I

Universidad Nacional Experimental de Guayana

Coordinación General de Investigación y Postgrado Maestría en Ciencias Ambientales

Mención: Gestión Ambiental

PROPUESTA DE PROCEDIMIENTO FÍSICO PARA EL TRATAMIENTO DEL HIDRÓXIDO DE SODIO EN DESECHOS

INDUSTRIALES. Caso: CVG BAUXILUM

Proyecto de tesis presentado ante la Coordinación General de Investigación y Postgrado como parte de los requisitos para optar al grado de Magíster Scientiarum en Ciencias Ambientales mención Gestión Ambiental.

Autor: Ing. María Chacón A.

Tutor: Dr. Máximo Benavides

Ciudad Guayana, julio 2008

II

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE GUAYANA COORDINACIÓN GENERAL DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO

MAESTRÍA EN CIENCIAS AMBIENTALES MENCIÓN GESTIÓN AMBIENTAL

CONSTANCIA DE APROBACIÓN DEL TUTOR En mi carácter de tutor del Proyecto de grado “Propuesta de

Procedimiento Físico para el Tratamiento del Hidróxido de Sodio en

Desechos Industriales Caso: CVG BAUXILUM” presentado por la

estudiante graduada María Chacón A. cédula de Identidad: 5 707 103

para optar al grado de Magíster en Ciencias Ambientales Mención

Gestión Ambiental, considero que dicho trabajo reúne los requisitos y

méritos suficientes para ser sometido a la presentación pública y

evaluación por parte del jurado examinador.

En la ciudad de Puerto Ordaz a los 02 días del mes de junio de 2008.

III

IV

“No hay mejor medicina que la esperanza, ningún incentivo es tan grande, ningún tónico es tan poderosos como la expectativa de un mañana mejor”

Orison Swett Marden

V

AGRADECIMIENTO

A Dios todopoderoso en quien todo lo puedo.

Al Ing. Máximo Benavides por su profesionalismo.

A la profa. Rose Mary Díaz por ser la luz que permitió

reconstruir este trabajo.

A esa hermosa familia que Dios me ha proporcionado: madre,

esposo, hijos, hermanos, sobrinos, ejes de inspiración en mi

vida.

A los profesores Alexander Mansutti, Luis D`Aubeterre, Iokiñe

Rodríguez, Judith Rosales, Gustavo Blanco y todos los que

estuvieron involucrados en la maestría, cuyo estímulo,

conocimientos y diversidad de criterios no dejan otro camino

sino construir una senda de excelencia.

A mis amigos, compañeros de estudio y compañeros de trabajo,

en especial A: Lilian Castillo, Pedro Pérez, Manuela Petit, Abia

López, Lucía Moncada, Elisa Alcalá, Emarilis Colina, Maritza

Larez, Miriam Delgado, Marisol González, Christina Toth,

Esmina Salazar, Herlis Peña, Sandra Sánchez, José Daniel

Yánez, Ing. Chemel y asistente.

Al personal de CVG Bauxilum por su colaboración, en especial

a la Lic. Luisa García.

Al personal de Laboratorio Analítico de CVG AlCASA, en

especial al Lic. Andrés Mendoza y la TSU Theira Ambar.

A todos mil gracias

VI

INDICE

CAPÍTULO CONTENIDO PÁGINA

EPÍGRAFE IV AGRADECIMIENTO V LISTADO DE TABLAS VIII

LISTADO DE FIGURAS IX LISTADO DE GRÁFICOS X RESUMEN XI INTRODUCCIÓN 1 I EL PROBLEMA

Planteamiento del problema 3 Objetivos Generales y Específicos 4 Justificación 4 Alcance 6

II MARCO TEÓRICO Antecedentes 7 La cadena del aluminio 9 Extracción de la bauxita 10 Características química de la bauxita 11 Producción de alúmina 12 Reacciones Involucradas 13 Consideraciones sobre los procesos físico-químicos

que tienen lugar en el tratamiento de las materias primas con contenido de alúmina.

14

Naturaleza y propiedades de las soluciones de aluminato

14

Actualizaciones en la tecnología Bayer 20 Posibilidad de reducir las pérdidas de alúmina y

alcalinos en la tecnología Bayer 26

Reducción de aluminio primario 28 Efectos medioambientales generados en la cadena del

aluminio 30

Lodos Rojos 32 Generación y disposición 32 Métodos de tratamiento 33 Usos 35 Composición química 35

VII

La sosa cáustica 37 Impacto a la salud 39 Métodos de Recuperación de NaOH 40 La evaporación 41 Tipos de evaporadores 43

III MARCO METODOLÓGICO Tipo de investigación 48 Población y muestra 48 Procedimiento 49 Materiales e instrumentos 53 Caracterización de las muestras 55 IV RESULTADOS Caracterización del efluente 60 Identificación de las rutas tecnológicas actuales

empleadas en el tratamiento de los lodos rojos 64

Caracterización física, química y mineralógica de las muestras evaporadas

68

Equipo propuesto para la evaporación 77 Procedimiento para establecer la evaporación como

método de tratamiento del lodo rojo. 79

Análisis de Resultados 80 CONCLUSIONES 84 RECOMENDACIONES 85

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 86

VIII

LISTADO DE TABLAS

No. TABLA CONTENIDO PÁGINA 1 Componentes químicos mayoritarios

de la bauxita 11

2 Valores típicos de la alúmina calcinada

14

3 Producción general de aluminio 30 4 Efectos generales que genera la cadena

de aluminio 31

5 Análisis de lodo rojo de la empresa CVG Bauxilum

36

6 Caracterización química específica del lodo rojo

36

7 Ficha técnica del NaOH 38 8 Métodos físicos para separación de

productos peligrosos 41

9 Composición química del componente líquido del lodo rojo

60

10 Densidad relativa del lodo rojo por el método del picnómetro

61

11 Análisis granulométrico del lodo rojo 61 12 Composición química de la muestra

del lodo rojo 62

13 Composición mineralógica del lodo rojo

63

14 Composición química del vapor condensado del lodo rojo

68

15 Análisis granulométrico del lodo rojo evaporado

70

16 Composición química de las muestras del lodo rojo evaporado

71

17 Composición química promedio de las muestras de lodo rojo evaporada comparado con la composición

química del lodo rojo sin evaporar

72

18 Composición mineralógica de las muestras de lodo rojo evaporada

74

19 Composición mineralógica promedio de las muestras de lodo rojo

evaporadas

75

IX

LISTADO DE FIGURAS

Figura 1 Flujograma de operaciones unitarias para la producción de

alúmina

12

Figura 2 Repartición de iones ade aluminio e iones hidroxilo en la estructura de

la hidrargilita

16

Figura 3 Sistema isotérmico Al2O3-Na2O-H2O a diferentes concentraciones a

200ºC

17

Figura 4 Diagrama de composición de equilibrio en un sistema Al2O3-

Na2O-H2O

17

Figura 5 Procesamiento del ciclo Bayer en un sistema Al2O3-Na2O-H2O

18

Figura 6 Dependencia de la viscosidad de las soluciones de aluminato en

función de la [ Na2O] a diferentes temperaturas

22

Figura 7 Sistema lagunar de CVG Bauxilum 33 Figura 8 Diagrama de evaporación

propuesto por Treybal (1998) 42

Figura 9 Tipos de evaporadores 44 Figura 10 Plano de muestreo 50 Figura 11 Evaporación y filtración del lodo

rojo 51

Figura 12 Destilación simple del lodo rojo

51

Figura 13 Triangulo de textura de suelos

66

Figura 14 Evaporador de placas

78

Figura 15 Evaporador de película fina agotada

78

X

LISTADO DE GRÁFICOS

Gráfico 1 Variabilidad del tamaño de partícula en el lodo rojo

61

Gráfico 2 Comparación de la composición química de los óxidos presentes en

el lodo rojo

62

Gráfico 3 Composición mineralógica estimada de las fases presentes en

el lodo rojo

63

Gráfico 4 Variabilidad del tamaño de partícula en el lodo rojo evaporado

70

Gráfico 5 Variabilidad de la composición química de los óxidos presentes en función del tiempo de evaporación

71

Gráfico 6 Variabilidad de la composición química promedio de los óxidos

presentes en función del tiempo de evaporación

72

Gráfico 7 Variabilidad de la composición química promedio de los óxidos

presentes en función del tiempo de evaporación comparado con la

composición química del lodo rojo

73

Gráfico 8 Composición estimada de las fases presentes en el lodo rojo evaporado

74

Gráfico 9 Composición mineralógica estimada promedio de las fases

presentes en el lodo rojo evaporado

75

Gráfico 10 Variabilidad de la composición mineralógica promedio de los

óxidos presentes en función del tiempo de evaporación en

comparación con la composición mineralógica del lodo rojo

76

XI

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE GUAYANA COORDINACIÓN GENERAL DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO

MAESTRÍA EN CIENCIAS AMBIENTALES MENCIÓN GESTIÓN AMBIENTAL

“PROPUESTA DE PROCEDIMIENTO FÍSICO PARA EL

TRATAMIENTO DEL HIDRÓXIDO DE SODIO EN DESECHOS INDUSTRIALES. Caso: CVG BAUXILUM”

Autor: ING. MARÍA CHACÓN A. .

Tutor: Dr. MÁXIMO BENAVIDES.

Año: 2008

RESUMEN

El lodo rojo es el desecho industrial del proceso Bayer producido en la obtención de la alúmina por digestión de la bauxita con sosa cáustica, el cual se ha constituido en un pasivo ambiental que genera graves problemas en el entorno donde es depositado. La pulpa de lodo rojo posee un 25% de sólido, por lo que cualquier alternativa tecnológica para su tratamiento implica la separación del líquido contentivo, por ello en la presente investigación se plantea el tratamiento de la suspensión de lodo rojo por evaporación a los fines de buscar aportes de información que permitan dar alternativas de tratamiento de estos efluentes. Es un trabajo descriptivo-explicativo con un diseño cuasiexperimental, siendo la variable independiente el tiempo de evaporación y la variable dependiente la composición química y mineralógica. La población estuvo constituida por una muestra aleatoria única de 5 litros y la evaporación se llevó a cabo en tiempos de 8, 12 y 24 horas, en el que se obtuvo un sólido de composición química: 19.7% Al2O3, 41.1% Fe2O3, 15.6% SiO2, 2.8% Na2O, 4.6% CaO y 3.4% TiO2. La composición mineralógica: 16.4% hematita, 33.86% gohetita, 11.62% cuarzo, 18.62% gibbsita, 11.54% bayer soda, 1.82% bohemita, 1.10% calcita, 2.34% anatasa y 2.21% ilmenita. El estudio demostró que, de acuerdo a las características físicas, el equipo que pudiera emplearse es un evaporador de película fina agitada, que la complejidad en la composición de este pasivo ambiental no permite la aplicación directa de técnicas para su tratamiento, por lo que los principios de producción limpia deben ser aplicados para obtener un desecho en menor cantidad y de mas fácil manejo y que la evaporación es una alternativa interesante en la cadena de pasos que representa el hacer del lodo rojo un punto de partida para otras aplicaciones. Palabras claves: Lodo rojo, evaporación, pasivo ambiental.

1

INTRODUCCIÓN

El mundo globalizado de hoy demanda materiales que deben ser extraídos del subsuelo y transformados, de tal manera, que permitan mantener o incrementar el nivel de desarrollo impuesto por las naciones “desarrolladas”. En Venezuela, la región Guayana fue bendecida por la naturaleza al encontrarse en ella minerales básicos que sustenten un imperio industrial. Según cifras del Banco Central de Venezuela (BCV, 2006) el sector minero constituye la segunda fuente de divisas del país. Los procesos productivos que se desarrollan permiten la transformación de nuestras materias primas en productos de primera clase, que luego deben ser sometidos a otros procesos para ser convertidos en bienes, los cuales en su mayoría no se ejecutan en el país. Entre estos minerales se encuentran el hierro, la bauxita y el oro, cada uno de ellos base para industrias como la de los pre-reducidos, el acero y el aluminio. Ellas generan beneficios económicos y sociales palpables. Sin embargo, también crean problemas ambientales. En particular la producción de aluminio primario, cuya transformación involucra tres etapas: la extracción de bauxita, la producción de alúmina y la producción de aluminio. En cada una de ellas se generan impactos al ambiente diferentes, que afectan la flora, la fauna, los cuerpos de agua y al hombre. La segunda etapa, específicamente la transformación de bauxita en alúmina, genera un desecho industrial denominado lodo rojo. El carácter básico de este residuo lo hace un desecho peligroso con características tóxicas, cuya disposición final se realiza en lagunas de sedimentación aledañas a lagunas naturales y al río Orinoco, provocando alteraciones en el equilibrio ecológico del medio y en la salud de los habitantes de las comunidades cercanas (Narayan, 2006a). Muchos han sido los esfuerzos por emplear este desecho en procesos productivos alternos, en la extracción de metales de interés contenidos en él, además de ser utilizado como materia prima en productos de uso cotidiano. A pesar de esto, ninguna de las opciones propuestas es un proceso a gran escala, por lo que los niveles de lodo se mantienen y con ello los problemas que se generan.

En este estudio se pretende someter la suspensión de lodo rojo a un procedimiento físico que permita la disposición final de un desecho sólido, cuyo control sea mayor y en consecuencia baje su afectación al ambiente. El procedimiento físico, evaporación, permitirá una redistribución de los porcentajes de las sustancias que componen el lodo rojo (sólido), el vapor podrá condensarse y reciclarse a la corriente de lavado. En función de la caracterización que se le realizará al sólido obtenido se determinará el porcentaje de eficiencia de la técnica implementada, la parte del proceso productivo más recomendable para ubicar el equipo evaporador, las características técnicas del equipo

2

sugerido, según las variables experimentales del proceso, permitirá inferir los posibles usos del desecho y serviría de base para que en futuros estudios se determinen las medidas que a corto, mediano y largo plazo ayuden a reestablecer las condiciones del suelo, aguas y atmósfera. El contenido de este informe está estructurado en tres capítulos. El capítulo I presenta el problema, el objetivo general, los objetivos específicos y la justificación del trabajo. En el capítulo II se expone el marco teórico que sustenta la investigación, El capítulo III corresponde al marco metodológico, se presenta el tipo de investigación, la unidad de observación, la unidad de análisis y el procedimiento a seguir para cubrir la parte experimental diseñada. En el capítulo IV se encuentran los resultados y su análisis. Finalmente, las conclusiones, recomendaciones y las referencias bibliográficas.

