Experimentación, evaluación y modelación del tratamiento de drenajes ácidos mineros mediante nanofiltración.

Abstract

El problema de la oxidación de minerales sulfurados asociados con el drenaje ácido de mina (AMD) ha sido un problema ambiental para la industria minera en todo el mundo. El AMD se caracteriza generalmente por tener un pH bajo y altas concentraciones de sulfato, metales pesados y metaloides. La separación mediante membranas se ha convertido en una tecnología prometedora para el tratamiento de aguas contaminadas debido a su eficaz y eficiente remoción de especies. La osmosis inversa (RO) y la nanofiltración (NF) son los procesos capaces de retener efectivamente iones y especies y, por lo tanto, demuestran un alto potencial de recuperación de agua y metales del AMD. Sin embargo, la nanofiltración (NF) se convierte en la mejor alternativa debido a que puede retener iones divalentes eficientemente y producir un agua alta calidad al igual que la osmosis inversa, pero con un menor costo energético y más eficiente en proporcionar una mayor permeabilidad de agua con menores presiones de operación. En literatura es posible encontrar estudios de han validado su aplicación, sin embargo, aún existe incertidumbre sobre el comportamiento de ciertos parámetros operacionales, optimización del proceso, tratamiento continuo, recuperación de las membranas, acoplamiento con otras tecnologías, comportamiento de membranas industriales y el efecto de carga electrostática que genera los iones contenidos en la superficie de la membrana. Por lo tanto, el objetivo general de la investigación pretende demostrar y comprender, mediante una caracterización operacional el comportamiento de la separación de especies y el agua del drenaje ácido de mina, empleando un proceso mediante membranas comerciales en espiral de NF. Los resultados mostraron que las membranas comerciales enrolladas en espiral demostraron una alta capacidad de remoción de metales y sulfato para todas las pruebas de caracterización operacional en el tratamiento del AMD. Estas pruebas incluyeron el efecto de caudal de operación, presión de operación, recuperación de agua y capacidad de respuesta en un tratamiento continuo de operación. Entre las membranas de NF, la alta capacidad de eliminación, baja polarización por concentración y el alto flujo de permeado fueron los factores claves para seleccionar el NF270 como la mejor opción de tratamiento continuo. La combinación de las tecnologías NF y SX mostró que es técnicamente factible recuperar el 80% del agua y el 97% del cobre de AMD. Sin embargo, la formación de yeso limitó la capacidad de la membrana para recuperar agua y concentrar metales. Con respecto a la extracción con solvente de cobre, los resultados indican que el 97% del cobre se puede recuperar usando un LIX 84-IC al 10% v/v en el diluyente Escaid 110. El costo de inversión de un sistema combinado de ultrafiltración-nanofiltración (UF-NF) se estimó en US $ 3,45 millones (CapEx) y el costo operativo (OpEx) fue de 0.3 a 0.4 US$/m3 de AMD. La adición de antiincrustantes al AMD logró aumentar la recuperación de agua en un 85%, además de reducir el efecto de decaimiento de la densidad de flujo de permeado. Experimentos con soluciones modelo, que representan los iones metálicos más importantes en el AMD, demostraron que existe un efecto importante electrostático sobre la superficie de la membrana en pruebas electrocinéticas de potencial zeta. Se demostró que las mediciones del potencial zeta de los iones metálicos estaban influenciadas por la especie química cargada o sin carga, la concentración, el tamaño de la hidratación de los iones y la adsorción/interacción específica con la superficie, como prueba de que la solución de KCl sobre predice la fuerza electrostática de las membranas. Además, se demostró que existe interacciones específicas de los iones metálicos con la superficie de la membrana, evidenciados mediante AFM y pruebas de ángulos de contacto. Los objetivos generales de la presente investigación fueron alcanzados y sus resultados pretenden aportar en la compresión de la aplicación de procesos de separación con membranas de nanofiltración, especialmente, en base a una caracterización operacional y un análisis fundamental del comportamiento de la separación de las especies contenidas en el drenaje ácido de minas. El conocimiento alcanzado en la presente investigación es una importante guía para desarrollar estudios más profundos sobre los procesos de separación basados en membranas de NF y su complejo comportamiento de separación electrostática.