Erosión y transporte eólico de material particulado en relaves mineros: contraste entre clima árido y semiárido.

Abstract

Chile es reconocido por ser un país de grandes depósitos mineros, que han sido explotados de manera industrializada desde principios del siglo XX, llegando algunas explotaciones a tener más de 100 años. La extracción y procesamiento mineral lleva consigo la generación de grandes volúmenes de material sin rentabilidad económica alguna llamado relave (o desechos mineros). Uno de los procesos más estudiados relacionado con los desechos mineros procedentes de explotaciones de recursos metálicos es la oxidación de la pirita, la cual conlleva una acidificación de las aguas, transporte de iones y cambios en la mineralogía del relave, en un proceso complejo denominado drenaje ácido de mina. Este proceso dependerá de la presencia de pirita libre, de agua y de otros minerales presentes que pueden ser disueltos aportando metales y mayor acidez o pueden neutralizar las soluciones (como es el caso de los carbonatos). Si la presencia de las soluciones ácidas está ligada a un clima donde la evaporación es mayor a la precipitación, pueden formarse sales eflorescentes en la superficie de estos relaves. El presente trabajo de investigación evalúa la evolución químico-mineralógica en 2 relaves similares en cuanto al recurso explotado, pero situados en zonas con climas diferentes: Relave Domeyko en clima árido y relave Delirio en clima semiárido. Se estudia, además, la potencial erosión de estos materiales y el impacto que podría tener esto en el entorno. La caracterización de estos depósitos se realiza desde el punto de vista químico (FRX), mineralógico (DRX, SEM-EDS), nano-morfológico (análisis BET, difracción láser) y desde la capacidad de estas superficies de generar material particulado que pueda ser distribuido por corrientes eólicas, mediante un túnel de viento horizontal. Los análisis mineralógicos, químicos y granulométricos muestran que ambos sitios de estudio presentan distintas superficies, pudiendo determinar 3 grupos principales por medio de estadística. Los grupos definidos representan distintos estados de la evolución de un relave en relación con la oxidación de la pirita. En primer lugar, el clúster Feldespato (FELD) está compuesto principalmente por ese grupo mineral (feldespato), presenta nula o incipiente oxidación de pirita y no presenta óxidos de Fe secundarios. La baja oxidación de este grupo se analiza en detalle a lo largo de esta Tesis. En segundo lugar, el clúster Goethita (GOE), se encuentra presente en los dos relaves estudiados, pero con mayor presencia en relave Domeyko, presenta una oxidación generalizada de las partículas, destacando los óxidos de Fe, principalmente englobando a la pirita. Este grupo, además, se caracteriza por la presencia de carbonato y un tamaño fino de partículas, lo que juntos permiten una oxidación controlada de la pirita, por la retención de humedad de las partículas finas y la neutralización de primeros estadios de oxidación de este mineral, alrededor del cual precipita un halo de óxidos. Por último, está el clúster de Jarosita (JAR) el cual presenta una mayor oxidación, evidenciada por la presencia de jarosita y la cristalización de sales eflorescentes (sulfatos de hierro y aluminio) en la superficie del relave. Este grupo se encuentra en zonas libres de carbonatos y se producen mayoritariamente en el relave Delirio (con clima semiárido). Esta evolución mineralógica, dependiente de las fases primarias, la granulometría y el grado de humedad ambiental, también puede verse en las nanoestructuras, porosidad y superficies específicas de cada clúster. Los análisis de adsorción y desorción de Nitrógeno arrojan distintas características para cada clúster, además de diferencias entre muestras superficiales y muestras profundas. Tanto la superficie específica (SSA) como el volumen de poro (Vp) aumentan conforme se desarrolla la acidificación del sistema, siendo el grupo con menor Vp y SSA el de FELD, seguido por GOE y con mayor VP y SSA, se encuentra el clúster JAR. Destacan en este último las muestras de sales eflorescentes que, a pesar de ser parte del grupo JAR, presentan valores bajos de Vp y SSA. Del mismo modo, estas características disminuyen hacia la superficie, presentando todos los grupos mayores valores de Vp y SSA en profundidad que en superficie. Otra propiedad que varía en función del clúster es la nanoporosidad. El grupo FELD se caracteriza por la ausencia de poros cilíndricos y mayor representatividad de poros bottleneck y placa, mientras que en el otro extremo está el grupo JAR, dominado por poros cilíndricos y sin poros del tipo bottleneck; el clúster de GOE, por otra parte, presenta todos los tipos de poros (cilíndricos, bottleneck y placa). Los análisis estadísticos indican que la absorción de metales pesados en el grupo GOE estaría dominado por los poros placa, mientras que en JAR este fenómeno estaría ligado a los microporos, o poros placa y cilíndricos. El grupo FELD y las muestras de sales, no presentan relaciones de absorción de metales pesados con la nanoporosidad indicada. Los datos del estudio de erosión y emisión de partículas bajo condiciones de viento iguales para cada grupo, indica que los 3 clúster descritos (GOE, JAR y FELD) comienzan la emisión de partículas sobre los 8 m/s. Sin embargo, en el desarrollo de estas emisiones se observa que el grupo FELD, presenta la mayor emisión de partículas de forma constante, seguido por JAR y por último el grupo de GOE. Una de las razones de la mayor emisión en FELD es el proceso de sandblasting, también observado en el grupo JAR, aunque en menor medida. La erosión eólica sobre costras de sulfatos estuvo muy por debajo de lo emitido por los grupos compuestos de partículas y sin evidencias de saltación. Sin embargo, en este grupo se produce de forma esporádica una emisión de mayor intensidad que en los otros grupos a velocidades de viento inferiores (7 m/s). La oxidación de pirita y otros sulfuros no solo incidirá en la generación de aguas ácidas que pueden alcanzar escorrentías superficiales y subterráneas, sino que también generará cambios mineralógicos y redistribución de metales en la superficie. Si bien estas condiciones de baja acidez en climas semiáridos presentan costras evaporíticas que propician una mayor resistencia a la erosión eólica, estas costras también presentan emisión de partículas a bajas velocidades de viento. Además de esto, la alta emisión reportada en secciones sin costras debido al proceso de sandblasting, podría incluso generar mayor emisión de fases solubles por impacto. Las partículas emitidas en este proceso del clúster JAR (secciones sin costras), presentan características nanoestructurales que pueden ayudar a la adsorción de metales y elementos contaminantes que, debido precisamente al tipo de porosidad, podrían ser liberados fácilmente poco tiempo después. Estos datos apuntan a que este proceso podría tener un mayor impacto en el medioambiente.