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CAPITULO I

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la región Guayana se fabrica el aluminio primario que reporta al país aproximadamente el 9% del Producto Interno Bruto. Es, después del petróleo, el rubro que genera mayor ingreso en Venezuela. Para su producción se emplea como una de sus materias primas, principales, la alúmina elaborada por la empresa tutelada por la Corporación Venezolana de Guayana Bauxita y Alúmina (CVG BAUXILUM). Esta empresa desde 1983 aplica el proceso Bayer (1888), el cual consiste en la digestión del mineral bauxítico con sosa cáustica para obtener la alúmina grado metalúrgico que las reductoras de aluminio requieren, pero también se genera una alta cantidad de residuos equivalente al 40% en masa de la bauxita que se procesa (Amaiz y Rodríguez, 1999). Ese residuo es básicamente una pulpa de arena y líquido cáustico llamado lodo rojo. Este lodo es un material tóxico insoluble que se caracteriza por contener óxidos de hierro, sílice y titanio, además de cantidades variables de compuestos de Si, Ca, Na, y otros elementos. Contiene elevados porcentajes de hidróxido de sodio, que le dan un pH básico. Debido a su toxicidad y a la potencialidad de afectar el medio ambiente de este residuo, la empresa dispone de lagunas de sedimentación donde deposita todo este pasivo ambiental. Las lagunas de sedimentación se diseñaron con una vida útil de 15 años (Morales, 2005) pero hoy, después de 24 años de uso, con los aumentos de producción, por ende aumento de la cantidad de lodo rojo depositado, se hizo necesario el aumento de la cota de los diques de contención y la construcción de canales de recolección de sobrenadante a los fines de alargar su vida útil. De acuerdo a Guerra y Guzmán (1999), ellas reciben aproximadamente 250 m3/h de desecho tóxico, lo que ha provocado su colapso, que unido a la baja velocidad de descomposición de la sosa cáustica y el no contar con un medio alterno de tratamiento han ocasionado una alteración importante en el equilibrio ecológico de su entorno. Estas alteraciones fueron identificadas por Gual (2006) en el marco del Proyecto Corredor Orinoco que ejecuta la UNEG. Los síntomas mas resaltantes de este efecto son la filtraciones de licor que llegan a las lagunas naturales aledañas a la zona de deposición, escasez de peces en esas lagunas, alteración del pH de los cuerpos de agua, problemas de salud en los habitantes de las zonas pobladas cercanas y alcalinidad de los suelos y por tanto influencia en la flora y la fauna, (Rosales, 2004 y Narayan, 2005a).

4

A pesar de que se han realizado investigaciones para tratar este lodo e implementado soluciones de ingeniería por parte de la empresa, no se ha logrado detener el impacto ambiental generado. Los efectos sobre el entorno no han mermado, porque no se han disminuido los valores de las variables que le dan su carácter de desecho peligroso. En vista que la cantidad de sosa cáustica (NaOH), expresada como Na2O, es la variable mas importante a controlar para reducir los efectos causados, éste trabajo plantea la evaporación de la suspensión de lodo rojo, a los fines de obtener un desecho sólido con alta concentración de NaOH que puede tener un plan de manejo acorde con las normas ambientales y/o darle uso para en la elaboración de productos que requieran la arcilla básica como producto principal. OBJETIVO GENERAL Proponer un procedimiento físico para el tratamiento del hidróxido de

sodio en lodos rojos. Caso: CVG BAUXILUM.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Caracterizar física, químicamente y mineralogicamente el efluente que se deposita en la laguna de lodos rojos.

Estudiar las rutas tecnológicas empleadas en el tratamiento de

lodos rojos.

Caracterizar física, química y mineralógicamente el sólido generado en el proceso de evaporación.

Establecer las características del equipo técnico que debería ser

utilizado en el tratamiento de lodos rojos similares a los generados en CVG BAUXILUM.

Diseñar el procedimiento físico que permita la evaporación del

desecho industrial de CVG BAUXILUM.

JUSTIFICACIÓN

El equilibrio ecológico de todo ecosistema debe ser conservado, si se quiere preservar la vida en una comunidad y en general sobre la tierra.

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Los esfuerzos a nivel mundial y local para este propósito son palpables y urgentes. En vista de esto, se hace necesario estudiar nuestros procesos productivos, que si bien dejan beneficios económicos y sociales, emplean técnicas cuyos efectos son devastadores para los componentes de los ecosistemas. El lodo rojo generado en el proceso que emplea CVG BAUXILUM ha sido tratado en muchas investigaciones por largo tiempo, las propuestas han permitido conocer usos viables para esta sustancia. Sin embargo, no se ha logrado minimizar su potencial de toxicidad y peligro. En virtud de lo anterior, la presente investigación pretende mediante un proceso de evaporación retener la sosa cáustica contenida en la corriente de desecho, por ser el factor que le da al lodo su condición de peligro, para luego establecer la forma de disposición o el uso que tendrá el sólido resultante. La solución propuesta permitirá una mejora ambiental perceptible: las lagunas naturales podrán recuperar un pH que permita la vida de los microorganismos y organismos que tienen su habitad en ella, los suelos podrían ser receptores de especies vegetales que conlleven a la mejora visual del paisaje, su regeneración, la conservación de especies faunisticas propias, los posibles reboses que se producen en la laguna no afectarían en alto grado las condiciones del río Orinoco lo cual evitaría la mortandad de peces y otros organismos que se producen cuando se presenta esta situación y las aguas subterráneas tendrían menor probabilidad de ser contaminadas. Los problemas salud (dermatitis e irritación ocular entre otros) de los pobladores, manifestados en diarios de la región, mejorarían al estar en contacto con una sustancia con un pH por debajo del actual. En lo social, se podría pensar en la formación de núcleos sociales productivos al disponer de un pasivo con atractivas propiedades para la elaboración de productos de limpieza caseros (limpiador de cerámicas, destapa cañería) y otros derivados de investigaciones realizadas para este fin. Esto incrementaría los ingresos por familia, por tanto mejoraría la posibilidad de progreso en cuanto a calidad de vida. Se incrementarían los lazos entre la comunidad y la empresa, entre los miembros de la familia y entre los miembros de la comunidad. La empresa bajaría los niveles de conflicto con la comunidad, con grupos ambientalistas y con los organismos competentes encargados de regulaciones ambientales. Así mismo, podría obtener en menor tiempo las normas de acreditación ambiental, se dispondría de tiempo y personal para ser destinado a otras funciones, disminuirían las inversiones en reacondicionamiento de lagunas de sedimentación. La importancia de la propuesta radica en que podría permitir la mejora en las condiciones ambientales de toda clase de vida presente en la zona, la participación ciudadana, la empresa contaría con una metodología para manejar su desecho mas peligroso y constituiría un avance en la

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optimización de los procesos productivos como mecanismo de desarrollo económico, social y ambiental. ALCANCE El presente trabajo de investigación constituye un avance en la cadena de pasos que requiere la solución al problema de los lodos rojos en la industria procesadora de alúmina a partir de la bauxita. Tiene como principio atacar el residuo antes de ser depositado en las lagunas de sedimentación rompiendo con el esquema que tradicionalmente se ha venido realizando. Bajo esa óptica, se establece un estudio para conformar una propuesta técnica que permita la evaporación de la suspensión de lodo rojo que se genera en el proceso Bayer y obtener un sólido con alta concentración de hidróxido de sodio. Para tal fin, se desarrollarán experiencias a escala de laboratorio, orientadas a caracterizar física, química y mineralógicamente la muestra de lodo rojo y el sólido obtenido en la evaporación. En función de esa caracterización se establecerá la eficiencia del proceso de evaporación, se recomendará el equipo de evaporación más adecuado y su posible ubicación.

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CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

ANTECEDENTES El lodo rojo es un pasivo ambiental generado del proceso de transformación de la bauxita en alúmina, conocido como proceso Bayer. Este lodo ocasiona marcados efectos ambientales por tal razón es un importante ítem de estudio en el área ambiental, social, productiva y económica. La revisión bibliográfica reporta investigaciones para reuso del lodo, biorremediación de suelos, recuperación de metales estratégicos, efectos a la salud, diagnostico y caracterización de las lagunas de sedimentación, y evaluación de los efectos causados por este desecho ambiental. Tal como lo exponen Krisnhna, Reddy y Patnaik (2005) en un estudio donde presentan la posibilidad de emplear un hongo (Aspergillus Tubingensis AT1) como medio para mejorar las condiciones de suelos pobres cuyo sustrato es el lodo rojo. Es una investigación donde se aplica la biorremediación. Se obtuvieron reducciones de pH, en 2-3 unidades y una baja en la alcalinidad. Lo cual, permite la siembra de especies vegetales comestibles como el maíz y se convierte en una alternativa para la regeneración de suelos impactados por los lodos. El estudio realizado por Summers, Guise and Smirk (1993), plantea aprovechar el fósforo natural contenido en el lodo rojo, que no entra en reacción en el proceso Bayer, para enriquecer los suelos arenosos. Estos suelos tienen granulometría gruesa, bajos contenidos de óxidos de hierro y aluminio y pierden por lixiviación los fosfatos. Los lodos rojos son una alternativa para enmendar los suelos arenosos, de tal forma que se evite la lixiviación del elemento fertilizante, se acondicionen los suelos y se aproveche un pasivo ambiental perjudicial al ambiente. Esta propuesta está apoyada por la investigación Snars, Gilkes y Hignes (2003), donde se propone la misma técnica variando la composición del lecho de suelo. Una variante, de este tipo de investigación, es la presentada por Cheung y Venkitachalam (2006) donde se estudia la cinética de absorción del fósforo para enmendar suelos afectados por tanques sépticos. Otras investigaciones, en este ámbito son las de Clarke, (2001) referida al uso del lodo rojo en suelos arenosos y su respuesta a la fijación del fósforo y Wong (2004) quien estudia el empleo de lodo rojo en suelos arenosos con especies de tréboles. Luque (2005), recomiendan la siembra de la especie vegetal vetiver, como medio de reforestación de suelos en las áreas intervenidas en la extracción de bauxita. Esta especie se aclimata, en tiempo prudencial, a

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las condiciones del suelo, se reproduce satisfactoriamente y mejora la condición paisajística del lugar. En función de esta investigación, Lisena, Tovar y Ruiz (2006) intentan profundizar los resultados haciendo un estudio de adaptación de la especie a los suelos aledaños a la laguna de lodos rojos en Ciudad Guayana, Las primeras exploraciones reportadas indican la necesidad de estudiar la influencia de la composición del suelo para la aclimatación de una especie que no es autóctona, pero que puede llegar a reproducirse en esos lugares. En cuanto a la recuperación de metales y otros compuestos empleando lodo rojo, resaltan los trabajos de Rubinos, et al (2005) y Vinod y Sanrabh (2002) quienes muestran alternativas para recuperar metales de interés económico como el zinc y el cadmio, nocivos a los suelos, por distintas técnicas. Gupta, Mudar y Tandon (2005) proponen extraer el galio contenido en él como metal estratégico. Para la remoción de los clorofenoles en aguas de lavado empleando lodo rojo se encuentra la investigación realizada por Gupta, Ali y Saini (2004) y para la remoción de la rodamina y otros indicadores en aguas de lavado se encuentra el trabajo de Suhas, Gupta y Alí (2004). GenĀs-Fuhrman, Tjell y McCondrie (2004) reportan el uso del lodo rojo neutralizado como medio de adsorción del arsénico inorgánico del agua; Kir y Cengeloglu (2006) lo emplean como agente aglutinante en la recuperación del Al(III), Fe(III), Ti(IV) y Na (I) en resinas de intercambio iónico. Rodríguez y Silva (2003) presentan al lodo como un activador donde la presencia de cloruros y fluoruros son importantes para el proceso de boronizado. En cuanto a los trabajos que evidencian los efectos de los lodos a la salud se encuentran: Andreollo (2003), donde se relaciona el cáncer digestivo y patologías con la ingesta de sosa cáustica en bajas cantidades, McQuae (2002) demuestra la influencia de las filtraciones de soda cáustica a las lagunas naturales como acción nociva de esa sustancia a la salud. Numerosas denuncias por efectos ocasionados, han estado en la prensa de los distintos países donde se desarrollan procesos productivos que involucran el NaOH. Así se presenta a Saballos (2004), Muller (1994), La Prensa Nicaragua (14/06/2004), Correo del Caroní Venezuela (27/01/2005, 02/10/2005, 15/10/2005, 24/09/2006,09/02/2007, entre los más recientes). William (1997) estudia el impacto de los lodos y su posible tratamiento para disminuir el impacto sobre el ambiente, Guerra y Guzmán (1999) caracterizan el lodo y estudian su efecto al medio ambiente proponen alternativas ha desarrollar para la minimización del impacto ambiental y posibles usos de los lodos. A partir de este estudio, se efectuaron los trabajos de Aponte (1999) y Amaiz y Rodríguez (1999) quienes proponen realizar un tratamiento de calcinación y de sinterización respectivamente como alternativas de uso de los lodos a los fines de mermar los volúmenes de este desecho en las lagunas. Otros estudios importantes para diagnosticar y evaluar los efectos medioambientales generados por el lodo rojo son los de Graffe (2002,2006) quien estudia los efectos sobre la laguna punta Cuchillo aledaña a la laguna de lodos rojos y en una

