GENERACIN DE AGUAS CIDAS PROFESORA BLANCA ESCOBAR M.

QU CARACTERSTICAS PRESENTAN LAS AGUAS CIDAS?

Las aguas cidas presentan: Valores de pH por debajo de 7 hasta 1.5Alcalinidad decreciente y acidez crecienteConcentraciones elevadas de sulfatoConcentraciones elevadas de metales (disueltos o totales)Concentraciones elevadas de slidos disueltos totales.

CONCEPTOS GENERALESQu son las aguas cidas?Son aguas que se producen como resultado de la oxidacin qumica y biolgica de sulfuros metlicos, especialmente pirita o pirrotita, que se pueden encontrar presentes o formando parte de botaderos, relaves, basuras municipales, etc.

La oxidacin se produce cuando las rocas conteniendo sulfuros son expuestas al aire y al agua.

FUENTES PRINCIPALES DE GENERACIN DE AGUAS CIDASBotaderos de material estril (

CONCEPTOS GENERALESEl proceso de generacin de drenaje cido de minas DAM es dependiente del tiempo e involucra:Procesos de oxidacin (qumica y biolgica).Fenmenos fsicoqumicos (ejemplo: precipitacin)

CONCEPTOS GENERALESLa generacin de aguas cidas es el resultado de una serie compleja de reacciones qumicas que involucra:Generacin de cido sulfrico, debido a la oxidacin de los sulfuros por accin combinada de agua y oxgeno. Reacciones autocatalticas y cuya velocidad es acelerada por actividad bacteriana.

2FeS2 + 7O2(ac) + 2H2O 2FeSO4 + 2 H2SO4

CONCEPTOS GENERALESConsumo del cido generado (neutralizacin) por los componentes presentes en el mismo material que son consumidores. Las reacciones dan como resultado la precipitacin de sulfato de calcio e hidrxidos metlicos, oxi-hidrxidos y otros compuestos.La calcita dar la siguiente reaccin:CaCO3(s) + 2H+ Ca+2 + H2CO3(ac)

CONCEPTOS GENERALESSi la capacidad de consumo de cido es mas alta que la generacin de cido, es posible que el drenaje sea neutro o alcalino.Si la capacidad de consumo de cido es mas baja que la generacin de cido, es posible que el drenaje sea cido.

REACCIONES DE OXIDACIN-GENERACIN DE ACIDOLa reacin qumica que da cuenta de la generacin de cido sulfrico a partir de pirita (sumando ambas reacciones):

2FeS2 + 7O2(ac) + 2H2O 2FeSO4 + 2H2SO4 Esta reaccin produce acidez.

REACCIONES DE OXIDACIN-GENERACIN DE ACIDOSi el potencial de oxidacin se mantiene, se producir la oxidacin de Fe(II) a Fe(III), consumiendo parte de la acidez producida.Reaccin espontnea a pH superiores a 3Reaccin espontnea a pH superiores a 34Fe+2 + O2(ac) + 4H+ 4Fe+3 + 2H2OEseaccin espontnea a pH superiores + O Reaccin catalizada por bacterias4Fe+2 + O2(ac) + 4H+ 4Fe+3 + 2H2O Es

EEsc) + 4H+ 3 + 2H2O

QUE BACTERIAS PUEDEN HACER ESTA REACCIN?Bacterias involucradas:Acidithiobacillus ferrooxidansLeptospirillum ferrooxidansOtras especies

REACCIONES DE OXIDACIN-GENERACIN DE ACIDOA pH superiores a 3: Fe+3 + 3 H2O Fe(OH)3(s) + 3H+ Adems el Fe(III) oxidar la pirita segn:

FeS2(s) + 2 Fe2(SO4)3 3 Fe SO4 + 2S El Fe(II) resultante ser nuevamente oxidado a Fe(III), el que a su vez puede oxidar ms pirita (autocatlisis).El oxgeno molecular en el agua sirve como el agente oxidante en las reacciones de oxidacin

REACCIONES DE OXIDACIN-GENERACIN DE ACIDOAzufre elemental puede ser oxidado por bacterias

S + 3 O2 +H2O H2SO4

Qu bacterias pueden hacer esta reaccin? :Acidithiobacillus ferrooxidans Acidithiobacillus thiooxidansOtras especies

REACCIONES DE OXIDACIN-GENERACIN DE ACIDOOtros sulfuros metlicos (MeS), pueden contribuir a la disolucin de iones metlicos (Me: Fe, Zn, Cd, Pb, Cu, Ni, etc).

