións de hidróxidos de ferro nos precipitados son tan altas, que os precipitados poden recollerse para o seu uso comercial en pigmentos.
Contaminación por metais traza e semimetais
Moitas descargas ácidas de rochas tamén conteñen elevados niveis de metais potencialmente tóxicos, especialmente níquel e cobre e baixos niveis de ións de metais traza e semimetais como chumbo, arsénico, aluminio, e manganeso. Os niveis elevados de metais pesados poden ser disoltos só en augas que teñan baixos pHs, como as que se atopan nas augas ácidas producidas pola oxidación de piritas. Identificación e predición
Nas explotacións mineiras é unha práctica común levar a cabo unha avaliación xeoquímica dos materiais da mina durante as primeiras etapas dun proxecto para determinar o potencial de produción de drenaxes ácidas. A avaliación xeoquímica pretende mapar a distribución e variabilidade de parámetros xeoquímicos clave, e características que xeran ácidos e lixiviado de elementos.
Esta avaliación pode incluír: Toma de mostras.
Probas xeoquímicas estáticas, como por exemplo, recontos ácido-base, especiación de sulfuros.
Probas xeoquímica cinéticas: probas de consumo de oxíxeno, como o OxCon, para cuantificar a taxa de xeración de acidez.
Modelos da oxidación, xeración e liberación de contaminantes.
Modelos da composición de materiais. Métodos de tratamento
Neutralización con cal
Con gran diferenza o método máis comunmente usado nos procesos comerciais para tratar a drenaxe ácida de minas é o proceso de precipitación con cal en lodos de alta densidade. Nesta aplicación, dispérsase unha preparación de cal nun tanque que contén a drenaxe ácida de minas e lodo reciclado para incrementar o pH da auga a 9. A ese pH, a maior parte dos metais tóxicos fanse insolubles e precipitan, axudados pola presenza dos lodos reciclados. Opcionalmente, pode introducirse aire no tanque para oxidar o ferro e o manganeso e facilitar a súa precipitación. O líquido resultante diríxese a unha cuba de sedimentación. Na cuba, a auga limpa superior faise fluír fóra do recipiente, mentres que os precipitados de metal sedimentados (lodos) serán reciclados cara ao tanque de tratamento das drenaxes ácidas de minas. Existen diversas variantes deste proceso, dependendo da natureza química que teñan as drenaxes, o seu volume e outros factores. Xeralmente, os produtos do proceso realizado en lodos de alta densidade tamén conteñen xeso e cal que non reaccionou, o que favorece a súa sedimentabilidade e resistencia a reacidificacións ou mobilizacións dos metais.
Variantes menos complexas deste proceso, como unha neutralización simple con cal, poden precisar só un depósito para o cal, un tanque de mestura e un estanque de sedimentación. Estes sistemas son moito menos custosos, pero tamén menos eficaces (por exemplo, cómpren tempos de reacción máis longos, e producen unha descarga con concentracións de metais traza máis altas, se estes estaban presentes). Pero poden ser procedementos axeitados se os fluxos a tratar son relativamente pequenos ou con drenaxes ácidas de minas pouco complexas.
Neutralización con silicato de calcio
Pode utilizarse tamén silicato de calcio, feito a patir de escoura de aceiro procesado, para neutralizar a acidez activa en sistemas de drenaxe ácida de minas, que elimina os ións hidróxeno libres da masa da solución, e deste xeito incrementa o pH. Como os anións silicato capturan H+ (elevando o pH), fórmase ácido monosilícico (H4SiO4), un soluto neutro. O ácido mososilícico permanece na masa da solución e intervén na corrección de moitos efectos adversos das condicións ácidas. Na solución masiva, o anión silicato é moi activo na neutralización do H+ na solución do solo. Aínda que o seu modo de acción é moi distinto do utilizado polas calcarias (ver neutralización por carbonatos máis abaixo), a capacidade do silicato de calcio de neutralizar as solucións ácidas é equivalente ao da calcaria como se pon en evidencia polo seu valor CCE do 90-100% e o seu valor neutrralizante relativo do 98%.
En presenza de metais pesados, o silicato de calcio reacciona de diferente maneira que as calcarias. Como as calcarias elevan o pH da solución masiva, se están presentes metais pesados a precipitación de hidróxidos metálicos (de solubilidade extremadamente baixa) é normalmente acelerada e a potencialidade de formación de cubertas (armoring) nas partículas calcarias increméntase significativamente. No agregado de silicato de calcio, absórbense especies de ácido silícico na superficie do metal, o desenvolvemento de capas de sílice (mono- e bicapas) dá lugar á formación de complexos coloidais con cargas superficiais neutras ou negativas. Estes coloides cargados negativamente crean unha repulsión electrostática entre eles (e cos gránulos de silicato de calcio cargados negativamente) e os coloides de metal secuestrado están estabilizados e permanecen en estado disperso, o que interrompe a precipitación dos metais e reduce a vulnerabilidade do material a que se formen cubertas.
