Artículos
PREDICCIÓN DE DRENAJE ÁCIDO DE MINA, JALES DE LA MINA LA PRIETA, CHIHUAHUA, MÉXICO
PREDICTION OF ACID MINE DRAINAGE, TAILINGS FROM LA PRIETA MINE, CHIHUAHUA, MEXICO
PREDICCIÓN DE DRENAJE ÁCIDO DE MINA, JALES DE LA MINA LA PRIETA, CHIHUAHUA, MÉXICO
Revista internacional de contaminación ambiental, vol. 36, núm. 4, pp. 825-834, 2020
Universidad Nacional Autónoma de México, Centro de Ciencias de la Atmósfera
Recepción: 01 Enero 2019
Aprobación: 01 Marzo 2020
Financiamiento
Fuente: UNAM-PAPIIT
Nº de contrato: IN113816
RESUMEN: La mina La Prieta, Chihuahua, México, fue explotada ampliamente (plata, plomo y cobre) desde la época del virreinato hasta su cierre; por consiguiente, se acumularon grandes cantidades de jales o relaves, producto del procesamiento metalúrgico. Estos jales pueden producir drenaje ácido de mina debido a las reacciones de oxidación e hidrólisis. Con el objetivo de predecir si los jales son generadores de drenaje ácido, se realizó la caracterización de las muestras de jales y la determinación de la posibilidad de generar acidez. Los valores de pH hallados fueron ligeramente alcalinos (7.8-8.4). Por otro lado, los sulfatos y el azufre total se determinaron mediante los métodos turbidimétrico e infrarrojo, respectivamente. Cabe mencionar que la concentración de azufre total estuvo por debajo del límite de detección del equipo Leco S-144DR y las concentraciones de azufre en forma de sulfatos fueron mínimas. La caracterización mineralógica mostró que sólo en tres muestras se encontró pirita, y en bajos porcentajes. Los minerales calcita y dolomita presentes en el yacimiento tipo skarn intervienen en la neutralización del drenaje ácido de la mina y disminuyen la movilidad de la mayoría de los metales y metaloides tóxicos.
Palabras clave: drenaje ácido de mina, jales mineros, predicción.
ABSTRACT: The La Prieta mine, Chihuahua, Mexico, was intensively exploited (silver, lead and copper) from colonial times until its closure; consequently, large quantities of tailings produced by metallurgical processing accumulated. These tailings can produce acid mine drainage due to oxidation and hydrolysis reactions. With the objective of predicting if tailings can generate acid drainage, tailings samples were characterized and the possibility of generating acidity was investigated. The pH values found were slightly alkaline (7.8-8.4). On the other hand, sulfates and total sulfur were determined by turbidimetric and infrared methods, respectively. It is worth mentioning that total sulfur was below the limit of detection of the Leco S-144DR equipment and sulfur concentrations in the form of sulfates were very low. The mineralogical characterization showed that pyrite was found in only three samples and in low percentages. The calcite and dolomite minerals present in the skarn type deposit were involved in the neutralization of acid mine drainage and the decreased mobility of most toxic metals and metalloids.
Key words: acid mine drainage, mine tailings, prediction.
INTRODUCCIÓN
México es un país con gran tradición minera, ya que pueblos como los aztecas, los mayas, los zapotecos y los tarascos desarrollaron la minería y la metalurgia en pequeña escala. Hay evidencias de que trabajaron minerales metálicos y no metálicos (SE 2020).
La mina La Prieta dio origen a la ciudad de Hidalgo de Parral, en Chihuahua, México. El primer descubrimiento de plata en ese sitio ocurrió en 1663 y para 1665 operaban más de 60 pequeñas minas. En los últimos años del siglo XIX, Parral vivió un auge minero propiciado por la renovación de los procesos de extracción de plata en la antigua mina del mismo nombre. El año de esplendor de esta mina fue 1926, cuando se extraían 1500 toneladas de minerales puros al día. En 1974 cerró sus puertas y actualmente se encuentra fuera de operación (CEHM 2014).
