Esquema ilustrativo de los procesos y factores clave del Modelo Geoquímico en la predicción y gestión del drenaje ácido de roca en la minería.
Publicado enGeometalurgia - PUCP

Sesión 4 – Modelo Geoquímico

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Drenaje Ácido de Roca y Tipos de Drenaje

Drenaje Ácido de Roca y Tipos de Drenaje Descubre los fundamentos del drenaje ácido de roca (DAR), sus causas naturales y antropogénicas, y cómo se diferencia del drenaje de sales (DS) y el drenaje neutro (DNM) en el ámbito de la geometalurgia y la minería. Explora los procesos de oxidación de sulfuros que desencadenan estos fenómenos y el papel crucial de las bacterias en la aceleración del DAR a diferentes niveles de pH.

Factores que Influyen en la Generación Ácida

Factores que Influyen en la Generación Ácida y su Predicción Comprende las condiciones esenciales para la formación del DAR, incluyendo la presencia de agua, oxígeno, hierro y bacterias, así como los factores que modulan su cinética, como el Eh-pH, la temperatura, el tamaño de grano del mineral y la composición del medio. Adéntrate en los métodos de predicción del DAR, tanto estáticos como dinámicos, incluyendo las valiosas pruebas ABA (ácido-base) que cuantifican el potencial de generación de ácido (AP) y la neutralización potencial (NP).

Planificación minera

Este documento esencial profundiza en la caracterización geoquímica necesaria para la planificación minera y el manejo de materiales, destacando la importancia del modelo geoquímico en la predicción y el monitoreo del drenaje. Aprende sobre las pruebas estáticas, como la evaluación del potencial neto de neutralización (NNP), y los ensayos cinéticos, como el Test de Celda Húmeda (TCH) y la lixiviación en columnas, que simulan las condiciones naturales para predecir la calidad del agua de drenaje y las necesidades de tratamiento. Descubre cómo se aplican estos conocimientos en minas a tajo abierto y subterráneas, así como en botaderos e instalaciones de almacenamiento de relaves.

Contenido Detallado:

1. Drenaje de Roca

  • Definición:
    • El drenaje ácido de roca (DAR) se caracteriza por un pH bajo (<5) y puede ocurrir de forma natural o por actividades humanas.
    • El drenaje de sales (DS) presenta un pH alto (>8).
    • El drenaje neutro (DNM) tiene un pH neutro.
    • La medición del drenaje se basa en la concentración de hidrógeno (H+).
  • Tipos de drenaje producido por la oxidación de sulfatos (Skousen and Ziemkiewics, 1996):
    • Drenaje Natural: Ocurre cuando los minerales están expuestos al ambiente por procesos naturales como la erosión o la escorrentía. Se investiga durante la elaboración de la Línea Base.
    • Drenaje Antropogénico: Se produce en áreas mineralizadas con agua de bajo pH y alta concentración de metales y sulfatos debido a actividades humanas que alteran la exposición al aire y al agua, catalizando la oxidación.

2. Drenaje Antropogénico y Proceso de Oxidación de los Sulfuros

  • La secuencia de oxidación de sulfuros implica la formación de hierro ferroso (Fe2+) en las etapas 1 y 2.
  • La etapa 3 produce hierro férrico (Fe3+), y la etapa 3A continúa la oxidación.
  • La etapa 4 ocurre bajo condiciones alcalinas.
  • Ecuaciones químicas de la oxidación de sulfuros:
    • Ecuación 1: 𝐹𝑒𝑆2 + 7/2 𝑂2 + 𝐻2𝑂 = 𝐹𝑒2+ + 2𝑆𝑂4 −2 + 2𝐻+
    • Ecuación 2: 𝐹𝑒𝑆2+1/4𝐹𝑒3 +8𝐻2𝑂 = 15𝐹𝑒2 + 2𝑆𝑂4 −2+16𝐻+
    • Ecuación 3: 𝐹𝑒2+ + 1/4𝑂2 + 𝐻+ = 𝐹𝑒3++ 1/2 𝐻2𝑂
    • Ecuación 3A: 𝐹𝑒3+ + 3 𝐻2𝑂 = 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3+ 3𝐻+
    • Ecuación 4: 𝐹𝑒2 + 14𝑂2 + 2/12 𝐻2𝑂 = 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3+ 2𝐻+

3. Acción de las Bacterias

  • A pH entre 3,5 y 4,5, la bacteria Metallogenium cataliza la oxidación del ion férrico.
  • A pH por debajo de 3,5, la bacteria Thiobacillus ferrooxidans cataliza la reacción.
  • Generalmente, a pH entre 2,3 y 3,5, el ion férrico precipita por hidrólisis como hidróxido de hierro (Fe(OH)3) (sólidos amarillos, naranjas o rojos), lo que provoca una disminución del pH.
  • Ecuación de la precipitación del hidróxido de hierro: Fe3+ + 3 H2O → Fe(OH)3 (sólido) + 3 H+

4. Condiciones Mínimas y Factores que Condicionan la Cinética del DAR

  • Condiciones mínimas para la formación del DAR:
    • Presencia suficiente de agua, oxígeno y hierro.
    • Presencia de cierto tipo de bacterias.
    • Tiempo.
  • Factores que condicionan la cinética del DAR:
    • Eh – pH.
    • Temperatura.
    • Cantidad y tamaño de los granos del mineral.
    • Contenido y presión parcial de oxígeno.
    • Composición y mineralogía del medio (actividad química del ion férrico).
    • Concentración de bacterias.
    • Contenido de nutrientes.
    • Contenido en tóxicos y grado de saturación del agua.
    • Área de la superficie expuesta de los sulfuros metálicos.
    • Energía de activación química requerida para iniciar la generación ácida.

