Experimentación, evaluación y modelación del tratamiento de drenajes ácidos mineros mediante nanofiltración.
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Date
2020
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción.
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.
Description
Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería Química.
Keywords
Drenajes Ácidos Mineros, Nanofiltración, Separadores Electrostáticos, Membranas (Tecnología), Agua Limpia y Saneamiento