La explotación de recursos minerales que se encuentran a profundidad requiere el acceso a través de una red de galerías de minería subterránea; en cambio, los que se localizan a poca profundidad se obtienen por minería superficial, cuyo procesamiento genera grandes cantidades de residuos, relaves o jales que ocupan grandes áreas superficiales expuestas al ambiente (Edraki et al. 2014, Nordstrom et al. 2015). La industria minera ha producido y continuará produciendo grandes cantidades de desechos mineros (jales o relaves). Desde la Edad de Piedra se han extraído aproximadamente 1150 millones de toneladas de metales pesados (cobre, plomo, hierro, zinc, cadmio y cromo) con una producción real estimada de relaves mineros que fluctúa entre 5 y 7 mil millones de toneladas anuales en todo el mundo (Edraki et al. 2014).
La eliminación de residuos y relaves mineros tratados y no tratados representa una amenaza y un riesgo significativo de contaminación por acidez con alto contenido de sulfatos y metales pesados en aguas subterráneas y superficiales, humedales, suelo, la cadena alimentaria y los animales (Anawar 2013, Lindsay et al. 2015, Chopard et al. 2017, Lèbre et al. 2017, Plaza et al. 2018). Las partículas finas de relaves en suspensión desempeñan un papel importante en el transporte de metales potencialmente tóxicos. Las personas pueden verse expuestas a este tipo de partículas a través del suelo, el agua y la biota contaminados con este tipo de residuos (Khademi et al. 2018).
El drenaje ácido de mina (DAM) es uno de los desafíos ambientales más importantes que enfrenta la industria minera en todo el mundo, debido a que el agua que se infiltra a través de los minerales de sulfuro metálico tiene valores bajos de pH, con alto contenido de metales y metaloides. Los residuos de las plantas de procesamiento de minerales y las filtraciones de presas de relaves se vuelven ácidos, y esta solución permite que los metales se transporten en sus formas solubles, lo cual puede alterar la calidad del agua, el suelo y la biota (Sheoran y Sheoran 2006, Sánchez-Andrea 2014, Johnson y Hallberg 2005, Candeias et al. 2014, Pabst et al. 2018, Yang et al. 2019). Muchos de los métodos utilizados para remediar el DAM tienen una implementación limitada debido a su bajo rendimiento, imprecisiones de diseño, dificultad para comprender su funcionalidad, altos costos, uso de sustancias químicas peligrosas, agotamiento de los recursos naturales y generación de más desechos (Moodley et al.2018).
En ciertos jales que contienen minerales alcalinos, el pH suele ser ligeramente alcalino, lo cual indica la presencia de carbonatos reactivos (Zhou et al. 2017). Éstos se enriquecen con una cantidad variable de sulfuros y carbonatos minerales que generan un grado variable de contaminación controlada por el proceso de atenuación natural (Anawar 2013). Estos compuestos, formados por sulfuros primarios y calcita, se corresponden probablemete con los desechos producidos por el procesamiento del mineral proveniente esencialmente del tipo de yacimiento skarn y los minerales secundarios extraídos de chimeneas y mantos
La presencia de calcita y dolomitas influye en la especiación, neutraliza el DAM y disminuye la movilidad de la mayoría de los metales tóxicos y metaloides. La ocurrencia de calcita y dolomitas en este tipo de yacimientos promueve la retención de As, Ba, Cd y Pb, y aumenta la liberación de Sb (Armienta et al. 2012).
Çelebi y Öncel (2016) concluyeron en su investigación que en las pruebas estáticas de las muestras de relaves, obtenidas en 10 puntos diferentes, los valores de potencial neto de producción de ácido (PN/PA) fueron positivos. Asimismo, la generación neta de ácido (GNA) estuvo por encima del pH de referencia de 4.5, por lo tanto no estaba claro si las muestras de relaves podrían formar drenaje ácido. Por lo anterior estos autores aplicaron el procedimiento de lixiviación de las muestras con agua. El pH obtenido de los lixiviados fue de 7.0, lo cual puede explicarse por la presencia de roca caliza, que neutraliza la acidez. También realizaron pruebas cinéticas, las cuales tampoco mostraron ningún efecto al contenido de humedad y a la edad de los relaves en la formación de drenaje ácido.