MeS(s) + O2(ac) Me+2 + SO4-2

MeS(s) + 4Fe2( SO4)3 +4 H2O Me+2 + 8 Fe SO4 + 4H2SO4

Las bacterias tambin pueden catalizar estas reacciones hacindolas ms rpidas.

REACCIONES DE OXIDACIN-GENERACIN DE ACIDOEn resumen, de las reacciones importantes en la generacin de acidez:

4Fe+2 + O2(ac) + 4H+ 4Fe+3 + 2H2OLa oxidacin de Fe(II) no requiere la participacin de bacterias, pero si ellas se encuentran presentes, esta reaccin puede ser 106 veces ms rpida. S + 3 O2 +H2O H2SO4La oxidacin de azufre slo se produce en presencia de bacterias.

REACCIONES DE OXIDACIN-GENERACIN DE ACIDOOtros sulfuros metlicos (MeS), pueden contribuir a la disolucin de iones metlicos (Me: Fe, Zn, Cd, Pb, Cu, Ni, etc).

MeS(s) + O2(ac) Me+2 + SO4-2

MeS(s) + 4Fe2( SO4)3 +4 H2O Me+2 + 8 Fe SO4 + 4H2SO4

Las bacterias tambin pueden catalizar estas reacciones hacindolas ms rpidas.

HIDRLISIS DE IONES METLICOSLos iones metlicos pueden generar acidez protnica, si el Me+2 se hidroliza, de acuerdo a:

Me+2 + 2H2O Me(OH)2 (s) + 2H+Por lo tanto, los iones metlicos pueden producirIones hidrgeno por hidrlisis (pH superiores, y disminuyendo el pH).Contaminacin si se disuelven (pH entre 4.5 a 7)

PRESENCIA DE ARSENOPIRITASi arsenopirita se encuentra presente se oxidar directa o indirectamente:FeAsS(s) + 4 1/2 O2(ac) + 2H2O HAsO2 + FeSO4

FeAsS(s)+ 2Fe+3 +4H2O 2H3AsO4(ac) +4FeSO4 + 2H+

Tambin pueden ser procesos catalizados biolgicamente

EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA VELOCIDAD DE OXIDACIN BIOLGICA Y QUMICA DE LA PIRITA

EFECTO DEL PH EN LA VELOCIDAD DE OXIDACIN BIOLGICA DE LA PIRITA

REACCIONES DE NEUTRALIZACIN DEL ACIDOMinerales consumidores de cido, como carbonatos, usualmente coexisten con los sulfuros. Estos reaccionarn con el cido neutralizandolo.La calcita dar la siguiente reaccin:CaCO3(s) + 2H+ Ca+2 + H2CO3(ac)El cido carbnico es inestable y se descompone dando H2CO3(ac) H+ + H CO3- pH> 6H2CO3(ac) H2O + CO2(ac) pH

REACCIN DE ALUMINOSILICATOSLos aluminosilicatos, como los K-feldespatos reaccionarn, consumiendo iones hidrgeno, liberando Al+3, K+ y cido silcico (H4SiO4).A medida que el cido se consume el pH aumenta y los iones metlicos comienzan a precipitar en forma de hidrxidos, produciendo nuevamente iones hidrgeno.

REACCIN DE ALUMINOSILICATOSA pH < 4.5:4 H+ + KAlSi3O8(s) + A pH < 4.5:4 H+ + KAlSi3O8(s) + 4H2O K+ + Al+3 + 3H4SiO4

A pH > 6:H++ KAlSi3O8(s) + 7H2O K+ + Al(OH)3 + 3H4SiO4 4H2O K+ + Al+3 + 3H4SiO4

A pH > 6:H++ KAlSi3O8(s) + 7H2O K+ + Al(OH)3 + 3H4SiO4A pH < 4.5:4 H+ + KAlSi3O8(s) + 4H2O K+ + Al+3 + 3H4SiO4

OTRAS REACCIONESEl Fe(III) puede precipitar a pH superiores a 2 en forma de sulfatos bsicos o jarositas. Con el tiempo, las caractersticas del drenaje pueden cambiar, de ligeramente alcalino hasta casi neutro y finalmente cido.e+3 + SO4-2 + H2O Fe (s) + H+

3F 2SO4-2 + 7H2O (H3O)Fe3(SO4) (OH)6(s) + 5H2Fe+3 + SO4-2 + H2O Fe (OH) SO4 (s) + H+

3Fe+3 + 2SO4-2 + 7H2O (H3O)Fe3(SO4) (OH)6(s) + 5H

ETAPAS EN EL DESARROLLO DEL AGUA ACIDA DE MINASEl drenaje cido de minas se observa como un proceso en tres etapas, definidas por el pH del agua en el microambiente de los minerales sulfurados:Etapa I, se genera acidez y rpidamente se neutraliza en las etapas iniciales. El drenaje de agua es casi neutro

