Erosión y transporte eólico de material particulado en relaves mineros: contraste entre clima árido y semiárido.
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Date
2022
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Publisher
Universidad de Concepción.
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.
Description
Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias Geológicas.
Keywords
Relaves (Cobre), Erosión Eólica, Partículas en Suspensión, Metales Pesados, Aspectos Ambientales