La investigación realizada por Armienta et al. (2012) en Zimapán, México central, indica que la presencia de calcita interviene en la neutralización del DAM y disminuye la movilidad de la mayoría de los metales y metaloides tóxicos (MTM). La retención de MTM dentro de los relaves probablemente se produce mediante la formación de carbonatos metálicos de baja solubilidad y por la elevación del pH que promueve la precipitación de hidróxidos de Fe, los cuales pueden retener As, Sb y metales.
Aduvire (2006) menciona que la presencia de materiales que contienen sulfuros es condición necesaria para la formación de DAM. Se ha observado que, a mayor contenido de sulfuro mayor es el potencial de formación de aguas ácidas. En cuanto al tamaño de las partículas clasifica para residuos en presas como uniforme al 100% cuyo tamaño es inferior a 2.0 mm, que reducen la infiltración y la entrada de aire, porque a medida que disminuye el tamaño aumenta la superficie específica.
Considerando los antecedentes expuestos, el objetivo de la presente investigación es determinar si los jales de la mina La Prieta, Chihuahua, México, son generadores de drenaje ácido.
MATERIALES Y MÉTODOS
Área de estudio
La zona de estudio de Hidalgo del Parral (Fig. 1) se sitúa sobre roca ígnea del Terciario y rocas sedimentarias del Cretácico y del Neógeno, por ello se observan estos dos tipos de rocas presentes en la zona. Se ubica en la región hidrológica Bravo Conchos (SGM 2019). De acuerdo con Barraza (2015), la presa de jales de la mina La Prieta, tiene una antigüedad aproximada mayor a 300 años, este tiempo se considera a partir de que la mina empezó con la explotación de los minerales y además se supone es la fuente principal de la emisión de los contaminantes al ambiente del área en estudio.
Fig. 1
Ubicación de Hidalgo del Parral en Chihuahua (SGM 2019).
Muestreo y preparación de muestras
En concordancia con la Norma Mexicana NMX-AA-132-SCFI-2006 (SE 2006), Barraza (2015) estableció un plan de muestreo y las especificaciones para la obtención y manejo de 18 muestras. Para ello consideró tres zonas: jales nuevos, jales blancos y jales rojos. El muestreo fue de tipo superficial, con una profundidad de 30 centímetros en cada punto. En cada sitio se recolectaron aproximadamente 500 g de muestra. Dichas muestras se conservaron en bolsas de plástico con cierre hermético para facilitar su traslado desde Parral, Chihuahua, hasta Ciudad Universitaria en la Ciudad de México. Posteriormente, González (2016) realizó un muestreo complementario en seis puntos, seleccionándolos debido a que Barraza los había caracterizado mediante fluorescencia de rayos X. En la presente investigación se utilizaron las seis muestras recolectadas por González (2016), que habían estado almacenadas durante 2.5 años, aproximadamente, en bolsas de polietileno de baja densidad, herméticamente cerradas y conservadas en un ambiente de aproximadamente 4 ºC. En la figura 2a, b se muestran los puntos de recolección de ambas investigaciones.
Fig. 2
Ubicación de muestreos de (a) Barraza (2015), (b) González (2016). Nota: HP son puntos de muestreo, siglas que corresponden a Hidalgo del Parral.
Métodos y equipos
Barraza (2015) realizó el análisis mineralógico para las muestras seleccionadas por medio de un difractómetro de geometría Bragg-Brentano PANalytical X’Pert system (monocromador de grafito, rendija automática, radiación Kα del Cu a λ = 1.54061 Å, potencia de trabajo 45 kV - 40 mA, rango de barrido 4-100º 2θ con paso de 0.017º 2θ y tiempo de medida de 50 s). Para la identificación y valoración semicuantitativa de las fases se utilizó el programa XPert Graphics Identify Philips. Por otro lado, la determinación de metales y metaloides presentes en las muestras se llevó a cabo por el método de fluorescencia de rayos X (XRF) utilizando un espectrómetro secuencial de rayos X Phillips PW 2400.