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posterior investigación analiza el impacto ambiental generado por el proceso Bayer y las actividades de extracción que el proceso involucra. Caraballo (2001) realiza una caracterización físico-química de los efluentes de CVG Bauxilum a los fines de establecer su impacto ambiental, Ojeda (2004) establece esas mismas características físico-químicas pero con miras a reforestar los suelos impactados Davis y Smith (1993) proponen el uso del lodo rojo en la fabricación de ladrillos, técnica apoyada por las investigaciones de Mukerji y Stulz (1997), Manrique y Crespo (1998) y Pérez (2005). En cuanto a las investigaciones que involucran el proceso productivo las referencias bibliográficas son particularmente escasas, aunque se cuenta con bibliografía referida al tratamiento de lodos rojos. En Venezuela, la empresa CVG BAUXILUM a ejecutado trabajos de investigación (pasantías y tesis de grado a nivel técnico y profesional) a los fines de realizar la búsqueda del control y la optimización de variables para un mayor rendimiento del proceso, tal es el estudio presentado por Solis (1998) donde se busca una relación de pulpa que deje la mayor cantidad de hidróxido de sodio en la solución de lavado antes de ser dispuesta a la laguna de sedimentación, otros trabajos referidos a este aspectos son los de Recio (1998), Niño (2001) y Chuecos (2002). Amaiz (op cit), cita dos alternativas de adecuación ambiental realizadas por la empresa. Una consiste en una propuesta técnica presentada por la Universidad Simón Bolívar (USB), parque tecnológico de Sartenejas, que permitiría reciclar los lodos para usos en la industria de la construcción, fabricación de ladrillos, tejas y bloques y una segunda propuesta por la firma KD Engineering conjuntamente con la empresa Atomaer de Australia para neutralizar el lodo con dióxido de carbono (CO2) de manera continua, denominando este proyecto “fliblast”. Sin embargo, a pesar de los años transcurridos no se registran avances en ninguna de las dos alternativas. Actualmente, la empresa en convenio con la internacional Pechiney pretende instalar un proceso denominado Dry Stacking para la deposición de los lodos en seco, lo cual evitaría la parte líquida sobrenadante que es la causante de los problemas, no se tienen documentos disponibles al público que detallen el proceso a seguir. En cuanto al pretratamiento de minerales se encuentra que Sepúlveda, Vargas y Zuñica (2004) proponen la flotación flash como método de concentración con porcentajes de recuperación entre 40-60%, pero la incorporación de los principios de producción limpia son, en la actualidad, la tendencia industrial que más contribuye con la aplicación de lo que se considera desarrollo sustentable. LA CADENA DEL ALUMINIO El empleo creciente del aluminio, desde la última década del siglo XIX, ha conllevado a algunos autores a bautizar la actual era como la era

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del aluminio. A comienzos del siglo XX, la producción mundial se duplicó cada nueve años hasta el año 1950, fue multiplicada por diez de 1950 a 1980 y aumentó un 80% aproximadamente en los últimos veinte años. La producción actual es superior a los 25 millones de toneladas (Orrego, 2002). Es un metal con características especiales, entre las que destacan: es liviano, resistente a la corrosión, excelente conductor del calor y la electricidad, maleable (puede cortarse en láminas) y dúctil (puede estirarse en hilos), lo que determina su fácil manejo, tres veces mas ligero que el hierro, pero con similares propiedades mecánicas, muy buen reflector de la luz, no magnético, diversificable en su uso (se pueden realizar muchas aleaciones), de larga duración y reciclable. Son estas propiedades las que permiten variabilidad de usos: debido a su elevada resistencia específica, es muy utilizado para construir aviones, vagones ferroviarios, automóviles y para otras aplicaciones donde es importante la movilidad y la conservación de energía. Se usa como conductor de alto voltaje (700.000 voltios o más); por su excelente conductividad del calor, se emplea en utensilios de cocina y pistones de motores de combustión inerte, con el frío el aluminio se hace más resistente por lo que se usa en temperaturas criogénicas, al no permitir el paso de la luz protege los alimentos y otros productos perecederos, se usa en contenedores, latas, botellas, envoltorios flexibles, la resistencia a la corrosión al agua de mar, también lo hace útil para fabricar cascos de barcos y otros mecanismos acuáticos, en arquitectura con propósitos estructurales y ornamentales (Burkin, 1987). Su fabricación se realiza por etapas: extracción de la bauxita, producción de la alúmina y la reducción del aluminio primario. A continuación se describe, brevemente, cada proceso: 1.- Extracción de bauxita La bauxita, es un mineral laterítico, común en las zonas tropicales y subtropicales, cuya tonalidad va desde el blanco hasta el rojizo (Museo geológico de Venezuela, 1999), de acuerdo a su contenido de hierro. Está constituido por una mezcla de hidróxidos de aluminio: hidrargilita o gibsita (Al2O3.3H2O), bohemita (γ-AlOOH), diásporo (α-AlOOH) y otros minerales (sílice, hierro y titanio). Es, junto al hidróxido de sodio (NaOH), la materia prima para la fabricación de alúmina, aunque se emplea también en la elaboración de material refractario, abrasivos, químicos, cementos, cerámicas y procesos de refinación de hidrocarburos. El método empleado para su extracción es a cielo abierto (minería de superficie), cuya aplicación es de gran impacto sobre el ambiente. Se requieren de cuatro a cinco toneladas de bauxita para producir una tonelada del preciado metal gris. Orrego ob, cit, reporta que Sudamérica posee 33% del mineral, África 27%, Asia 17% y Oceanía 13%, siendo los países más productores, en

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millones de toneladas, Jamaica (mas de 10), Surinam (6), Rusia (5), Guayana Británica (4-6), Francia (3) y Estados Unidos (2,3) y Australia (3). 1.1.- Características químicas de la bauxita La riqueza de la bauxita explotable varía según el uso a que se destina y la naturaleza y cantidad de impurezas presentes. Para ser empleada industrialmente, la bauxita debe contener entre 55-65% de óxido de aluminio o poseer una ley mínima promedio explotable en la corteza terrestre de 30% con un factor de concentración de 3,75% (Evans, 1980). En la tabla 1 se muestran los contenidos químicos mayoritarios de la bauxita según el país de origen. Las composiciones señaladas se determinaron en bauxitas comerciales, no se tiene información si alguna de ellas ha recibido tratamiento previo. Se observa en la tabla 1, que la bauxita venezolana comparativamente contiene menor proporción de Al2O3 que las demás. Sin embargo la gran cantidad de reservas que posee el país, estimadas en 500 millones de toneladas por el Ministerio de Planificación y Desarrollo (2005), permiten su uso explotación rentable. Es de hacer notar, que a mayor cantidad de sílice, hierro y otros óxidos mayor será la cantidad de lodo que el proceso de transformación de la bauxita genere (Bateman, 1980). TABLA 1. COMPONENTES QUÍMICOS MAYORITARIOS DE LA BAUXITA

% Procedencia

Al2O3 SiO2

cuarzo

SiO2

reactivo

Fe2O3 TiO2 PPI

VENEZUELA

(Pijiguaos)

47.5 -52.3 2.5 -10.6 0.7 - 2.6 9.4 -5.8 1.0 -1.4 26.1-28.6

BRASIL 50 – 59 0.6 – 1.0 2 – 3 10 – 12 1 – 3 28

AUSTRALIA 45 – 52 0.4 – 1.0 2.2 – 2.6 10 –9.5 3 – 5 26.5

JAMAICA 50 – 52 0.5 – 1.0 0.5 – 1.0 15 – 19 2.0–2.5 25

GUYANA 52 – 59 0.5 – 1.5 1.5 – 3.0 5 – 7 2 – 3 30.1

E.U.A 50 – 52 6 – 8 2 – 3 10 – 12 2 – 3 30

FRANCIA 50 - 56 1 - 3 1 - 2 20 - 26 2 - 3 12-16

Fuente: Chacón,1999

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2.- La producción de alúmina La bauxita explotada es transportada desde su lugar de origen a las fábricas donde se obtendrá el oxido de aluminio anhidro o alúmina (Al2O3). Esta sustancia es un polvo blanco fino, químicamente inerte. Cuando se emplea como materia prima en la obtención de aluminio primario se le llama alúmina metalúrgica y como alúmina no metalúrgica cuando sus usos están destinados a la fabricación de abrasivos, catalizadores, elaboración de cerámicas, espesador de esmaltes, en tratamientos de agua para la remoción del arsénico, dentrificos, cosméticos, bujías, extintores de incendios, explosivos, como materia prima para la producción de rubíes y zafiros, entre otros (Caraballo, 2001). En la conversión de bauxita a alúmina se emplean los procesos Bayer, pirogénico y Deville-Pechiney, aunque en el mundo a nivel industrial se emplea el proceso Bayer. El cual consiste en hacer reaccionar el mineral laterítico (bauxita), finamente dividido, con soda cáustica (NaOH), floculantes y agua en un digestor bajo presión (entre 5 y 30 atmósferas) a altas temperaturas (150ºC a 240ºC) para obtener un hidrato de aluminio soluble en el licor generado. Los sólidos insolubles de hierro, titanio, silicio y otras impurezas son filtrados, lavados y depositados en lagunas colectoras dispuestas para tal fin. El licor rico en aluminato se bombea a tanques precipitadores donde se les agregan cristales finos de hidróxido de aluminio. Los cristales de mayor tamaño obtenidos de esta siembra se llevan a hornos calcinadores por encima de los 900 ºC donde se obtiene alúmina de alta pureza. En la figura 1 se detallan las operaciones unitarias involucradas en el proceso Bayer.

Figura 1. Flujograma de operaciones unitarias para la producción de alúmina.

Bauxita

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2.1.-Reacciones involucradas:

A continuación se presentan las reacciones químicas generales (2.1-2.10) que se llevan a cabo en las distintas etapas del proceso: Predesilicación:

A12O3. SiO2 .2H2O + 6OH- 2(SiO2) + 2Al(OH)4- + H2O (2.1)

2(SiO2)+2Al(OH)4-+2Na Na2O.Al2O3.2 SiO2 + 2H2O+ 4OH- (2.2)

Digestión: 2Al(OH)3 + 2NaOH Na2O.Al2O3 + 4H2O (2.3) 2AlOOH + 2NaOH Na2O.Al2O3 + 2H2O (2.4)

A12O3. 3H20 + 2NaOH Na2O. A1203 + 4H2O (2.5)

Concentración NaOH: 160 g/l Presión: 34 atm (9 bar) Temperatura: 140ºC

Precipitación: Na2O.Al2O3 + 4H2 Al(OH)3 + 2NaOH (2.6) Calcinación: 2Al(OH)3 Al2O3 + 3 H2O (2.7) Temperatura: 1200 ºC Desechos: SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H20 (2.8) 2(Na2O. SiO2)+ Na2O.A1203 + 4H2O Na2O.Al2O3.2SiO2.2H20 + 4NaOH (2.9) NaFeO2 + 2H2O 2Fe(OH)3 + NaOH (2.10)

∆

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Las características químicas de la alúmina obtenida en el proceso se presentan en la tabla 2. TABLA 2. VALORES TÍPICOS DE LA ALÚMINA CALCINADA

COMPUESTO PORCENTAJE (%) Al2O3 (Pureza) 98.2

SiO2 0.013 Fe2O3 0.0080 TiO2 0.003 V2O3 0.001 P2O5 0.001 Na2O 0.001 CaO 0.030 PPI 0.72

Fuente: CVG Bauxilum1999

Para producir 1 tonelada de alúmina se gastan de 2.0 a 2.5

toneladas de bauxita, 70 a 90 kg de NaOH, cerca de 120 Kg de cal, 7 a 9 toneladas de vapor, cerca de 280 kw/h de energía eléctrica y se generan 0,62 toneladas de residuo (lodo rojo).

2.2.- Consideraciones sobre los procesos físico-químicos que tienen lugar en el tratamiento de las materias primas con contenido de alúmina En vista de la importancia que tiene la etapa de digestión en la generación de lodos rojos se hace, a continuación, un desglose del planteamiento teórico que versa sobre esta etapa del proceso de extracción de alúmina. El tratamiento de bauxitas con contenido de alúmina tiene su base en una serie de procesos físico-químicos que determinan en forma directa el rendimiento de extracción (recuperación) del metal. 2.2.1.- Naturaleza y propiedades de las soluciones de aluminato Los hidróxidos de aluminio, que son los componentes principales en la bauxita, se distinguen por sus características anfóteras: α Al2O3.H2O diáspora, γAl2O3.H2O bohemita, γAl2O3.3H2O hidrargilita (gibsita). Por consiguiente, estas combinaciones son capaces de separar en la solución los iones hidrógeno y los iones oxidrilo, cuando los iones de aluminio

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entran completamente en la composición del anión AlO2 con carga negativa en medio básico, la disociación del hidróxido puede realizarse según la reacción 2.11 y su respectiva constante de equilibrio se muestra en la reacción 2.12: HA1O2 H2O H+ + AlO2

- + H2O (2.11)

[H+]. [AlO2-] (2.12)

[HA1O2] El punto isoeléctrico (concentración de iones hidrógeno en el medio), en el cual el compuesto anfótero se disocia en igual medida en ambas direcciones, corresponde para la bayerita a un pH de 9,2 y para la bohemita un pH de 9,4-9,45. La formación de la hidrargilita y de la bohemita de sus elementos se realiza de acuerdo a las reacciones 2. 13 y 2.14 Al + 3/2H2O + 3/2O2 = Al(OH)3 (2.13) Al + 1/2H2O + O2 = AlOOH (2.14) Para la reacción 2.13 la variación de la energía viene dada por la ecuación 2.15 y para la reacción 2.14 por la expresión 2.16 ∆Gº

T = - 304500 + 17049T lnT -0,0211 T2.10-3 -0,134x10-6 T3 + 8,634 T (2.15)

∆Gº

T = - 234500 + 1,3775T lnT -0,2365 T2.10-3 -0,7961.10-6T3 + 50,59 T (2.16)

La solubilidad de la bauxita en el hidróxido de sodio depende de la forma bajo la cual se encuentra el hidróxido de aluminio en este mineral, esto condiciona en última instancia la calidad de la bauxita y el rendimiento de extracción de la alúmina. Los valores de pH para pasar el aluminio en solución bajo la forma de iones Al+3 y AlO2

- están determinados por las siguientes reacciones (2.17 y 2.18):

32

º

log3,2

1log3,21

+−−∆

= AlOHh a

RTG

npH κ (2.17)

K(2.11) ≈ 4x10-13

16

−+−∆

= 22

º

log31log

3,21

AlOOHh a

RTG

npH κ (2.18)

Donde: ∆Gº

h : es la Variación standard del potencial de la reacción de precipitación KH2O: Producto de solubilización del H2O ą Al

+3; ą AlO2-: Actividad de los iones Al+3 y AlO2

-. El hidróxido de aluminio pasa en solución en forma de iones Al+3 a un pH menor de 3,2 y en forma de aniones AlO2

- a un pH mayor de 12. La solubilidad del hidróxido de aluminio en medio alcalino puede ser explicado por medio de la repartición de los iones de aluminio e hidroxilo en la estructura de la hidrargilita, tal como se observa en la figura 2.

