guia 05 - prueba estática de predicción de drenaje Ácido

------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Laboratorio No.5 de Minera y Medio Ambiente

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Laboratorio No. 5 Prueba esttica de prediccin de drenaje cido de mina

I Objetivos

Determinar el potencial de generacin de cido y el potencial de neutralizacin de una

muestra de desmonte.

II Introduccin

El fenmeno de drenaje cido proveniente de minerales sulfurosos es un proceso que ocurre en forma natural. Hace cientos de aos, se descubrieron muchos yacimientos minerales por la presencia de agua de drenaje rojiza, indicando la presencia de minerales sulfurosos. Sin embargo, hace slo alrededor de 20 aos, se desarroll una preocupacin ambiental asociada con esta agua cida, rica en metales disueltos, as como el trmino "drenaje cido de mina" o DAM. No obstante, el drenaje cido no ocurre nicamente en las minas, por lo que el trmino "drenaje cido de roca" o DAR tambin es usado comnmente.

Cualquiera sea el trmino empleado -DAM o DAR- el drenaje cido se refiere a: drenaje contaminado que resulta de la oxidacin de minerales sulfurados y lixiviacin de metales asociados, provenientes de las rocas sulfurosas cuando son expuestas al aire y al agua. El desarrollo del DAR es un proceso dependiente del tiempo y que involucra procesos de oxidacin tanto qumica como biolgica y fenmenos fsico-qumicos asociados, incluyendo la precipitacin y el encapsulamiento.

Como en la mayora de pases, no todas las minas en el Per producen cido. Existen tres factores principales que tienden a contribuir al potencial de generacin de cido y a la calidad del drenaje de las minas en el Per:

la compleja configuracin geolgica, principalmente, en lo referente a vetas; la variada mineraloga con potencial para contribuir con diferentes contaminantes en

el tiempo, y en diferentes lugares; la asociacin del mineral con la pirita como el principal mineral sulfurado.

Con respecto al drenaje cido de mina en el Per, la preocupacin fundamental es debida a los niveles elevados de acidez, sulfato, niveles de hierro y cobre y la lixiviacin de otros metales asociados con el mineral sulfuroso. La preocupacin ambiental con respecto al DAM, generalmente, es el impacto adverso de los contaminantes, particularmente los metales disueltos, en la vida acutica del medio receptor y en la calidad del agua para beber.

La generacin de cido es originada por la oxidacin de los minerales sulfurosos cuando son expuestos al aire y agua, lo cual da por resultado la produccin de acidez, sulfatos y la disolucin de metales. No todos los minerales sulfurosos son igualmente reactivos, ni la acidez se produce en igual proporcin. Adems, no todos los minerales sulfurosos o rocas con contenido de sulfuro son potencialmente generadores de cido. La tendencia de una muestra particular de roca a generar acidez neta es una funcin del balance entre los


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minerales (sulfurosos) productores potenciales de cido y los minerales (alcalinos) consumidores potenciales de cido.

Qumica de Reacciones

La generacin y el consumo de cido son el resultado de una serie de reacciones qumicas complejas e interrelacionadas. Los factores que controlan la velocidad y la magnitud de la generacin de cido, y la consiguiente calidad del agua de drenaje, slo han sido estudiados en detalle durante los ltimos 20 aos. La comprensin de estos factores, as como de los procesos qumicos y de los reactantes involucrados, constituyen la clave para la prediccin del potencial de generacin de cido en una muestra de roca; del mismo modo, es fundamental para identificar la tecnologa apropiada, que sirva para prevenir o controlar la generacin de drenaje cido.

Los componentes principales para la generacin de cido son:

minerales sulfurosos reactivos; agua o atmsfera hmeda; y un oxidante, especialmente el oxgeno de la atmsfera o de fuentes qumicas.

La velocidad y la magnitud de la generacin de cido son afectadas por los siguientes factores secundarios:

bacterias (Thiobacillus ferrooxidans) pH temperatura

Las reacciones de generacin de cido se expresan generalmente como la oxidacin de la pirita, uno de los minerales sulfurosos ms comunes. Inicialmente, los sulfuros reaccionan con el oxgeno y el agua para formar sulfato (SO42-), hierro ferroso (Fe2+) e iones de hidrgeno (H+). Esta reaccin total de generacin de cido, en la que se muestra la pirita siendo oxidada por el oxgeno, puede representarse por la siguiente ecuacin:

FeS2 + 7/2 O2 + H2O ---> Fe2+ + 2 SO42- + 2H+ (2.1)

Posteriormente, el hierro ferroso reacciona con el oxgeno para formar hierro frrico:

Fe2+ + O2 + H+ ---> Fe3+ + H2O (2.2)

Dependiendo del pH en el ambiente alrededor del sitio de oxidacin, el hierro frrico puede luego precipitarse en la forma de hidrxido (Ecuacin 2.3), o puede, a su vez, ser utilizado como oxidante (Ecuacin 2.4). A niveles de pH por encima de 3.5, el hierro frrico (Fe3+) tiende a precipitarse como hidrxido frrico. Esto forma el precipitado rojo que se observa en la mayora de minas que generan cido. Durante esta reaccin, se liberan iones de hidrgeno adicionales.