El potencial de hidrogeno (pH) de las muestras de jales se determinó con base en la Norma Mexicana NMX-AA-013-SCFI-2006 (SE 2012), con ayuda de un potenciómetro Coming 20. El potencial de neutralización y acidez (PN y PA) se obtuvo de acuerdo con lo establecido en la Norma Oficial Mexicana NOM-141-SEMARNAT-2003 (SEMARNAT 2004). Para las pruebas de movilidad se empleó el método “Lixiviación con agua en equilibrio con CO2 (H2O a pH = 5.50 ajustado con burbujeo de CO2 ”, establecido en el anexo 5 de la norma mencionada. Las concentraciones de los metales en los lixiviados se determinaron con equipo de absorción atómica marca GBC Avanta.
La determinación de azufre en forma se sulfatos se realizó siguiendo lo estipulado en la NMX-AA-74-197 (SECOFI 1981), con ayuda de un equipo Hach 2100N. La cuantificación del azufre total se llevó a cabo utilizando un equipo de análisis de azufre por infrarrojo Leco S-144DR.
Para obtener los resultados de potencial de neutralización (PN), expresado en kgCaCO3/ton, se utilizó la formula incluida en la NOM-141-SEMARNAT-2003 (SEMARNAT 2004):
Para calcular el ion sulfato se utilizó la siguiente fórmula (APHA 2003):
Para determinar el porcentaje de sulfuros también se utilizó la fórmula establecida en la NOM-141-SEMARNAT-2003 (SEMARNAT 2004):
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización mineralógica
En el cuadro I se muestra la caracterización mineralógica de las muestras. Como se puede apreciar, los principales minerales que producen drenaje ácido de mina contienen plomo y azufre. El mineral que tiene azufre es la pirita, la cual está presente en muy bajo porcentaje y no se encuentra en todas las muestras. Por otro lado, en los jales se encuentran minerales amortiguadores como los silicatos albita (NaAlSi3O8), caolinita (Al2Si2O5(OH)4), moscovita (KAl2(AlSi3O10)(OH)2) y sericita (K,Na,Ca)Al2 (Si,Al)4O11); los feldespatos potásicos (KAlSi3O8), y la calcita.
Nota: HP son puntos de muestreo, siglas que corresponden a Hidalgo del Parral.
Potencial hidrógeno de las muestras
Los jales presentan un pH ligeramente básico. Si a esto se suma el hecho de que la pirita, principal precursor del drenaje ácido, se encuentra sólo en tres muestras y en porcentajes muy bajos (cuadro I), se tiene un primer indicio de que no existe generación de drenaje ácido en los jales de la mina La Prieta. Los valores de pH en las muestras de jales se observan en la figura 3.
Fig. 3
Resultados de determinación de pH en las muestras de jales.
Determinación del potencial de neutralización
De acuerdo con la técnica de la NOM-141-SEMARNAT-2003 (SEMARNAT 2004), la determinación del potencial de neutralización (PN) tiene dos mediciones. En primer término, la medición cualitativa de carbonatos: a las muestras de jales se les agregaron tres gotas de HCl al 25 %, lo que comprobó la efervescencia presente en los carbonatos, cuya calificación se aprecia en el cuadro II.
En segundo término, se procedió a medir el poder de neutralización. Con los valores obtenidos de las dos mediciones de los jales mineros en estudio se calculó el PN, el cual varió de 7.5 a 44.0 kg CaCO3/t. Esto demuestra que tienen la capacidad de neutralizar la formación de drenaje de ácido de mina (Fig. 4).
Fig. 4
Resultados de determinación de potencial de neutralización.
Determinación del potencial de acidez
Para determinar el potencial de acidez (PA) se realizó la extracción de azufre en forma de sulfatos con el método turbidimétrico, utilizando un equipo marca Hach 2100N (Cuadro III).