Neutralización por carbonato
Xeralmente, as calcarias ou outros estratos de rochas calcarias que poderían neutralizar os ácidos están ausentes ou son escasos nos sitios onde se produce drenaxe ácida de rochas. Poden introducirse pequenos fragmentos de calcarias neses sitios para crear un efecto neutralizante. Onde se utilizaou a calcaria, como en Cwm Rheidol en Gales, o impacto positivo foi moito menor que o esperado debido á formación dunha capa de sulfato de calcio insoluble sobre os fragmentos de calcaria, uníndose ao material e impedindo unha ulterior neutralización.
Intercambio de ións
Os procesos de intercambio de catións foron investigados como un posible tratamento para as drenaxes ácidas de minas. O principio é que unha resina intercambiadora de ións pode eliminar metais potencialmente tóxicos (resinas catiónicas), ou cloruros, sulfatos e complexos uranil sulfato (resinas aniónicas) dunha auga procedente de minas. Unha vez que os contaminantes son adsorbidos, os sitios de intercambio nas resinas deben rexenerarse, para o cal se necesita xeralmente reactivos ácidos e básicos, e xera unha salmoira que contén os contaminantes en forma concentrada. Unha compañía surafricana que gañou o premio IChemE de 2013 () para o tratamento e subministración de auga (tratando drenaxes ácidas de minas) desenvolveu un proceso de intercambio iónico patentado que trata os efluentes das minas (e as drenaxes ácidas) de forma barata.
Tratamento do sodio
Un novo método de tratamento para reducir o contido de sodio en augas que conteñan unha gran cantidade de ións sodio disolvidos, de polo menos 100 ppm utiliza resinas intercambiadoras. Exemplos desas augas son os efluentes das drenaxes ácidas de minas e augas fluviais. O método inclúe os seguintes pasos: (i) eliminar os ións sodio, calcio e magnesio da auga pasando a auga por unha resina intercambiadora de catións onde os catións quedan capturados, (ii) tratar as resinas de intercambio de catións do paso anterior con ácido nítrico para producir un eluente que conteña os ións metálicos e ións nitrato e ácido nítrico, (iii) engadir un carbonato ao eluente para precipitar os ións calcio e magnesio en forma de carbonatos de calcio e magnesio; (iv) separar os carbonatos precipitados do eluente; e (v) tratar o eluente do paso (iv) para obter un produto de nitrato de sodio e/ou potasio.
Construción de zonas húmidas
Os sistemas de zonas húmidas construídas propuxéronse na década de 1980 para tratar as drenaxes ácidas de minas xeradas por minas de carbón abandonadas no leste dos Apalaches. Xeralmente, as zonas húmidas reciben auga case neutra, despois de que foi neutralizada normalmente con procesos baseados nas calcarias. A precipitación de metais ocorre pola súa oxidación a pH case neutro, formación de complexos con materia orgánica, precipitación como carbonatos ou sulfuros. Nisto último interveñen bacterias anaeróbicas traídas nos sedimentos.
Esta solución de construción de zonas húmidas é de custo relativamente baixo, pero está limitada pola carga metálica que teña que tratar e a acidez da auga (que debe ser previamente tratada ata que teña pH 6, 5-7. 0). Os sedimentos metálicos deberían permanecer permanentemente mergullados para que non reaccionen co oxíxeno. Un exemplo no que se construíron estas zonas húmidas é no val do río Afan en Port Talbot (Gales) para tratar as descargas feruxinosas de minas.
Precipitación de sulfuros metálicos
A maioría dos metais en solución ácida precipitan en contacto con sulfuro libre, por exemplo, a partir de H2S ou NaHS. A separación líqido-sólido despois da reacción produciría un efluente libre de metais que pode ser descargado ou tratado posteriormente para reducir o sulfato, e un sulfuro metálico concentrado cun posible valor económico.
Como alternativa, varios científicos investigaron a precipitación dos metais utilizando sulfuro bioxénico. Neste proceso, as bacterias redutoras de sulfato oxidan materia orgánica utilizando sulfato, en vez de oxíxeno. Os seus produtos metabólicos inclúen o bicarbonato, o cal pode neutralizar a acidez da auga, e o sulfuro de hidróxeno, que forma precipitados moi insolubles con moitos metais tóxicos. Aínda que este proceso é prometedor, está tardando en adoptarse por diversas razóns técnicas. Estudos metaxenómicos
Cos avances nos métodos de secuenciación do ADN a grande escala, os xenomas dos microorganismos que viven nas comunidades das drenaxes ácidas de minas ou rochas poden ser directamente secuenciados de mostras tomadas do seu ambiente. Con estes estudos metaxenómicos os xenomas case completos obtidos permiten ter unha nova comprensión da comunidade e reconstruír as súas vías metabólicas. Aínda así, o coñecemento dos acidófilos en drenaxes ácidas de minas segue sendo rudimentario, xa que se coñecen moitas especies asociadas coas drenaxes ácidas de rochas, pero só a unha porción delas se lle puideron atopar as súas funcións.