Fe+3 + 3 H2O ---> Fe(OH)3 + 3 H+ (2.3)


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A medida que se desarrolla la generacin de cido y se consume la alcalinidad disponible, el hierro frrico, a su vez, sirve como oxidante y puede promover la oxidacin qumica de los minerales sulfurosos. En el caso de la pirita, la reaccin que ocurre es la siguiente:

FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O ---> 15 Fe2+ + 16H+ + 2 SO42- (2.4)

La oxidacin qumica de la pirita (Ecuacin 2.1) es una reaccin relativamente rpida a valores de pH mayores que 4.5, pero mucho ms lenta a niveles de pH ms cidos. La velocidad del suministro de oxgeno es el elemento que controla principalmente la velocidad de la oxidacin qumica. A niveles de pH inferiores a 4.5, la oxidacin por el hierro frrico se convierte en el proceso de oxidacin dominante. La velocidad de produccin de hierro frrico, a partir del ferroso (Ecuacin 2.2), se convierte en la etapa controlante del proceso total de oxidacin. Sin embargo, por catlisis biolgica, esta reaccin es relativamente rpida.

Por lo general, se reconoce que ciertas bacterias pueden acelerar la velocidad con la cual ocurren algunas de las reacciones anteriormente indicadas, incrementando con ello la velocidad de generacin de cido. La bacteria Thiobacillus ferrooxidans es capaz de oxidar compuestos de azufre reducidos, as como oxidar el hierro ferroso en frrico (que entonces puede actuar como oxidante). Otras bacterias conocidas como participantes o acelerantes de la oxidacin de los minerales sulfurosos son: Thiobacillus thiooxidans y Sulfolobus. La velocidad con la cual ocurre la oxidacin bacteriana depende de los siguientes parmetros:

pH temperatura disponibilidad de oxgeno disponibilidad de dixido de carbono (fuente de carbono para la reproduccin de las

clulas) nutrientes (Nitrgeno, Fsforo) rea superficial del mineral sulfuroso expuesto

En general, las velocidades de oxidacin se aceleran con un incremento de temperatura. Como regla emprica, las velocidades de reaccin pueden duplicarse por cada 10oC de aumento de temperatura. El proceso de oxidacin del sulfuro es exotrmico, genera calor y aumenta la temperatura en el sitio de la reaccin. Se han registrado temperaturas superiores a los 50oC en pilas de desmonte en oxidacin, ubicadas en regiones cuya temperatura de aire ambiental es menor a 5oC.

Por tanto, la oxidacin continua puede crear condiciones ideales para el crecimiento de las bacterias oxidantes. La produccin de H+ y la consiguiente disminucin del pH, hasta un nivel adecuado para las bacterias que oxidan el sulfato y el hierro, la produccin de hierro frrico y el aumento de temperatura debido al proceso de oxidacin exotrmico, dan por resultado unas condiciones idealmente adecuadas para estas bacterias. Una vez establecidas, las velocidades de oxidacin bacterialmente catalizadas son lo suficientemente altas como para mantener condiciones de temperatura elevada y pH bajo. A temperaturas bajas, la velocidad de oxidacin, tanto biolgica como qumica, es mucho ms reducida de lo


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que podran ser a temperaturas ambientales. Las velocidades de reaccin, medidas en pruebas cinticas de laboratorio, debern reajustarse de acuerdo a estos hechos. Por debajo de los 4C, las velocidades de oxidacin se consideran insignificantes.

Potencial de neutralizacin (PN)

El proceso mediante el cual se consume cido se denomina "neutralizacin". Tericamente, cada vez que la capacidad consumidora de cido de una roca ("potencial de neutralizacin") excede al potencial de generacin de cido, se consumir toda la acidez y el agua que drene de la roca se encontrar en el nivel de pH neutro o cerca de l. El drenaje cido generado por la oxidacin de sulfuros puede neutralizarse por contacto con minerales consumidores de cido. Como resultado de ello, el agua que drena de la roca puede tener un pH neutro y una acidez insignificante, a pesar de la continua oxidacin de sulfuros.

Con el tiempo, a medida que se agotan los minerales consumidores de cido o se vuelve imposible acceder a ellos a causa de la formacin de cubiertas de minerales secundarios, se puede generar agua cida.