Figura 2. Repartición de iones de aluminio y los iones hidroxilo en la estructura de la hidrargilita. ● Al+3 , ○ OH- Según la teoría de las combinaciones complejas, esta solubilidad se puede representar de acuerdo a la relación 2.19: HO OH Al(OH)3 + OH- = Al = Al(OH)4

- (2.19) HO OH

-

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En el tratamiento de las bauxitas por métodos alcalinos (figuras 3,4 y 5) una gran importancia la tiene el conocimiento de la naturaleza, estructura y propiedades físico-químicas de las soluciones de aluminato, de la cual depende en gran medida el rendimiento de la extracción de alúmina. Figura 3. Sistema isotérmico Al2O3-Na2O-H2O a 30, 60, 90,150 (g/l) a 200ºC Figura 4. Diagrama de composición de equilibrio en un sistema Al2O3-Na2O-H2O

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Figura 5. Procesamiento del ciclo Bayer en un sistema Al2O3-Na2O-H2O El grado de estabilidad de las soluciones de aluminato se determinan según la relación molar cáustica (RMC = Na2O/Al2O3). La solución de aluminato monosódica imposible de obtener posee un a RMC = 1; la solución del ciclo Bayer tiene una RMC = 1,5 a 1,9 después de disolver y 3,0 a 4 después de precipitar. La disolución del aluminio y sus compuestos en solución de hidróxido de sodio se desarrolla con la formación del aluminato de sodio, que puede ser considerado poderoso disolvente en solución. Todas las investigaciones indican que el aluminato de sodio en solución se comporta, prácticamente, como una sal disociada formando un catión de sodio y un anión de aluminato. La hipótesis de Herman y otros investigadores en relación a la presencia de moléculas de Al(OH)3 en soluciones no tienen una base real y no pueden confirmar una estructura coloidal del aluminato en solución. Aceptando el carácter iónico del aluminato de sodio, Dibrov supone que en la disolución de soda cáustica tiene lugar las siguientes reacciones (2.20-2.24): A12 O3 + 2OH- 2AlO2

- + H2O (2.20) (íon metaaluminato) A12 O3 + 6OH- 2AlO3

-3 + 3H2O (2.21) (íon ortoaluminato) A12 O3 + 2OH- + 3H2O 2Al(OH)4

- (2.22) (íon tetrahidroxialuminato)

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A12 O3 + 4OH- + 3H2O 2Al(OH)5-2 (2.23)

(íon pentahidroxialuminato) A12 O3 + 6OH- + 3H2O 2Al(OH)6

-3 (2.24) (íon hexahidroxialuminato) Para los sistemas que contienen una concentración menor a 15% Na2O rige la reacción 2.21, se confirma que el ion aluminato se encuentra en forma de Al(OH)4

- . A concentraciones mayores a 15% Na2O, la ecuación 2.19 presenta la mejor explicación y por consiguiente el ion aluminato deviene como AlO2

-; en estas condiciones el ion tetrahidroxialuminato sufre una deshidratación en etapas (reacción 2.25) Al(OH)4

- AlO(OH)2- + H2O AlO2

- + 2H2O (2.25) Las reacciones 2.20, 2.22 y 2.23 son poco probables a la vez que implica la formación de aluminatos polivalentes, porque en estas condiciones se disminuye el número total de iones en solución. Por mediciones de la conductividad eléctrica en las soluciones de aluminato en función de la temperatura, Linquist estableció la hipótesis que en estas soluciones es posible la existencia de los iones monovalentes y bivalentes, de acuerdo a la reacción 2.26. 2 Al(OH)4(2H2O)- Al2(OH)8(2H2O)2-

+ 2H2O (2.26) Las interacciones químicas que tienen lugar en la disolución de las combinaciones de aluminio, son condicionadas de la viscosidad y la tensión superficial de las soluciones de aluminato. Para determinar la viscosidad de las soluciones en el flujo tecnológico del proceso Bayer, se puede aplicar la ecuación propuesta por Sato (ecuación 2.27)

xnnLog

o

.κ= (2.27)

Despejando η: η = ηo10k.x (2.28) Donde: η: viscosidad de la solución de aluminato ηo: viscosidad de la solución de NaOH X: Concentración de alúmina en mol/L K: Coeficiente que se determina por la tangente del ángulo recto con el eje de la temperatura.

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La tensión superficial crece proporcionalmente con la concentración. Este fenómeno se explica por el hecho que la interfase solución-gas determinados iones de la solución devienen tensoactivos, determinando un aumento de la tensión superficial en las soluciones de aluminato. 2.3.- Actualizaciones en la tecnología Bayer La bauxita, después, que se lleva a operaciones de preparación es tratada con soluciones alcalinas tendientes a solubilizar alúmina (reacciones 2.29 - 2.31) AlO(OH) + NaOH AlO2Na + H2O (bauxita diaspórica) (2.29) Al(OH)3 + NaOH AlO2Na + H2O (bauxita hidrargilítica) (2.30) Al2O33H2O Al2O3 + 3H2O (2.31) Las operaciones de solubilización dependen de varios factores, los más importantes son: la composición mineralógica, estructura de la roca, temperatura (presión), concentración de la solución, agitación, entre otros. Los parámetros tecnológicos más importantes son la temperatura y la presión (240ºC, 30 atm) junto con aumentar la temperatura se aumenta la velocidad de las reacciones entre el hidróxido de sodio y los compuestos de la bauxita y se reduce en forma sensible el tiempo de reacción aumentando los rendimientos de extracción, la concentración de Na2Ok en la solución de ataque (260-280 g/l), aumento en la concentración de la solución, por ende se produce un aumento en la velocidad de la solubilización, reduciendo los volúmenes de los equipos y los costos de operación, con un αk inicial y final (3,5 con respecto a 1,65). Con el aumento de los valores de αk se aumentan los rendimientos y la estabilidad de las soluciones de aluminato. Los procesos heterogéneos que se desarrollan en la solubilización de la bauxita, con soluciones de recirculación se caracterizan por reacciones en la superficie de separación de las fases, en estas condiciones, la velocidad de lixiviación se puede expresar por la ecuación 2.32

)(.)( CCSCCSDdtdc

satsat −=−= κδ

(2.32)

Donde: dc/dt:: Derivada de la concentración en función del tiempo de disolución de la sustancia en un momento dado.

Extracción

Extracción Descomposición

Descomposición

Calcinación

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D: Coeficiente de difusión S: Superficie de separación de las fases δ: Grosor del lecho en que se desarrolla la difusión K: Coeficiente de difusión Csat: Concentración solución saturada en una sustancia dada C: Concentración de la sustancia disuelta En el caso de la solubilización de las bauxitas, C representa la concentración de Al2O3 a la temperatura de solubilización. Csat es la concentración de Al2O3 en la solución saturada a la misma temperatura. La influencia de la temperatura sobre la solubilización de la bauxita puede ser determinada por la ecuación de velocidad en reacciones heterogéneas, en el que el coeficiente de difusión se expresa mediante la relación 2.33.

dnNRTD

π31.= (2.33)

Donde: R: Constante universal de los gases N: Número de Avogadro η: Viscosidad de la solución de aluminato d: Diámetro de la partícula La cantidad de alúmina a extraída en un tiempo t se puede calcular con ayuda de la relación 2.34

∫=t

oVdta o a = υmed. t (2.34)

Donde υ es la velocidad de disolución en un momento dado. Al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de disolución y en consecuencia se puede disminuir la duración de la solubilización. La temperatura de calentamiento tiene una influencia, en forma directa, en la viscosidad de las soluciones de aluminato obtenida en la solubilización. En la medida que aumenta la temperatura la viscosidad disminuye y en forma correspondiente con un aumento en la velocidad de la reacción heterogénea (figura 6).

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Figura 6. Dependencia de la viscosidad de las soluciones de aluminato en función de la concentración de Na2O a diferentes temperaturas:

a - αtotal = 1,50 b - αtotal = 3,58

23

Un papel muy importante en la práctica industrial, la presenta la estabilización del balance térmico en el proceso de solubilización de la bauxita. La utilización de datos bibliográficos en referencia a las propiedades termo-físicas de las soluciones de aluminato se desarrollan con algunas dificultades. Para la entalpía de las soluciones y en especial para el calor de disolución se dan los siguientes valores: Hidrargilita: 137 Kcal/Kg Al2O3 Bohemita: 92,7 Kcal/Kg Al2O3 Para la determinación del calor de disolución se aplica el método de Russel, la reacción de equilibrio es la siguiente (ecuación 2.35): AlOOH + OH- AlO2

- + H2O (2.35) Si se considera que el coeficiente actividad para OH- y AlO2

- son iguales, resulta que (ecuación 2.36):

−

−=OH

OHAlO

CaC

K 22 . (2.36)

Donde: COH

- ,CAlO2- : concentraciones normales de los radicales respectivos

a H2O: Actividad del agua K: Constante de equilibrio Conociendo estos datos se puede determinar el calor de reacción, haciendo uso de la expresión 2.37

AT

HLog +∆

=576,4

κ (2.37)

Donde: ∆H: Calor de reacción en cal/mol A: Constante T: temperatura de proceso en ºK. Para dos isotermas T1 y T2 la relación del calor de reacción se calcula por la expresión 2.38:

21

11

)2log1(log576,4

TT

H−

−=∆

κκ (2.38)

La operación de dilución prepara las condiciones de concentración y temperatura necesarias para decantar el lodo rojo y para descomponer las soluciones de aluminato. Para esto, debe realizarse la mezcla de la pulpa en el autoclave (250-265 g/l Na2Ok) con agua de lavado del lodo

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rojo (60 g/l Na2Ok), de este modo se obtienen soluciones con 140 g/l de Na2Ok y kα = 1,65, las soluciones se encuentran en un dominio metaestable. Esta dilución es necesaria realizarla antes de la decantación y el lavado para asegurar una viscosidad óptima de decantación y para enriquecer la desilicatación. La operación de descomposición de las soluciones de aluminato se realizan con el objeto de cristalizar Al(OH)3 y separar ésta de la solución madre. Actualmente las investigaciones tienen como objeto intensificar este proceso (utilizando cepas activas) porque el contenido de impurezas proviene principalmente de las materias primas y son las que dificultan el proceso. Según la opinión de Wrigge y Ginberg, la descomposición de las soluciones de aluminato se realiza solo bajo la acción de la hidrargilita o de los residuos hidrargiliticos estructurales (Bohemita y γ Al2O3) obtenidos en la calcinación de la hidrargilita. Huttig y Geinsber han llegado a la conclusión que la composición, en calidad de cepas, se puede enriquecer con modificaciones de Al2O3 con cualquier grado de hidratación, exceptuando la bohemita hidrotermal, Kuznetov a determinado que la actividad de las cepas o también de cualquier material que en condiciones de descomposición se transforma muy rápido en hidrargilita, es decir, son inestables térmicamente. En el momento actual, se han intensificado las investigaciones preveen la dinámica de la descomposición isotérmica de las soluciones para calcular la velocidad de formación v1 de los gérmenes y la velocidad v2 de su crecimiento, Lainer a propuesto las siguientes ecuaciones (2.39, 2.40):

ηκ A

LLLV .)( 1

1−

= (2.39)

δηπ dNLLRTS

V.3

)( 12

−= (2.40)

El calculo de la dinámica del proceso de descomposición empleando estas ecuaciones es difícil, debido a la existencia de A, γ, L, S, d, n, a, el cual se modifica en la medida que el proceso avanza. Para determinar la velocidad de descomposición es mas racional utilizar la relación 2.41:

)(1 aCCdtdc

−= κ (2.41)

Donde Cα es la concentración de los centros activos en la fase sólida. El uso de la concentración activa en el lugar de la superficie geométrica es mas racional, porque la descomposición no es dependiente solo de la superficie geométrica de la fase sólida de la solución. Esto ésta unido a la energía determinada de la interacción de la solución con la fase sólida coloidal, donde una gran importancia tiene la presencia de los centros

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activos que disminuyen la barrera energética en las transformaciones moleculares de las soluciones en estado metaestable. El valor de concentración activa que entra en la relación 2.39 se puede determinar con la ecuación 2.42:

100.100(%)

)/(dN

lgC aa = (2.42)

Donde Nα (%) se calcula con la ecuación 2.43 obtenida en base a los análisis de la solución en equilibrio.