Los sulfatos pueden contribuir a la cuantificación del PA; sin embargo, no se encuentran en todas las muestras (cuadro I) o están en porcentajes muy bajos. Jennings y Dollhopf (2000) corroboraron que los minerales que contienen sulfatos sólo generan acidez si se disuelven. Estos autores autores utilizaron HCl (4.91 M) y HNO3 (1.99 M) y en sus resultados mencionan que:
-
La barita (BaSO4) y la jarosita (KFe3(SO4)2(OH)6) no son extraídos mediante el método Acid-Base Account (ABA) descrito en la NOM-141-SEMARNAT-2003 (SEMARNAT 2004) para la determinación del PA y PN. Además, los autores aseveran que estos minerales pueden causar error al momento de la determinación del PA.
-
Para el caso del yeso (CaSO4.2H2O), los autores reportan que este tipo de mineral no tiene asociada generación de acidez.
La determinación de azufre total se efectuó con un equipo de análisis de azufre por infrarrojo Leco S-144DR (límite de detección: 1% en azufre total). Sin embargo, el azufre total no fue detectado. Esto concuerda con los resultados obtenidos en el cuadro I: la pirita se encuentra sólo en tres muestras (HP2, HP5 y HP7) y en porcentajes muy bajos, aunque este mineral es uno de los principales precursores del DAM (Aduvire 2006).
Para el cálculo del PA Armienta (2019) recomienda utilizar la mitad del límite de detección del equipo, es decir, 0.5% de azufre total. Los resultados del PA se muestran en el cuadro IV.
La relación PN/PA para cada muestra se presentan en la figura 5, donde puede observarse que los valores de las muestras HP2, HP3 y HP5 son menores que el valor de la relación PN/PA ≤ 1.2 por lo que, de acuerdo con la NOM-141-SEMARNAT-2003 (SEMARNAT 2004), son potenciales generadoras de drenaje ácido, mientras que las tres muestras restantes no lo son, ya que el valor de la relación PN/PA es > 1.2.
Fig. 5
Relación entre potencial de neutralización y potencial de acidez.
Las muestras provenientes de la presa de jales de la mina La Prieta tienen una antigüedad de más de 300 años (Barraza 2015). Durante este tiempo, el horizonte de la presa tuvo varias reacciones químicas y de proceso de lixiviación; sin embargo, aun cuando los carbonatos presentes hubieran reaccionado con el DAM para neutralizarlo, agotándose de manera gradual, los siguientes minerales que actuarían como neutralizantes serían los silicatos y aluminosilicatos (Price 2005). En el cuadro I se muestra la presencia de este tipo de minerales, siendo el cuarzo el que se encuentra en todas las muestras y en cantidades abundantes. Por ello se esperaría que, cuando los carbonatos se agoten con el paso del tiempo, no se genere DAM, ya que estos minerales tienen la capacidad de neutralizar la posible acidez generada.
Concentración de metales y metaloides
Se determinaron las concentraciones totales (base seca) de metales y metaloides de los elementos potencialmente tóxicos (EPT) en los jales de la mina en estudio, mediante espectrofotometría de absorción atómica y fluorescencia de rayos X en el caso del antimonio.
En concordancia con la NOM-157-SEMARNAT-2009 (SEMARNAT 2011), los límites máximos permisibles (LMP) son los siguientes: As, 100 ppm; Ba, 2000 ppm; Cd, 20 ppm; Pb, 100 ppm, y Sb, 10.6 ppm. Los valores encontrados exceden en demasía los LMP, como se muestra en las figuras 6, 7, 8, 9 y 10, donde las líneas rojas representan dichos límites.
Fig. 6
Concentración de As en las muestras de jales.
Fig. 7
Concentración de Ba en las muestras de jales.
Fig. 8
Concentración de Cd en las muestras de jales.
Fig. 9
Concentración de Pb en las muestras de jales.
Fig. 10
Concentración de Sb en las muestras de jales.
Pruebas de movilidad de metales y metaloides
Para las pruebas de movilidad mediante cuarteo se elaboró una muestra compuesta con las muestras HP-2, HP-3, HP-5, HP-7, HP-16 y HP-17 tomadas por González (2016). En el cuadro V se presentan los resultados obtenidos de las pruebas de lixiviación. Para los casos del arsénico, cadmio y plomo se utilizaron los siguientes límites de detección: 3, 0.2 y 2 mg/L, respectivamente.
LMP: límite máximo permisible.