Prueba esttica de prediccin de drenaje cido

El objetivo de la prueba esttica es caracterizar el potencial de generacin de cido de una muestra. Es el primer paso en todo programa de pruebas para determinar el potencial DAR. Estas pruebas se conducen de manera simple, rpida y con costos relativamente bajos.

Muchas de estas pruebas pueden utilizarse para caracterizar el material y, a partir de ello, para seleccionar muestras que servirn para pruebas (cinticas) posteriores.

Una prueba esttica define el balance entre los minerales potencialmente generadores de cido y aquellos potencialmente consumidores de cido en una muestra. Los minerales que producen cido son, por lo general, minerales sulfurosos reactivos.

Los minerales que consumen cido son principalmente carbonatos, si bien los hidrxidos, silicatos y arcillas tambin pueden proporcionar potencial de neutralizacin. En teora, una muestra ser generadora neta de cido slo si su potencial para la generacin de cido excede a su potencial de neutralizacin.

Las tcnicas estticas de prediccin son tiles slo para predicciones cualitativas del potencial DAM; no pueden utilizarse para predecir la calidad del agua de drenaje. Como su nombre lo implica, estas pruebas no estn diseadas para tratar las caractersticas geoqumicas que dependen del tiempo, las cuales controlan la calidad del agua de drenaje. Se requiere de las pruebas cinticas para determinar la velocidad y magnitud de la oxidacin y la generacin de cido, as como para la prediccin de la calidad de agua.

Azufre (PA)

El contenido de azufre como sulfuro (azufre total menos azufre sulfato) de la muestra determina la dimensin del potencial de acidez total. Usualmente, se expresa como el PA o potencial de acidez y se puede calcular por:


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PA = % de azufre x 31.25

El factor 31,25 se basa en la acidez generada, segn se deriv por estequiometra qumica, para la oxidacin completa de la pirita y la subsiguiente hidrlisis del Fe3+ generado. Por tanto, este resultado se expresa en trminos de Kg. de CaCO3 por tonelada de muestra.

Potencial de Neutralizacin (NP)

El potencial de neutralizacin se determina utilizando un procedimiento de titulacin bsico en una muestra previamente acidificada. En primer lugar, se realiza una "prueba rpida" para estimar la cantidad y la fuerza del cido necesario para reaccionar con todos los materiales consumidores de cido presentes en la muestra. En el procedimiento EPA (Sobek et al, 1978), se trata la muestra con un excedente de cido clorhdrico estandarizado, luego se la calienta para asegurar la reaccin completa. Se ha sugerido una modificacin del procedimiento, en la cual la muestra no se calienta, sino que se agita por 24 horas. Despus de que se haya completado la acidificacin, se titula el cido que no ha sido consumido con una base estandarizada a un pH 8.3, luego se calcula el equivalente de carbonato de calcio del cido consumido. Un procedimiento alternativo, la Prueba Inicial de Investigacin British Columbia, es la titulacin directa de cido sulfrico de la muestra, desde un pH natural hasta un punto de viraje de pH 3,5.

Se han desarrollado muchos procedimientos de pruebas estticas para determinar las proporciones de los minerales generadores de cido y de aqullos neutralizadores. Los procedimientos a los que se hace referencia en este documento son:

Prueba de Balance Acido-Base (mtodo Sobek o EPA) Prueba Modificada de Balance Acido-Base

Algunas otras pruebas, usadas en el pasado o que actualmente se encuentran en desarrollo, son:

Prueba Inicial de Investigacin British Columbia Mtodo Modificado de Oxidacin con Perxido de Hidrgeno Prueba de Generacin Neta de Acido

El procedimiento para pruebas estticas ms comnmente usado es el de cido-base (Sobek), o el procedimiento modificado para prueba de balance cido-base (ABA). Cada uno de ellos determina los minerales potencialmente generadores de cido (expresados como potencial de acidez mxima, PA) y los minerales potencialmente consumidores de cido (expresados como potencial de neutralizacin PN).

El potencial de neutralizacin (PN) se mide por titulacin de la muestra y se calcula a partir de la masa de la muestra y el volumen y normalidad del cido y la base aadidos. El NP se expresa en trminos del equivalente en Kg. de CaCO3 por tonelada de muestra.

El potencial de neutralizacin neta (PNN) de una muestra est dado por:

PNN = PN - PA


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Adems, la proporcin entre las especies que consumen cido y aqullas que lo generan se calcula por PN/PA.

Los resultados de cada prueba de balance cido-base debern incluir:

descripcin de la muestra pH en pasta anlisis de azufre - incluyendo el de especies de sulfuros, si se llev a cabo clculo de PN, PN y PNN proporcin de PN/PA

Los procedimientos detallados del mtodo estndar U.S. E.P.A., incluyendo los clculos y la presentacin de resultados, se encuentran disponibles en la literatura, con referencia especfica a "Field and Laboratory Methods Applicable to Overburden and Minesoils", EPA-600/2.78-054, (1978).