][ )6,5(0081,0048,0)6,5(25,085,0(%) −++−+= NNNa (2.43) Si se supone que el hidróxido precipitado durante la descomposición acelera este proceso, el modelo matemático en la descomposición las soluciones de aluminato se puede presentar según las reacciones 2.44 y 2.45

yCCdtdc

o )( −−= κ (2.44)

xyyCCparatdtdcK

dtdy

≈≈=−= ,);0( 02 (2.45)

Donde: C0: Concentración inicial de Al2O3 en solución Yx:: Concentración de los centros activos al terminar el periodo de incubación. Del resultado de los cálculos por este modelo y por comparación con la dinámica experimental, se ha aceptado la opinión que sobre el proceso de descomposición de las soluciones de aluminato, una influencia determinante la tiene el cambio de concentración de los centros activos. La descomposición espontánea de las soluciones de aluminato en el periodo inicial (periodo de incubación), la velocidad del proceso es mínima, registrando de esta manera un cambio en la estructura de la solución, es decir, un envejecimiento de esta. Esta fase del proceso se termina junto con la formación inicial del hidrato microdisperso con actividad elevada. Los parámetros de control en la fase de descomposición (cristalización) y clasificación deben tomar en cuenta: αk

final de la descomposición (3,5…3,6) T1 y T2 temperatura inicial y final de la solución (60 y 47ºC respectivamente), contenido de agua de lavado

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destinado a calcinación 0,2%, relación de cepa (Al2O3 introducido como cepa/Al2O3 precipitado) dato práctico 5:1, composición granulométrica del producto (calcinación, 60% entre25 y 80 µc), sustancia sólida en g/l en la solución madre (1,5-3 g/l), humedad máxima del hidrato 10%. 2.3.1.- Posibilidad de reducir las pérdidas de alúmina y alcalinos en la tecnología Bayer Las pérdidas químicas de Al2O3 (con lodo rojo bajo forma de silicoaluminato, minerales de aluminio insuficientemente disgregados, perdidas por hidrólisis en el lavado del lodo rojo, etc) aparecen como resultado de un disgregado insuficiente de los minerales de aluminio. Excluyendo las pérdidas, prácticamente inevitables, las causadas por la disgregación incompleta de los minerales de aluminio se pueden, sustancialmente, disminuir por un desagregado de la bauxita en condiciones adecuadas a su naturaleza. La elección de los parámetros de trabajo en fase de solubilización debe efectuarse por medios modernos de análisis (difracción de rayos x, análisis termogravimétricos, espectrofotometría infrarroja) en la estructura mineralógica. Los parámetros de trabajo óptimos deben respetarse, en forma estricta, en el tratamiento industrial. En ausencia de oxido de calcio, 70% de la diáspora presente en la bauxita puede permanecer no solubilizada, agregando 4-5% de oxido de calcio la diáspora que permanece en el lodo baja hasta 0,5%. La dosificación, en cantidades pequeñas, a la solución conduce a un aumento sustancial de cantidades de diáspora no disgregada. Esta crece a 20%, cuando el agregado se ha realizado para αk = 1,3 después de solubilizar. Las pérdidas en alúmina por hidrólisis pueden ser disminuidas desde 0,1-5% manteniendo una temperatura deseada (98 a 100 ºC) en fase de espesamiento y lavado del lodo rojo y a un factor cáustico de 1,6 a 1,7 en soluciones de aluminato sobre αk = 1,7, aumenta la estabilidad de la solución y no es indicada porque produce peso en la etapa de descomposición de la solución. Para reducir las perdidas de Al2O3 en el lodo, es necesario disminuir la cantidad de solución preparada y el óxido de calcio en exceso se reduce a la cantidad estrictamente necesaria. Las pérdidas mecánicas de Al2O3 (con el lodo rojo y por la presencia de polvo en la calcinación) tienen una importancia secundaria en el proceso de la obtención de alúmina. El mayor valor de estas pérdidas son las suspensiones que acompañan a los gases de la calcinación, estas pérdidas se pueden reducir hasta 0,5% con un buen sistema de control. En lo que se refiere al hidróxido de sodio, 90% de las pérdidas son de naturaleza química por la aparición de combinaciones complejas tales como el aluminosilicato de sodio. En valor absoluto, la cantidad de hidróxido de sodio consumido en las reacciones con los minerales de

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silicio de la bauxita varía de 100-120 KgNaOH/ton Al2O3 en el tratamiento de bauxitas con modulo siliceo (MSiO2)10-14, hasta 250-300 KgNaOH/ton Al2O3 en el caso de las bauxitas con MSiO2 6-7. Una forma eficiente de reducir las pérdidas de hidróxido de sodio por formación de los aluminosilicatos, lo constituye el agregado de óxido de calcio en la solubilización de las bauxitas. Se ha constatado que la presencia del óxido de calcio favorece la formación de compuestos de tipo granítico. Se supone que tiene lugar las reacciones 2.46 - 2.47. aqNaOHOHOAlCaOaqNaAlOOHCa ++↔++ 26..32)(3 23222 (2.46)

aqnNaOHOmHnSiOOAlCaOaqSiOnNaOHOAlCaO ++↔++ 2...36..3 223232232

(2.47) Inicialmente se forma aluminato tricalcico hexahidratado, que después se satura con sílice formando solución sólida-hidrogranítica de composición variable: 3CaO.Al2O3.xSiO2.yH2O, donde x = 0 -1. En el análisis por difracción de rayos x al lodo rojo, obtenido en la solubilización a resultado que en ausencia del óxido de calcio, el producto de la desilicatación está constituido en proporciones de 60-80% de sodalita y 20-40% de cancrinita. Con 3,5% de óxido de calcio, el componente predominante es cancrinita, otros compuestos aparece en cantidades pequeñas, cuya proporción aumenta al aumentar el contenido de óxido de calcio llegando a 90% para 20% de óxido de calcio. El contenido óptimo de óxido de calcio es de 3,5%. Por esto, las pérdidas de Na2O bajan a 0,1-0,15% Kg/Kg SiO2, lo cual en función del contenido de SiO2 en la bauxita representa 10 a 25 Kg NaOH/ton alúmina calcinada. Es importante destacar que el agregado de 3 a 5% de óxido de calcio favorece la formación predominante de cancrinita, teniendo como efecto la disminución de pérdidas de alúmina (relación molar Al2O3:SiO2 1:2 en la cancrinita y 1,09:2 en sodalita). Las pérdidas químicas de Na2O generadas de la relación del hidróxido de sodio con las impurezas pueden ser reducidas por dosificación de las soluciones en cantidades necesarias que aseguren un módulo cáustico de las soluciones de aluminato de αk en equilibrio. Este método no se puede usar en el caso de bauxitas tipo diáspora, en el cual la cinética de disolución de alúmina es fuertemente influenciada por la temperatura y el módulo cáustico final en las soluciones de aluminato. Las pérdidas mecánicas de alcalinos en el proceso Bayer representan 10-20% del total de las pérdidas: De estas 5-10% proviene de la adsorción y preparación de la solución del lodo evacuado a las lagunas y 2-6% se pierde con el producto final. La cantidad de hidróxido de sodio formado mecánicamente con el lodo rojo varía en función de las propiedades física-química –mineralógicas de la bauxita tratada. En el caso de las bauxitas porosas y a las que contienen minerales hidratados

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de hierro, el lodo se caracteriza por un grado de dispersión elevado. Este lodo decanta débilmente y es de difícil compactación, como resultado absorbe soda y capta una cantidad mayor de solución. Las mayores pérdidas de soda aparecen en el caso del tratamiento de las bauxitas con contenido elevado de hierro. La reducción de las pérdidas de álcali en soluciones mezcladas con el lodo rojo que salen del tanque de seguridad se realiza por un aumento en el número de lavados. El número de etapas de lavado óptimo se determina, en cada caso, en función de la concentración de Na2Ok, en el cual se hace la dilución y del comportamiento en la decantación del lodo rojo resultante de la solubilización. La reducción del número de etapas de lavado es posible por la inclusión de alguna etapa de filtración. Para aumentar la velocidad de filtración, la inclusión de los filtros se hace después del primer lavado o después del segundo lavado, luego se continúa el lavado a contracorriente. El crecimiento del número de etapas de lavado permite, simultáneamente, recuperar soda y alúmina mezcladas mecánicamente con el lodo. Para el cálculo del rendimiento )(η , la solubilización del Al2O3 de la bauxita se emplea la ecuación 2.48:

10085,0.

32

323233222132

b

hgdr

OAl

OAlOAlOAlSiOOAl −−−−=

κκκη (2.48)

Donde: Al2O3b= Al2O3 presente en la bauxita en % Al2O3d = Al2O3 presente en la bauxita como diáspora en % Al2O3g : Al2O3 presente en la bauxita en forma de aluminogoetita en % Al2O3h : Al2O3 presente en la bauxita en forma de aluminohematita en % SiO2: Sílice reactiva presente en la bauxita en % K1 ≥ 1,00 número de moles Al2O3 con respecto a 2 moles de SiO2 hidroaluminosilicato de sodio. K2 ≤ 1,00 proporción de diáspora que no fue disgregada. K3 ≤ 1,00 proporción de Al2O3 no desagregada de la red de la goetita. Tomando en cuenta las pérdidas químicas y mecánicas del Al2O3 para determinar el consumo específico de la bauxita se puede emplear la ecuación 2.49:

99100.

97100.

2100.10010000−−

=RSA

B (2.49)

Donde:

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B: Consumo específico de la bauxita en Kg/ton Al2O3. A: Contenido Al2O3 en la bauxita en %. R: Rendimiento de extracción, prácticamente estable en laboratorio. 3%: Pérdidas mecánicas en la separación de Al(OH)3. 1%: Pérdidas mecánicas por calcinación del hidróxido de aluminio. S: Contenido de SiO2 en bauxita en %. 3.- Reducción de aluminio primario Una vez obtenida la alúmina, se despacha a las reductoras de aluminio para ser transformada de un polvo blanco a un material de alta metalización con 99% de pureza presentado como lingotes, bobinas y tochos. Esta transformación se lleva a cabo mediante el proceso Hall-Heroult. Las materias primas de este proceso son además de la alúmina, fluoruros de aluminio y de calcio, antracita, alquitrán, coque y grandes cantidades de energía eléctrica. La reducción de alúmina en aluminio líquido se realiza a una temperatura promedio de 950 ºC en un baño fluorinado y bajo una alta intensidad de corriente. Este proceso es realizado en celdas electrolíticas. Por cada tonelada de aluminio se requieren de 4 a 5 toneladas de bauxita, 2 toneladas de alúmina, 15000 Kw/h de energía y 420 Kg de hulla. En el mundo se producen mas de 29 millones de toneladas anuales de metal, su consumo es mayor que el bronce, hierro y estaño (Saade, 2003). Los principales productores de aluminio pertenecen generalmente al mundo desarrollado, siendo los mayores EE.UU, que produce más de la cuarta parte de la producción mundial, Rusia, Japón, Canadá, Alemania, Francia, Gran Bretaña, España, Italia y Australia. En virtud de los grandes consumos de energía requeridos en el proceso, los costes de mano de obra y las restricciones ambientales impuestas, estos países han trasladado la fabricación de aluminio primario hacia las naciones del tercer mundo, especialmente a América del Sur. Debido a la necesidad de inversión extranjera en países en vías de desarrollo, se han establecido convenios entre los diferentes gobiernos y los grandes consorcios mundiales (Kaiser, Billinton, Alcoa, Alcan, Alusuisse, Pechiney y Reynolds). En la tabla 3 se muestra la producción anual de aluminio, en miles de toneladas para el periodo 1999-2002.

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TABLA 3. PRODUCCIÓN ANUAL DE ALUMINIO (EN MILES DE TONELADAS) Año Norte

América América Latina

Europa Occidental

Europa Centro Occidental

Oceanía Asia África Total

1999 6169 2093 3720 3584 2028 1966 1095 20655

2000 6041 2167 3801 3689 2094 2221 1178 21191

2001 5222 1991 3885 3728 2122 2234 1369 20551

2002 5413 2230 2261 3821 2170 3928 1372 21195

Fuente: www.fi.uba.ar/materias/

Conocida las etapas de producción a que son sometidos los minerales para obtener el aluminio primario, es fundamental manejar los efectos que se producen en cada uno de ellas. EFECTOS GENERALES QUE GENERA LA CADENA DEL ALUMINIO La producción del preciado metal ha generado un gran costo ecológico. Empezando por la explotación de bauxita, parte del proceso que no puede ser trasladada a otros lugares, las minas de este mineral se ubican en áreas donde existen poblaciones indígenas, por lo que deben ser desalojadas de sus sitio de origen, se intervienen sus tierras debiendo desplazarse a lugares no aptos por su forma de vida, sin los medios de sustento conocidos, cambiando su cultura y sin compensación económica justa. Por ser minas explotadas a cielo abierto se intervienen grandes hectáreas de suelo, la capa vegetal se remueve, erosión hídrica cuyos sedimentos contaminan el curso de los ríos (Luque, 2005), gran cantidad de árboles son talados para construir líneas de alta tensión, se intervienen cuerpos acuíferos, se genera la migración o desaparición de especies faunisticas y floristicas, se acumulan desechos industriales y domésticos. Se crean nuevos campamentos mineros sin la debida planificación produciendo problemas sociales que acentúan Cuando se estudia la etapa de producción del aluminio primario los efectos son aún más marcados. El uso de los fluoruros produce decalcificaciones tanto en las personas como en los animales, malformaciones genéticas, cáncer de páncreas, edemas pulmonares, problemas cutáneos. La brea de alquitrán compuesto tóxico altamente peligroso por su potencial cancerígeno y contaminación atmosférica que genera. El requerimiento de electricidad hace necesaria la construcción de plantas generadoras de energía. Entre ellas, las plantas hidroeléctricas lo que exige inundar grandes extensiones de suelos interviniendo los cursos naturales de los ríos, cambiando la geografía del paisaje, cambio

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de habitad o extinción de especies faunisticas y floristicas, desalojo de centros poblados, construcción de líneas de alta tensión, intervención a comunidades indígenas, aumento en la generación de gases de efecto invernadero (IPPC, 1996). En la etapa de transformación de la bauxita en alúmina se tiene como afectante principal el lodo rojo, origen de la problemática tratada en este estudio, por lo que se trata con detalle mas adelante. En la tabla 4 se resumen los principales efectos generados por el proceso de obtención del aluminio, varios de ellos señalados por Müller (1994). TABLA 4. EFECTOS GENERALES QUE GENERA LA CADENA DEL ALUMINIO

ETAPA EFECTO

Extracción

De Bauxita

Grandes extensiones de terreno son removidas e intervenidas. Extinción de especies animales y florales. Generación de desechos peligrosos y no peligrosos. Gran polución ambiental, alto tiempo de residencia de material

particulado en la atmósfera. Generación de enfermedades bronco-pulmonares Acuíferos intervenidos. Aguas subterráneas contaminadas. Uso de herbicida de gran potencial tóxico para deforestar áreas de

ubicación de líneas de alta tensión. Aporta un considerable número de trabajadores con enfermedades

ocupacionales.