ETAPAS EN EL DESARROLLO DEL AGUA ACIDA DE MINASEtapa II, contina la generacin de cido y se agotan los minerales carbonatados, el pH del agua disminuye y el proceso se encamina hacia su segunda etapa. Bajo pH 4.5 ocurren reacciones de oxidacin (qumicas y biolgicas).Etapa III, a medida que los minerales alcalinos se consumen, se produce acidez a mayor velocidad que el consumo, por lo que el pH continua disminuyendo.

ETAPAS EN EL DESARROLLO DEL AGUA ACIDA DE MINAS

ETAPA ISe genera acidez y rpidamente se neutraliza en las etapas iniciales cuando la roca que contiene minerales sulfurados es expuesta al oxgeno y al agua. El drenaje de agua es casi neutro.

Es fundamentalmente un perodo de oxidacin qumica. El oxgeno es el oxidante principal, al producir sulfato y acidez a partir de la oxidacin de los minerales sulfurados. Los minerales carbonatados, como la calcita (CaCO3) presente en la roca, neutralizan esta acidez y mantienen condiciones que van de neutras a alcalinas (pH >7) en el agua que fluye desde la roca.

ETAPA ILa oxidacin qumica del hierro ferroso es rpida a un pH igual o superior a 7 y el hierro frrico se precipita de la solucin como un hidrxido. La velocidad de oxidacin qumica de la pirita es relativamente baja, comparada con las etapas posteriores de oxidacin, ya que el hierro frrico no contribuye como oxidante.En esta etapa, el agua de drenaje se caracteriza generalmente por niveles elevados de sulfato, con pH cercano al neutro.

ETAPA IIA medida que contina la generacin de cido y se agotan o se vuelven inaccesibles los minerales carbonatados, el pH del agua disminuye y el proceso se encamina hacia su segunda etapa. Cuando el pH del microambiente disminuye por debajo de 4,5 ocurren reacciones de oxidacin tanto qumicas como biolgicas. A medida que la velocidad de generacin de cido se acelera en las etapas II y III, el pH disminuye progresiva y gradualmente.

ETAPA IILos niveles de pH relativamente constantes representan la disolucin de un mineral neutralizante que se vuelve soluble a ese nivel de pH.Si la oxidacin contina hasta que se haya agotado todo el potencial de neutralizacin, se presentarn valores de pH alrededor de 2.5.A estos pH el Fe(III) no precipitar como hidrxido y por lo tanto se mantendr en solucin, actuando en las reacciones de oxidacin indirecta.

ETAPA IIIA medida que los minerales alcalinos se consumen, se produce acidez a mayor velocidad que alcalinidad, el pH se vuelve cido.

Las reacciones dominantes se transforman de oxidacin qumica a principalmente oxidacin biolgicamente catalizada.

De las reacciones de oxidacin sulfurosa, se produce hierro ferroso, que se oxida biolgicamente y se convierte en hierro frrico. Este, a su vez, reemplaza el oxgeno como el oxidante principal.

ETAPA IIIEn esta etapa, la velocidad de oxidacin es considerablemente ms rpida que en la Etapa I. El descenso del pH incrementa la velocidad de oxidacin con un aumento de velocidades de 10 a un milln de veces ms que aqullas generadas por oxidacin qumica. En esta etapa, el agua de drenaje es generalmente cida, caracterizada por sulfatos y metales disueltos en concentraciones elevadas. El hierro disuelto se presenta como hierro ferroso y frrico

ETAPA IIIEn algn momento en el futuro, dcadas y posiblemente- siglos despus del inicio de la generacin de estos cidos, la velocidad disminuir con la oxidacin completa de los sulfuros ms reactivos y el pH se incrementar hasta que la roca se torne slo ligeramente reactiva y el pH del agua de drenaje no sea afectado. El tiempo para cada etapa sucesiva puede variar de un perodo de das a cientos de aos, dependiendo de los factores que controlen la generacin de cido.

QU CARACTERSTICAS PRESENTAN LAS AGUAS CIDAS?

Las aguas cidas presentan: Valores de pH por debajo de 7 hasta 1.5Alcalinidad decreciente y acidez crecienteConcentraciones elevadas de sulfatoConcentraciones elevadas de metales (disueltos o totales)Concentraciones elevadas de slidos disueltos totales.