La descripcin de este mtodo y del modificado, as como de otros mtodos y opciones de prediccin esttica, estn disponibles en el Draft Technical Guide, (B.C. AMD Task Force, 1989); y se describen con mayor detalle en el Prediction Test Procedure Manual (CANMETMEND, 1990).

La evaluacin del contenido de azufre como sulfuro(%S) y la prueba cido-base en cada muestra de desmonte nos permite determinar el potencial de acidez (PA) y el potencial de neutralizacin (PN), y luego el potencial neto de neutralizacin (PN-PA).

III Parte experimental:

Muestras desmonte Reactivos BaCl2, NaOH, HCl, acondicionador Equipos: Agitadores magnticos Balanza analtica de 4 decimales Espectrofotmetro Hach

pHmetro Materiales: Probetas de 50 y 100 ml Vasos de 100 ml y 250 ml fiolas Pizetas Varillas de vidrio Galoneras para desechos Magnetos

IV Metodologa

a) Fizz Test

1. Place 2-3 g of sample onto a watch glass or piece of aluminum foil 2. Add 3-4 drops of 25% HCl 3. Observe degree of fizz, and classify as none, slight, moderate or strong fizz.


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b) Determination of Neutralization Potential (PN)

1. Weight approximately 2,0 g of pulverized sample into 250 ml conical flask and add approximately 90 ml of distilled water.

2. At the beginning of the test (time -0h) add a volume of certified or standardized 1,0 N HCl according to the fizz rating as follows:

Volume of 1,0 N HCl (ml) Fizz rating At time 0h At time = 2h

None 1,0 1,0 Slight 2,0 1,0

Moderate 2,0 2,0 Strong 3,0 2,0

3. Place the flask on a shaking apparatus such a reciprocating shaker, maintained at room temperature. After approximately 2 hours, add the second acid quantity as indicated in the above table.

4. After approximately 22 hours, cheek the pH of the pulp. If it is grater than 2,5 add measured volume of 1,0 N HCl to bring the pH into the range 2,0 to 2,5. if pH is less than 2,0 too much acid was added in steps 2 and 3. in this case repeat the test adding a reduced volume of HCl.

5. After 24 hours terminate the test and add distilled water to the flask to bring volume to approximately 125 ml- Measure and record the pH, making sure it is in the required range of 2,0 to 2,5.

6. Titrate the contents of the flask to a pH of 8,3 using certified or standardized 0,5 N or 0,1 N NaOH. Record volume added.

7. calculate the NP of the sample as follows:

Modified PN (Kg CaCO3/t) = [(N x vol (ml) of HCl )-( N x vol (ml) of NaOH)] * 50

Wight of sample (g)

c) Determination of sulfur (PA)

1. Analyze the sample for total sulfur sulfide containing using a Hach spectrophotometer. Acid digestion with barium sulfate precipitation is required.

2. Calculate the PA of the sample as follows:

PA (Kg CaCO3/t) = % sulfur x 31.25

A better approach is to calculate the acid potential on the basis of the sulfide-sulfur content. Sulfide-sulfur is typically determinate as the difference between total sulfur and sulfate-sulfur, although analysis of other sulfur species such as elemental sulfur and barite-sulfur is sometimes justified. Caution should be exercised for certain samples in interpreting


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sulfate-sulfur analyses as this form can be either inert (e.g. gypsum) or essentially stored products of acid drainage that could become mobilized if conditions within a waste change.

1. Analyze for total sulfur above

2. Analyze for sulfate-sulfur using a non-oxidative hydrochloric digestion/barium sulfate precipitation

3. Calculate the sulfide-sulfur as follows:

Sulfide sulfur (S) = Total sulfur (ST) Sulfate sulfur (SSO4)

4. calculate the PA of the sample as follows:

PA (Kg CaCO3/t) = % sulfur x 31.25

IV Referencias

1. Lawrence R.W. y Wang Y (1997). Determination of Neutralization Potential in the Prediction of Acid Rock Drainage Fourth International Conference on Acid Rock Drainage. Vancouver, Canada.

2. Method EPA 9038 Sulfate (Turbidimetric). US Environmental Protection Agency. USA. SW-846 on line.

3. Lytman S. Jordn G., Luis Espinoza E. & Liz Espinoza M., Evaluacin Geolgica Geoqumica De Los Botaderos Para El Plan De Cierre De Tintaya, XSTRATA-COPPER (2006).

MGC/DHL San Miguel, setiembre de 2010

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