Producción

De Alúmina

Desplaza pobladores de su habitad para construir vías de transporte de materia prima.

Polución ambiental Generación de desechos peligrosos y no peligrosos. Generación de un gran tonelaje de lodo rojo. Uso del suelo para depositar desecho tóxico Filtraciones de aguas subterráneas. Suelos altamente alcalinos. Alteración del pH de las lagunas naturales aledañas a zonas de

deposición. Eventual rebose de lagunas de sedimentación al río Orinoco. Efectos corrosivos en medio ambiente aledaño. Ambiente corrosivo Intervención ecosistemas por deposición de desechos cáusticos, cuyos

efectos son negativos a la flora, fauna, cuerpos de agua, salud de pobladores cercanos, afectación socio-económica al disminuir o eliminar los medios de producción.

Reducción

De

Aluminio

Primario

Emisión de gases fluorados altamente corrosivos y venenosos Emisión de gases efecto invernadero (CO2), y de lluvia ácida (NOx, SO2) Uso de fuentes radiactivas. Consumo de grandes cantidades de energía, generalmente se construyen

presas, afectando dramáticamente el equilibrio ecológico donde se construyen.

Generación de enfermedades bronco-pulmonares, músculo- esqueléticas, auditivas, óseas, estomacales, ópticos, cáncer de páncreas.

Fuente: Propia en conjunto con Muller (1994)

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LODOS ROJOS GENERACIÓN Y DISPOSICIÓN

El lodo rojo es un fango rojo herrumbre brillante, altamente alcalino, con un pH superior a 11 y con alta concentración de sodio, que resulta del procesamiento de la bauxita por el método Bayer. Según el decreto 2635 de la legislación venezolana es considerado un desecho peligroso, tóxico y corrosivo.

Es una suspensión sólido/líquido con 20-30% de sólidos en solución acuosa cáustica. Los sólidos están constituidos por una fracción gruesa formada, principalmente, por arena sílica y una fracción fina con alto contenido de hierro.

Este residuo se dispone en un estanque grande diseñado para almacenar y colectar los sólidos durante un tiempo predeterminado, denominado laguna de sedimentación o laguna de desaguado (Kiely, 1999).

El almacenamiento de estos lodos constituye un problema ambiental de grandes proporciones cualquiera sea el lugar del planeta donde se lleve a cabo (Stinson, 1999). Esto, debido a que es una de las fuentes de contaminación de aguas subterráneas según lo reportado por Kiely (1999), los reboses por condiciones climatológicas puede provocar contaminación y muerte de formas de vida en acuíferos y ríos aledaños (Manrique y Crespo 1998), la incorporación de mayores cantidades de lodo generados por aumentos en la producción de alúmina, unido a la baja velocidad de sedimentación requieren extensiones de terreno mas amplios o aumento de las paredes de los embalses ocasionando filtraciones por tanto, suelos básicos que afectan la flora y la fauna de la zona.

En Venezuela, CVG Bauxilum dispone de tres lagunas para estos fines. Una para depósito de arena y dos lagunas rebalseras del Río Orinoco para deposición de los lodos. Estas fueron diseñadas con una vida útil de 20 años (CAVSA, 2001), a una rata de producción de 1 millón de toneladas métricas anuales (MTMA). Debido a los procesos de expansión que ha desarrollado la empresa, la producción se ha incrementado a 1.7 MTMA (Caraballo, 2001) por tanto ha existido un mayor volumen de deposición que ha acortado el tiempo de vida útil de los cuerpos receptores de desechos. Para compensar esta situación, la empresa, como se ha señalado antes, ha incrementado la altura de cota de los diques y ha construido canales para acoger las filtraciones que se producen, empleando como medio de seguimiento trazadores radiactivos que marcan el recorrido de los fluidos químicos. Sin embargo, estas opciones no han logrado reducir significativamente la problemática ambiental planteada, aún cuando las inversiones realizadas, en los últimos diez años, alcanzan los 37 millones de dólares (Lisena, Tovar y

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Ruiz 2006). En la figura 7 se muestran la ubicación del conjunto de lagunas de lodos rojos.

Según Lisena ob cit, en Venezuela se producen entre 0.68-2.5 Ton lodo/Ton bauxita, mientras Gual (2006), reporta la generación de 90 toneladas mensuales lo que equivale a un promedio de 1.080.000 toneladas por año (TPA) en el país, esto en concordancia con Caraballo (2001) quien reporta 1.023.000 TPA y 420.000 TPA de arena.

Pérez (2005) señala que en Galicia se recogen 471000 TPA, pero en España se generan entre 1.16-1.4 Ton de lodo/Ton alúmina. Esto último equivale a un promedio de 1.28 Ton lodo/2 Ton bauxita. Comparando esta cifra con la nuestra, en Venezuela la producción de lodo está por encima de la del país europeo, probablemente porque nuestra bauxita contenga mayor grado de impurezas. La India, una de las economías con mayor crecimiento en los últimos años, tiene una producción de lodo de 2 millones TPA y en Australia, donde se han descubierto inmensos yacimientos de mineral, se producen el 40% de los residuos 30 millones de TPA (Jahanshasi, 2005).

Figura 7. Lagunas, diques y canales que integran el sistema lagunar de Bauxilum (Foto Graffe, 2006) MÉTODOS DE TRATAMIENTO

La corriente de desecho generada en el proceso Bayer es una suspensión, en la que se hace necesario separar el líquido de los sólidos. Una corriente de proceso contiene alrededor de 80 a 92% de agua por volumen y el grado de desecación depende también del proceso. Al igual

Los CaribesLa Aguadita Los Cardonales

Diques de contención

Muelle Bauxilum

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que ocurre con otras separaciones, en la mayoría de los procesos, la separación del agua se realiza por lo menos en dos etapas.

Normalmente se utilizan el espesamiento y la filtración para lograr la separación de agua de los concentrados. Esta combinación es capaz de dar un sólido con un contenido de humedad suficientemente bajo, pero la segunda operación se dificulta cuando la granulometría del sólido presente es > 30 mm (Kelly y Spottiswood, 1990). En lo que se refiere a equipos empleados para separar soluciones de aluminato del lodo rojo, en los últimos tiempos, señala Oprea (1974), que la tendencia es hacia la decantación con una sola cámara que permita una muy buena compactación del lodo decantado en comparación con el lodo obtenido en varias cámaras. En algunas plantas, se utilizan decantadores con diámetros de 30-40 m y una altura de 6m con capacidades de 30-50 toneladas/h (Deep-Cone).

En ciertas circunstancias, es posible aplicar sistemas alternativos de eliminación de agua, particularmente cuando no es importante la recuperación de finos. Bajo estas condiciones, pueden usarse con ventaja económica sobre la filtración, cribas, hidrociclones, centrífugas o una combinación de estos. La aparición de filtros de tambor con cilindros desmontables que aseguran un buen lavado del lodo rojo a despertado, de nuevo, el interés de usar filtros para tratar este residuo.

Los métodos de separación mecánica de agua señalados pocas veces reducen el contenido de agua por debajo del 25% por volumen. Cuando se requieren niveles más bajos es necesario secar el material por métodos térmicos. Estos métodos son relativamente costosos, debido a que el sólido no solo tiene que calentarse, sino que el agua tiene que evaporarse para que pueda ser arrastrada en una corriente gaseosa (Bray, 1968).

El término “secado” es de carácter relativo, ya que significa que se logra una reducción mayor del contenido de humedad a partir de cierto nivel inicial. La necesidad del secado puede tener por objeto hacer que el producto sea adecuado para su venta o bien para procesamiento subsecuente.

Por ser el lodo rojo un pasivo ambiental imbricado a la cadena del aluminio se han desarrollado métodos para su utilización y diversificación de su uso. Sin embargo, los tratamientos conocidos, en su mayoría, no involucran separación de la suspensión de lodo rojo en sus componentes sólido- líquido. Se trata el desecho tal como se depone en la laguna. En virtud que el presente estudio pretende tratar el efluente de desecho, como la ruta para evitar el impacto ambiental, y no el tratar el lodo una vez depositado, se mencionan las acciones que se manejan con más frecuencia sin profundizar en ellas. Según Oliveros (1995), las tres técnicas esenciales son: la caustificación del agua de la laguna para eliminar los contaminantes, recuperación de la alúmina contenida en el lodo por un proceso diferente al Bayer y la neutralización de los lodos. La neutralización puede realizarse empleando agua de mar, infiltrando el

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agua de lluvia y con dióxido de carbono (CO2). La neutralización con CO2 es usada en más de 30 países.

Se trata de un proceso de neutralización donde se intercambia el sodio por calcio y magnesio, esto con el fin de obtener un producto menos alcalino, excelente adsorbente de metales tóxicos para el tratamiento de efluentes, desechos de minas, y como sustrato para el crecimiento de vegetación. (Australia ya tiene parcialmente resuelto el problema, neutralizando los lodos rojos y convirtiéndolo en nuevo producto comercializado bajo el nombre de “bauxsol” y reconocido como producto amigable por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) y por la Comunidad Europea. USOS

Perez (2005), propone su empleo en la elaboración de ladrillos cerámicos para almacenamiento del calor. Los cuales podrán ser usados como sistema de calefacción. Los resultados al compararlos con las características de un ladrillo comercial son satisfactorios, por lo que se estudia su posible comercialización, Quiñones, Day y Smith (1993) lo proponen, también, para ladrillos, avanzando en este uso Dúchense y Doye (2005) lo proponen para klinker y cemento.

Narayan (2005b) señala que en Alemania se emplean como pigmentos para la elaboración de pinturas y que en India se hacen ladrillos.

Para recuperar metales como el arsénico Rusbino et al (2005), Snack, Gilkes y Highes (2003) proponen la viabilidad de uso en suelos arenosos para fijación del fósforo, para procesos de sinterización (Amaiz ob cit), como ingrediente del colorante para los azulejos del tejado, como agente floculante después de ser tratado con acido sulfúrico en la industria química, para aclarar aguas que contienen sales inorgánicas como fosfatos fluoruros y coloides orgánicos que en condiciones normales no pueden ser separados (Aponte, 1999). Aunque, las opciones indicadas no manejan cantidades de desecho tal como para realizar proyecciones de descarga de las lagunas, es clara la necesidad de dar soluciones a esta problemática. Todavía ninguno de las opciones mencionadas constituye, hoy día, una alternativa de grandes proporciones viables económicamente, por lo que se continúan los estudios en la búsqueda de conciliar la cadena del aluminio con el desarrollo sustentable. COMPOSICIÓN QUÍMICA

La composición química, en términos generales se presenta en la tabla 5 y en la tabla 6 se reportan los elementos contenidos en el lodo rojo depositado, según análisis suministrado por CVG Bauxilum en 2003 tomado de Gual (2006). En el análisis de los componentes mayoritarios señalados en la tabla 5 se visualiza la alta cantidad de alúmina contenida

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en el desecho, la alta cantidad de compuestos de hierro presente, el alto contenido de sosa cáustica y el pH altamente básico.

Jahanshasi (2005) señala los costos de algunos de los componentes del lodo: la alúmina tiene en el mercado mundial un precio de $ 390/Tonelada, la soda cáustica $ 215/Tonelada, el titanio $ 570/Tonelada y la de hierro $ 350/Tonelada. Lo cual, añade el aspecto económico como interesante en el tratamiento de los lodos para todos los actores involucrados: la empresa, la comunidad, los posibles inversionistas y los investigadores. TABLA 5. ANÁLISIS LODO ROJO EMPRESA CVG BAUXILUM

Componente Concentración (%) Soda cáustica 14,8

Alúmina 13,9 Titanio 3,9 Hierro 44,7 Silicio 21,3

pH 12,2 Fuente: CVG Bauxilum (1999) TABLA 6. CARACTERIZACIÓN QUÍMICA ESPECÍFICA DE LODO ROJO

Parámetro Valor en la laguna de deposición Unidad Aluminio 1004500 mg/Kg Arsénico 16,87 mg/Kg Azufre 0,00254 % Cadmio < 0,1 mg/Kg Calcio 26800 mg/Kg Cloruros 71,34 mg/Kg Cobre 8,05 mg/Kg Cromo Hexavalente < 0,1 mg/Kg Cromo 16,11 mg/Kg Fluoruros 215,7 mg/Kg Fosfato 50,3 mg/Kg Mercurio 0,42 mg/Kg Niquel < 0,1 mg/Kg Plomo 30,1 mg/Kg Selenio 0,04 mg/Kg Sílice 18,79 %

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sodio 16230 mg/Kg Titanio 18835 mg/Kg Vanadio 49,8 mg/Kg Zinc 19,92 mg/Kg

Fuente: Plan de Adecuación Ambiental (2003) tomado de Gual (2006)

LA SODA CAUSTICA La sosa cáustica pura es un sólido blanco quebradizo que absorbe humedad y dióxido de carbono del aire. Se comercializa según su contenido de Na2O, su valor usual es 76% de Na2O equivalente a 98% de NaOH (Austin, 1998). El término sosa cáustica se emplea continuamente por sus propiedades corrosivas a la piel. Los usos tradicionales de esta sustancia es para la elaboración de jabones, textiles, refinación del petróleo, la industria química y el proceso bayer. Greenpeace (2001) señala que los hidróxidos son irritantes oculares y graves irritantes cutáneos, muy corrosivos para ojos, piel y membranas mucosas.