5. Generación de DAR en Operaciones Mineras

  • Mina a Tajo Abierto: La formación de DAR ocurre al exponer los sulfuros en paredes y fracturas al oxígeno atmosférico. Se altera la calidad del agua superficial y subterránea a pesar de evitar áreas con alto contenido de DAR.
  • Mina Subterránea: La segregación del material durante la carga y descarga de camiones deja rocas con DAR de tamaño mediano o pequeño en la superficie, donde reaccionan químicamente.

6. Fuentes de DAR

  • Botaderos:
    • Acumulación de mineral (almacenamiento temporal).
    • Instalaciones de almacenamiento de desechos de relaves u otros procesos.
    • Almacenes de lixiviados.
  • Otros: Se genera el problema en diversas acumulaciones.

7. Pruebas ABA (Acido-Base)

  • La prueba ABA cuantifica:
    • Cantidad total de sulfuro, azufre sulfuro y concentraciones de sulfato presentes.
    • Generación de ácido potencial (AP) relacionada con la oxidación del azufre sulfuro.
    • La neutralización potencial (NP) de la muestra.

8. Métodos de Predicción de Drenaje Ácido de Roca

  • Métodos Estáticos: Evalúan la potencialidad de generar DAR. Se basan en el balance entre el potencial de generación ácida y la capacidad de neutralización ácida. Técnicas comunes incluyen la relación ácido/base, el ensayo de generación ácida neta (NAG) y la medida de conductividad (EC) y pH en medio saturado. El potencial de neutralización neta (NNP) mide la acidez o basicidad (NNP = NP – AP). Las unidades de NP, AP y NNP se expresan en toneladas de carbonato cálcico (CaCO3) por 1000 toneladas de material. La interpretación de resultados del NNP permite categorizar el potencial de generación de ácido (bajo/nulo, marginal, alto) según criterios específicos.
  • Métodos Dinámicos: Evalúan la cinética de generación y la composición del DAR. Pretenden reproducir en laboratorio las condiciones naturales de las reacciones de oxidación. Ayudan a confirmar resultados estáticos y estiman cuándo y cómo ocurrirá la generación ácida. Proporcionan información sobre el rango de oxidación del sulfuro mineral, la producción ácida y la calidad del agua de drenaje. Ejemplos incluyen el Test de Celda Húmeda (TCH) (regulado por la norma ASTM D5744-96) y la lixiviación en columnas (con métodos como ASTM E2242 y CEN/TS 14405).

9. Desagüe / Despresurización y Modelo Geoquímico

  • El agua subterránea es un factor importante en la mayoría de las minas.
  • Un programa de control de agua bien planificado añade valor al proyecto minero y contribuye a la seguridad.
  • El MODELO GEOQUÍMICO es crucial para el diseño y planeamiento de la mina.
  • Incluye la caracterización hidrogeológica, la evaluación de propiedades hidráulicas, el diseño de campos de pozos, la instalación de instrumentos de monitoreo, el análisis de datos, modelos predictivos, diseño de sistemas de desagüe y despresurización, recolección de agua residual, control de fugas y monitoreo a largo plazo.

10. Pruebas Estáticas (Detalle)

  • Se basan en el balance entre la generación ácida (oxidación de sulfuros) y la neutralización ácida (disolución de carbonatos).
  • El potencial neto de neutralización (NNP = NP – AP) es clave.
  • Criterios de interpretación basados en el NNP y la relación NP/PA para clasificar el potencial de generación de ácido.
  • Ejemplo de interpretación de resultados de relaves con NNP negativo indicando generación de acidez.
  • Ejemplo de resultados de pruebas ABA en relaves y suelos, concluyendo que las muestras de relaves presentan bajo a nulo potencial de generación de acidez, mientras que la muestra de suelo no presenta potencial por falta de azufre. Se observa que algunas muestras presentan potencial de acidez, siendo las de relaves de Vista Bella las de mayor potencial.
  • Diagrama para medir la generación ácido/base (Jambor, et al. 2000).

11. Ensayos Cinéticos (Detalle)

  • Simulan las condiciones naturales de oxidación en laboratorio.
  • Confirman resultados estáticos y estiman la temporalidad de la generación ácida.
  • Se realizan en grandes volúmenes y por períodos largos, informando sobre la oxidación del sulfuro y la calidad del agua de drenaje.
  • Test de Celda Húmeda (TCH): Estudio acelerado de degradación de matrices minerales potencialmente generadoras de ácido. Se realiza con muestra fragmentada en una celda, siguiendo ciclos de humectación y aireación. Se analizan pH, conductividad, potencial redox, aniones, alcalinidad y metales en los lixiviados.
  • Lixiviación en Columnas: Materiales en cilindros con riego superior o inundación, con ciclos húmedos y secos simulando condiciones climáticas. Se monitorizan continuamente los eluatos para conocer las variaciones iónicas. Se mencionan normas ASTM E2242 y CEN/TS 14405 para diferentes tipos de ensayos de lixiviación.
  • Resumen comparativo de métodos cinéticos, costes, ventajas e inconvenientes (Lapakko, 1993).
  • Ejemplo de Tajo Tintaya con botaderos.
  • Resultados de pruebas cinéticas.
  • Nomenclatura: Definición de PN, %S, PA, PNN.
  • Ejemplo de resultados con incertidumbre que requieren pruebas cinéticas.
  • Ejemplos de resultados de bocaminas.
  • Diagrama del Test de Celda Húmeda.
  • Formato de resultados de laboratorio.

Autor y Fecha de Publicación:

  • Docente: Abdel ARROYO AGUILAR
  • Fecha: 24-25 de junio de 2017

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