Los resultados muestran que los metales As, Cd y Pb se encuentran por debajo de los límites de detección establecidos y además superan los LMP establecidos en la NOM-157-SEMARNAT-2009 (SEMARNAT 2011); por ello, las muestras de jales seleccionadas de las mina La Prieta no representan un peligro si se toma en cuenta sólo la movilidad de As, Cd y Pb. En el caso del bario, Grigorova et al. (2015) mencionan que la barita es la principal fuente de bario en la industria química, por lo que es de esperarse que sea la fuente de bario presente en los jales de la mina La Prieta. Este mineral se encuentra presente en sólo dos muestras (HP3 y HP7) y en bajas cantidades.
Hannor (2000) menciona que la barita tiene una solubilidad extremadamente baja, incluso en condiciones altamente ácidas, además de ser resistente a las condiciones ambientales por la característica mencionada. Con base en lo anterior se esperaría que el Ba no se lixivie ni supere los LMP. En el presente trabajo se utilizó como extractante agua en equilibrio con CO2 , con un pH de 5.5. Por otro lado, Jennings y Dollhopf (2000) utilizaron HCl y HNO3 como extractantes, encontrando que aun a valores bajos de pH no ocurre la disolución de la barita y de este modo no es posible la presencia de bario en el lixiviado.
Los jales en estudio provienen de depósitos de mineral tipo skarn, los cuales se caracterizan por ser rocas metamórficas regionales o de contacto constituidas por Ca, Mg y Fe, elementos provenientes de un protolito calcáreo (rocas calizas y dolomitas) (Maksaev 2001). Armienta et al. (2012) mencionan que la presencia de calcita y dolomitas en este tipo de yacimientos promueve la retención de As, Ba, Cd, Pb y aumenta la liberación de Sb; sin embargo, los minerales de sulfuro y carbonato controlan el proceso de atenuación natural, evitando así la contaminación ambiental.
Dispersión de los jales
Barraza (2015) menciona que en la zona de estudio existen dos corrientes de agua (marcadas en color azul, Fig. 11), las cuales son de tipo intermitente, es decir, que sólo en época de lluvias pudieran llegar a tener agua y provocar arrastre de jales.
Fig. 11
Corrientes de agua presentes en la zona de estudio (Barraza, 2015).
En el punto donde convergen el río y el arroyo, Barraza (2015) realizó un muestreo (HP8), encontrando bajas concentraciones de EPT (As,7.42 mg/L; Pb, 751.69 mg/L; Ca, 9.7 mg/L; Ba, 1324 mg/L, y Sb, 18.2 mg/L). Asimismo, asevera que si se toma en cuenta el arrastre producido por el viento no existen barreras para mitigar la dispersión. Los vientos predominantes, de hasta 9.4 km/h, provienen del suroeste, y la ciudad se encuentra en esa dirección, pero lo que no se descarta que haya arrastre de jales.
CONCLUSIONES
Las muestras de jales estudiadas de la mina La Prieta, en Hidalgo del Parral, Chihuahua, México, se analizaron para evaluar su capacidad de generación de drenaje ácido. Se concluyó que tres muestras (HP2, HP3 y HP5) son potencialmente generadoras de drenaje ácido, mientras que las restantes no lo son. Por otro lado, metaloides y metales como el As, el Ca y el Pb no rebasan los LMP establecidos en la normatividad mexicana. En el caso del Ba y el Sb, la literatura reporta que es poco probable que se lixivien en las condiciones existentes en el sitio de estudio y superen los LMP, debido a la naturaleza de la roca; sin embargo, se requiere efectuar determinaciones analíticas de dichos elementos para establecer si los jales son peligrosos debido a su presencia.
AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo de investigación fue financiado por el Programa de Becas Posdoctorales de la Dirección General de Asuntos del Personal Académico, UNAM, y el proyecto PAPIIT con código IN113816. Los autores agradecen a la mina La Prieta por el apoyo brindado para la realización de los muestreos de jales; asimismo, a la Universidad Nacional del Altiplano Puno, Perú (UNA).
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Notas de autor
*Autor para correspondencia: bensalas7@hotmail.com