De acuerdo con el reporte de la composición química del lodo, se observa que la concentración de sosa cáustica contenida en el lodo se ubica alrededor de 15% componente mayoritario después del óxido de hierro. (CAVSA, 2001). Corroborándose con este valor su peligrosidad influida por esa sustancia, de tal manera que si se logra retener gran parte de ella de un sólido o semi-sólido física y ambientalmente manejable, éste disminuirá su potencial de daño. En secciones anteriores de este trabajo se han mencionado las consecuencias del NaOH sobre el ambiente, por lo que se amplia la información referida a la salud y los datos básicos suministrados por la Agencia de Protección Del Medio Ambiente estadounidense (EPA).

El hidróxido de sodio es un compuesto químico clasificado como una base. Es una sustancia manufacturada. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un ácido libera una gran cantidad de calor que puede ser suficiente como para encender materiales combustibles. El hidróxido de sodio es muy corrosivo. Generalmente se usa en forma sólida o como una solución de 50%.

En el tabla 7 se presenta una ficha técnica y de seguridad, que contiene datos aportados por la Agencia de Protección del Medio Ambiente de los Estados Unidos (EPA) y el Programa Internacional de Seguridad de Sustancias Químicas (IPCS) de España

Continuación Caracterización Lodo Rojo

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Tabla 7. FICHA TÉCNICA DEL NaOH

Datos de Seguridad NOMBRE TÉCNICO NOMBRES COMUNES

PROPIEDADES FÍSICAS

Hidróxido de sodio Fórmula:

NaOH

Sosa cáustica Sosa Soda cáustica

Masa Molar (g/mol): 40 Punto de ebullición: 1390 °C Punto de fusión: 318°C Densidad relativa (agua = 1): 2.1 Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 109 Presión de vapor, kPa a 739°C: 0.13

Tipos de peligro/ exposición

Peligro / síntomas agudos

Prevención Lucha contra incendios/primeros auxilios

Incendio

No combustible. El contacto con la humedad o con el agua, puede generar el suficiente calor para producir la ignición de sustancias combustibles.

En caso de incendio en el entorno: están permitidos todos los agentes extintores.

Explosión

Exposición

¡Evitar la dispersión del polvo! ¡Evitar todo contacto!

¡Consultar al médico en todos los casos!

Inhalación

Corrosivo. Sensación de quemazón, tos, dificultad respiratoria.

Extracción localizada o protección respiratoria.

Aire limpio, reposo, posición de semiincorporado, respiración artificial y proporcionar asistencia médica.

Piel

Corrosivo. Enrojecimiento, graves quemaduras cutáneas, dolor.

Guantes protectores y traje de protección.

Quitar las ropas contaminadas, aclarar la piel con agua abundante o ducharse y proporcionar asistencia médica.

Ojos

Corrosivo. Enrojecimiento, dolor, visión borrosa, quemaduras profundas graves.

Pantalla facial o protección ocular combinada con la protección respiratoria, si se trata de polvo.

Enjuagar con agua abundante durante varios minutos (quitar las lentes de contacto, si puede hacerse con facilidad) y proporcionar asistencia médica.

Ingestión

Corrosivo. Dolor abdominal, sensación de quemazón, diarrea, vómitos, colapso.

No comer, ni beber, ni fumar durante el trabajo.

Enjuagar la boca, No provocar el vómito, dar a beber agua abundante y proporcionar asistencia médica.

Derrames y fugas Almacenamiento Envasado y etiquetado Barrer la sustancia derramada e introducirla en un

Separado de ácidos fuertes, metales, alimentos y piensos y materiales combustibles.

No transportar con alimentos y piensos. Clasificación de Peligros NU: 8 Grupo de Envasado NU: II

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recipiente adecuado, eliminar el residuo con agua abundante. (Protección personal adicional: traje de protección completa, incluyendo equipo autónomo de respiración).

Mantener en lugar seco y bien cerrado (véanse Notas).

CE: C R: 35 S: (1/2-)26-37/39-45

DATOS

IMPORTANTES

Estado físico; aspecto Sólido blanco, deliquescente en diversas formas e inodoro. Peligros químicos La sustancia es una base fuerte, reacciona violentamente con ácidos y es corrosiva en ambientes húmedos para metales tales como cinc, aluminio, estaño y plomo, originando hidrógeno (combustible y explosivo). Absorbe rápidamente dióxido de carbono y agua del aire. Puede generar calor en contacto con la humedad o el agua. Limites de exposición TLV (como valor techo): 2 mg/m3 (ACGIH 1993-1994). Vías de exposición Por inhalación del aerosol y por ingestión.

Riesgo de inhalación La evaporación a 20°C es despreciable; sin embargo, se puede alcanzar rápidamente una concentración nociva de partículas en el aire.

Efectos de exposición de corta duración Corrosiva. La sustancia es muy corrosiva para los ojos, la piel y el tracto respiratorio. Corrosiva por ingestión. La inhalación del aerosol de la sustancia puede originar edema pulmonar (véanse Notas).

Efectos de exposición prolongada o repetida El contacto prolongado o repetido con la piel puede producir dermatitis.

DATOS AMBIENTALES

Esta sustancia puede ser peligrosa para el ambiente; debería prestarse atención especial a los organismos acuáticos.

IMPACTO EN LA SALUD

La Agencia para Sustancias Tóxicas y Registro de enfermedades (ATSDR), en el año 2002, respondió a una serie de interrogantes con respecto a la influencia del hidróxido de sodio en la salud. A temperatura ambiente esta sustancia es un sólido blanco cristalino sin olor que absorbe humedad del aire. Es una sustancia manufacturada. Cuando se disuelve en agua o se neutraliza con un ácido libera una gran cantidad de calor que puede ser suficiente como para encender materiales combustibles. El hidróxido de sodio es muy corrosivo. Generalmente se usa en forma sólida o como una solución de 50%.

Continuación FICHA TÉCNICA

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El hidróxido de sodio es sumamente corrosivo y puede causar quemaduras graves en todo tejido con el cual entra en contacto. Inhalar bajos niveles de hidróxido de sodio en forma de polvos, neblinas o aerosoles puede producir irritación de la nariz, la garganta y las vías respiratorias. Inhalar niveles más altos puede producir hinchazón o espasmos de las vías respiratorias superiores lo que puede producir obstrucción y pulso imperceptible; también puede ocurrir inflamación de los pulmones y acumulación de líquido en los pulmones.

Rodríguez & Meza (2003) y Estay (2004) señalan que la ingestión de hidróxido de sodio sólido o líquido puede producir vómitos, dolor del pecho y del abdomen y dificultad para tragar. La lesión corrosiva de la boca, garganta, esófago y estómago ocurre muy rápidamente y puede causar perforación, hemorragia y reducción del diámetro del tracto gastrointestinal. Hay casos que indican que la muerte ocurre a causa del shock, la infección de los tejidos corroídos, el daño del pulmón o el pulso imperceptible.

El contacto de la piel con el hidróxido de sodio puede causar quemaduras graves con ulceraciones profundas. El dolor y la irritación se manifiestan dentro de los primeros 3 minutos, pero el contacto con soluciones diluidas puede que no produzca síntomas por varias horas. El contacto con los ojos puede producir dolor e irritación, y en casos graves, opacidad del ojo y ceguera.

La exposición prolongada al hidróxido de sodio en el aire puede producir ulceración de las vías nasales e irritación crónica de la piel. Aunque, ni el Departamento de salud (DHHS) y Servicios Humanos ni la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) han establecido relación entre esta enfermedad y la sosa cáustica.

La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) ha establecido un límite de 2 miligramos de hidróxido de sodio por metro cúbico de aire (2 mg/m³) en el trabajo durante una jornada de 8 horas diarias, 40 horas a la semana. La Administración de Alimentos y Drogas (FDA) permite un nivel máximo de 1% de hidróxido de sodio como aditivo en los alimentos. MÉTODOS PARA SU RECUPERACIÓN

Por formar parte el hidróxido de sodio de una suspensión de lodo considerado un desecho tóxico, los métodos que se pueden emplear, para su posible recuperación son métodos físicos, químicos, térmicos y biológicos.

Los métodos físicos que aplican están contemplados en la tabla 8 fueron propuestos por Barrionuevo (1995).

Los métodos químicos empleados para la separación de productos de una solución residual o para la destoxificación de líquidos en la

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industria son: Intercambio Iónico, neutralización, Oxidación, Precipitación, Reducción.

Los tratamientos térmicos son sistemas que aplican cuando se requiere reducir volumen, eliminar productos tóxicos y la preparación de otros. El desecho debe ser un líquido concentrado, un residuo sólido o semi-sólido. El sistema térmico más empleado es la pirolisis (Terkel, 1980).

Los tratamientos biológicos se usan, generalmente, para la eliminación de toxicidad en productos orgánicos sin metales pesados. Los sistemas mas empleados son los lodos activados y los filtros biológicos.

TABLA 8. MÉTODOS FÍSICOS PARA SEPARACIÓN DE PRODUCTOS PELIGROSOS

Tipo de producción Sin Metales

Con Metales Tratamiento

Orgánico Inorgánico Pesados No Pesados

Recuperación

Reutiliza ción

Absorción con carbón activado

x x x x x x

Diálisis x x x x x Electrodiálisis x x x x x

Evaporación x x x x Filtración x x x x x

Floculación-sedimentación

x x x x x

Osmosis Inversa

x x x x

Extracción por lavado con amoniaco

x x x x x

Fuente: Barriobueno (1995) El análisis de la tabla 8 indica que dos procesos son compatibles con el presente estudio la diálisis y la evaporación, debido a que permiten la manipulación de metales dentro de la técnica. El primero de ellos, requiere de condiciones de equipo y una relación de pulpa poco viable en el lodo rojo, por lo tanto el método más factible de emplear es la evaporación. LA EVAPORACIÓN

Es un proceso físico mediante el cual una solución se concentra al consumirse el solvente. Foust, et al (1978), señala que la evaporación se

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produce cuando se concentra una solución por expulsión de un solvente y se finaliza antes que la solución empiece a precipitarse.

Básicamente, esta operación consiste en un recuperador de calor, capaz de hervir la solución y de un aparato para separar la fase del vapor del líquido en ebullición. En su forma más sencilla éste puede ser un recipiente que contiene líquido puesto sobre una plancha caliente. La superficie de la plancha caliente es un sencillo recuperador de calor y la liberación de calor se obtiene por medio del área grande para la descarga del vapor.

En el proceso industrial el equipo es arreglado para la operación continua. La superficie del recuperador de calor es considerablemente aumentada. La ebullición es violenta, la evolución del vapor es rápida y la descarga lenta.

Cuando la operación se realiza en una sola etapa se le llama evaporación instantánea o destilación en equilibrio. En ella, se evapora, parcialmente una mezcla líquida, se permite que el vapor alcance el equilibrio con el líquido residual y se separan y eliminan del aparato las fases de vapor y líquida restantes. En la figura 8 se muestra, de modo esquemático, un diagrama típico de flujo para una operación continua. Donde el líquido alimentado se calienta en un intercambiador de calor tradicional, se reduce la presión y la mezcla se introduce a un tanque de separación vapor-líquido. La parte líquida se arroja mediante fuerza centrífuga hacia la pared externa y sale por el fondo, mientras el vapor sale por la parte superior, pudiendo llevarse a un condensador.

Figura 8. Diagrama de evaporación propuesto por Treybal (1998).

Los evaporadores se fabrican en muy diversos tamaños y con distintas disposiciones, siendo profusamente empleados en gran cantidad de procesos térmicos.

Estos equipos, deben funcionar siempre a vacío parcial, pues esta medida reduce la temperatura de ebullición en la cámara de evaporación.

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Es conveniente, tener en cuenta que cuando se procede a la instalación de cascadas de etapas en serie, éstas deben ir en vacío sucesivo, es decir en la cámara de cada evaporador debe haber siempre menos presión que en el anterior, y en el primero de ellos siempre menos de la atmosférica. De no ser así la evaporación no tendría efecto (Terkel, 1980). En la selección de un tipo de evaporador es necesario tomar en cuenta diversos factores, entre ellos: a) la transferencia de calor, puesto que la superficie de calentamiento representa la mayor parte del costo del evaporador. Se recomienda un equipo con un coeficiente alto de transferencia de calor en las condiciones operacionales deseadas, en términos de kilowatios por kelvin (BTU /h/ºF) y por dólar de costo instalado, b) características del material alimentado y del producto (cristalización, formación de sales y escamas, calidad del producto, la corrosión y la formación de espuma) (Perry, Green y Maloney, 2002). TIPOS DE EVAPORADORES

Los evaporadores se pueden clasificar de la siguiente manera: 1) Medio de calentamiento separado del líquido en evaporación, mediante superficies tubulares de calentamiento 2) Medio de calentamiento confinado por serpentines, camisas, paredes dobles, placas planas, etc. 3) Calentamiento mediante la radiación solar 4) Medio de calentamiento en contacto directo con el líquido en evaporación (Coste, 1970).

La mayor parte de los evaporadores industriales emplean superficies tubulares de calentamiento. La circulación de líquido más allá de la superficie de calentamiento se puede inducir mediante ebullición o por medios mecánicos. En este último caso, la ebullición se puede producir o no en la superficie de calentamiento. En la figura 9 se muestran diversos tipos de evaporadores.

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Figura 9. Tipos de evaporadores. a) Circulación forzada. b) Circulación forzada de tubo sumergido. c) Cristalizador de tipo Oslo. d) Vertical de tubo corto. e) De calandria y hélice. f) Vertical de tubo largo. g) Vertical de tubo largo con recirculación. h) De película descendente. i) Evaporador de tubo horizontal. Tomado de Perry, Green y Maloney (2002).

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Evaporadores de circulación forzada Aunque no son los más económicos para muchos usos, este tipo de evaporadores son apropiados para gran variedad de aplicaciones. El empleo de una bomba para asegurar la circulación sobre la superficie de calentamiento hace posible separar las funciones de transferencia de calor, separación de vapor y líquido y cristalización. La mayoría de los evaporadores de circulación forzada son de tubo sumergido, como se muestra en la figura 9 a, b. Este tipo de evaporadores es relativamente inmune a la formación de sales en los tubos, puesto que no se genera supersaturación mediante la evaporación en los tubos. También se reduce la tendencia a la formación de escamas, puesto que la supersaturación en el elemento de calentamiento sólo se genera mediante una cantidad controlada de calor y no por el calor y la evaporación.

Las ventajas de los evaporadores de circulación forzada son: coeficientes de transferencia de calor elevados, circulación positiva y libertad relativa de ensuciamiento y formación de sales y escamas.

Entre las desventajas están: costo elevado, energía necesaria para la bomba de circulación y tiempo de residencia o retención relativamente alto.

Las mejores aplicaciones para este tipo de evaporadores son con productos cristalinos, soluciones corrosivas y soluciones viscosas con diferencias altas de temperatura, espacio superior bajo, eliminación mecánica sencilla de las escamas y relativamente poco costosos.

Evaporadores verticales de tubo corto

Es uno de los primeros tipos, que todavía se usa en forma

comercial. Está representado en la figura 9 c, d. Su empleo principal, en la actualidad, es la evaporación de la caña de azúcar. La circulación más allá de la superficie de calentamiento se induce mediante la ebullición en los tubos. La velocidad de circulación por los tubos es muchas veces la de alimentación, por lo que muchas ocasiones este tipo de evaporador se ve afectado por el nivel de líquido. Aunque, la circulación en el evaporador vertical estándar de tubo corto depende totalmente de la ebullición y cuando ésta cesa, los sólidos se depositan, precipitándose de la suspensión. En consecuencia, es poco probable que se emplee como evaporador de cristalización. Al instalar una hélice en la admisión descendente, se puede eliminar este inconveniente. Ese evaporador, se denomina comúnmente de calandria propulsora mostrado en la figura 9,e.

Las ventajas de los evaporadores verticales de tubo corto son: coeficiente de transferencia de calor elevados con diferencias altas de temperaturas, espacio superior bajo, eliminación mecánica sencilla de las escamas y son relativamente poco costosos.

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Las desventajas están dadas por: mala transferencia de calor con diferencias bajas de temperatura y a temperaturas bajas, espacio elevado de terreno y alto peso, retención relativamente alta y mala transferencia de calor con líquidos viscosos.

Las mejores aplicaciones de este tipo de evaporadores son: líquidos limpios, productos cristalinos (si se utiliza hélice), líquidos relativamente no corrosivos, puesto que el cuerpo es grande y costoso (si se construye de materiales que no sean hierro colado o acero dulce)

Evaporadores verticales de tubo largo Mostrados en las figura 9, f, g, h. Se logra una mayor evaporación total con este tipo de evaporador que en todos los demás combinados, porque es normalmente el más barato por unidad de capacidad. Este evaporador consiste en un intercambiador de calor de coraza y tubo vertical de paso simple, que se descarga en un cabezal de vapor relativamente pequeño. En general, no se mantiene el nivel de líquido en el cabezal de vapor y el tiempo de residencia del líquido es de solo unos segundos. Entre las ventajas de este tipo de evaporadores están: bajo costo, superficie limpia de calentamiento en un cuerpo, baja retención, necesidad de poco espacio de terreno, buenos coeficientes de transferencia de calor con diferencias razonables de temperaturas (película ascendente) y buenos coeficientes de transferencia de calor en todas las diferencias de temperatura (película descendente).

Las desventajas principales son: espacio superior elevado, no adecuados para los líquidos que forman depósitos de sales de escamas en grandes cantidades, bajos coeficientes de transferencia de calor de la versión de película ascendente, con diferencias bajas de temperaturas y por lo común, se requiere la recirculación para la versión de película descendente.

Las mejores aplicaciones de los evaporadores de tubo largo son con líquidos limpios, con líquidos espumosos, con soluciones corrosivas, con grandes cargas de evaporación, con diferencias elevadas de temperatura para película ascendente y con diferencias bajas de temperatura para película descendente.

Evaporadores de tubo horizontal

Es el mostrado en la figura 9,i, j. En este tipo de evaporadores, el vapor de agua se encuentra dentro y la solución fuera de los tubos. La versión de tubo sumergido (figura 9,i) se emplea en pocas ocasiones, excepto para la preparación n de agua de alimentación de calderas. El propósito básico es la baja pérdida por arrastre: la coraza cilíndrica horizontal produce una gran área libre por unidad de volumen de depósito.

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Las ventajas de este tipo de evaporador son: espacio superior muy bajo, área libre grande para el vapor-líquido en el tipo de tubo sumergido, costo relativamente bajo en el tubo recto y pequeña capacidad, buenos coeficientes de transferencia de calor y desescamado semiautomático sencillo.

Entre las desventajas más notables están: no son adecuados para los líquidos que dejan depósitos de sales, inapropiados para los líquidos que forman escamas, costo elevado, mantenimiento de la distribución de líquido.

Las mejores aplicaciones son: espacio superior limitado, pequeña capacidad, líquidos que no formen deposiciones de sales y escamas (tipo de tubo recto) y líquidos que formen grandes deposiciones de escamas (de tipo acodado).

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CAPITULO III

MARCO METODOLÓGICO

Para la ejecución del presente estudio, se diseñaron una serie de experiencias, que se llevarán a cabo en los Laboratorios de Química de la UNEG, Laboratorio de Metalurgia UNEXPO, Laboratorio de aguas CVG ALCASA y en el Laboratorio de Control de Procesos de CVG BAUXILUM. 1.- TIPO DE ESTUDIO El presente estudio es una investigación aplicada de tipo descriptivo-explicativo, con diseño experimental, que permitirá caracterizar una nueva metodología en el procesamiento de un desecho (lodo rojo) catalogado por normas venezolanas y mundiales como peligroso. Es una investigación descriptiva porque, según lo propuesto por Hernández et al (2003) “los estudios descriptivos pretenden medir o recoger información de manera independiente o conjunta sobre los conceptos o las variables a las que se refiere. Busca especificar propiedades, características y rasgos importantes de cualquier fenómeno que se analice”. La parte explicativa de este estudio es debida a que se busca el porqué de los hechos mediante el establecimiento de relaciones causa-efecto (Arias, 2006). Es aplicada, ya que de acuerdo a lo señalado por Martínez (1994):

Una investigación tecnológica (llamada tradicionalmente investigación aplicada) es una actividad orientada a la generación del nuevo conocimiento (técnico) que pueda ser aplicado directamente a la producción y distribución de bienes y servicios; la cual puede conducir a una inversión, una innovación o una mejora. De acuerdo con el diseño la investigación es experimental, porque según Arias ob cit,”una investigación experimental es un proceso que consiste en someter a un objeto o grupo de individuos a determinadas condiciones, estímulos o tratamiento (variable independiente), para observar los efectos o reacciones que se producen (variable dependiente). En el caso presentado la variable independiente es el tiempo de evaporación (t) y las variables independientes son los porcentajes de óxido especificados (%Al2O3, %Fe2O3, %SiO2, %Na2O, %CaO , %TiO2). 2.- POBLACIÓN y MUESTRA La población está constituida por la suspensión de lodos rojos generada durante el proceso productivo de CVG BAUXILUM. Esta

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suspensión sale de los equipos lavadores (7) y se deposita en las lagunas de sedimentación, dispuestas para tal fin, con un flujo promedio de 250 m3/h. Para la selección de la muestra se tomó como base la teoría de muestreo presentada por Gómez (1991) según el siguiente cuadro sinóptico:

Para la toma de muestra de este estudio se utilizó un muestreo aleatorio simple, en una sola muestra de 5 litros, la cual fue suministrada por CVG Bauxilum. 3.- PROCEDIMIENTO

Para el desarrollo del presente estudio se ejecutarán las siguientes etapas:

3.1 Descripción del proceso Bayer Se recabó información referida a este proceso productivo: materias primas, variables operacionales, producto y desecho. La cantidad de desecho peligroso que se genera, su forma de disposición, tratamiento que recibe, efectos que causa y posibles usos. 3.2 Recolección de muestras

Según la cantidad

Doble: de dos muestras menores

Simple: de una sola muestra grande

Según la forma

Múltiple: de dos o mas muestras pequeñas

Aleatorios

De Juicio: según criterio del investigador

Simple: muestras al azar

Modificado

Sistemático Estratificado Por conglomerados o Áreas Especiales Mixtos

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La muestra de lodo rojo se tomó a la salida del último lavador, siguiendo las normas recomendadas para líquidos corrosivos mostradas en la tabla 7. En la figura 10 se muestra el punto de muestreo. La cantidad de material recolectado fue de 5000 cm3, en envases de polietileno de alta densidad con tapa de rosca, luego fue trasladada al laboratorio químico de la UNEG donde se preservó a temperatura ambiente.

Fig. 10. Plano de punto de muestreo 3.3.- Evaporación de muestras En el laboratorio químico de la UNEG se llevaron a cabo las evaporaciones, para lo cual se depositaron en vasos de precipitado de 250 ml, la cantidad de 100 ml de suspensión de lodo rojo se tapó con vidrio de reloj y se sometió a calentamiento durante periodos de 8 horas, 12 horas y 24 horas, luego de las cuales se tomaron los sólidos generados en el proceso y se sometió a los análisis químicos y mineralógicos respectivos (figura 11). Cada procedimiento se realizó por triplicado. Para conocer la composición física y química del gas desprendido durante las evaporaciones, se realizó un montaje de destilación simple (figura 12), para condensar el vapor desprendido en

Muestra de lodo rojo

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cantidad suficiente para su análisis, el cual fue realizado en el laboratorio de CVG Hidrobolívar siguiendo el Standar Métodos for The Examination of Water and Wasterwater edition 17th (1989) para aguas..

Figura 11. Evaporación y filtración del lodo rojo

Figura 12. Destilación simple del lodo rojo 3.4.- Análisis físico-químico y mineralógico del lodo y el sólido evaporado. Al lodo rojo se le realizó la determinación de la densidad relativa, siguiendo el método del picnómetro,. como parámetro del análisis físico, la composición química por método de fluorescencia de rayos x y el pH por método potenciométrico dentro del análisis químico y el análisis mineralógico por método de difracción de rayos x. A las muestras evaporadas se les realizó la densidad relativa por el método antes mencionado y el análisis granulométrico siguiendo la norma ASTM E-11.A todos los sólidos (9) obtenidos por evaporación se les determinó la composición química por método de fluorescencia de rayos x y a la muestra con tiempo de evaporación de 24 horas se le efectuó análisis mineralógico. Análisis químico y mineralógico por método de

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difracción de rayos x. Todos los análisis se realizarán siguiendo las prácticas operativas de CVG Bauxilum. 3.5.- Descripción de rutas tecnológicas para el tratamiento del lodo rojo Se realizó un desglose de las dos técnicas mundiales más empleadas para el tratamiento del lodo rojo. 3.6.- Construcción de tablas Una vez realizados los análisis se procedió a la elaboración de tablas tomando datos del proceso como el tiempo de evaporación, la densidad relativa y la composición química del lodo y los sólidos evaporados y el análisis de agua al condensado. 3.7.- Escogencia de equipo evaporador acorde a condiciones del proceso productivo Se contrastaron las condiciones de obtención del sólido con las condiciones de operación de los equipos evaporadores estudiados en el marco teórico, lo cual conllevó a recomendar el equipo adecuado. 3.8.- Elaboración de procedimiento Se estructuraron las fases que componen el procedimiento físico recomendado para obtener un desecho sólido con alto porcentaje de óxido de sodio. 3.9.- Elaboración del informe Se compendió la información en capítulos para conformar el informe de investigación. A continuación se presentan las etapas del procedimiento realizado en un esquema de trabajo:

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4.- MATERIALES E INSTRUMENTOS 4.1.- Caracterización física

4.1.1.- Análisis granulométrico

a) Cuarteador b) Batería de tamices Tyler: 60, 100, 140, 200 mesh c) Rotap d) Balanza granataria

Investigar la cantidad de efluente que se deposita en el sistema lagunar de CVG Bauxilum

Describir la influencia ambiental del lodo rojo en su entorno de disposición

Describir el proceso Bayer

Muestra

Estructurar las fases que componen el procedimiento físico recomendado para el tratamiento del NaOH en el desecho industrial

Caracterización Física, Química y Mineralógica

Contrastar las diferentes condiciones de operación de los evaporadores estudiados con las características del desecho de CVG Bauxilum

Producto (Alúmina)

Residuo (lodo rojo)

Describir las Rutas tecnológicas

Vapor

Sólido

Evaporación t (8h, 12h y 24h)

Sólido

Líquido

Análisis Químico

RMC

Muestra

Filtración

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e) Espátulas 4.1.2.- Densidad a) Picnómetro de 50 ml b) Balanza analítica c) Piseta 4.2.- Caracterización química 4.2.1.- Termotitulación a) Diluidor Hamilton b) Termotitulador Wesseling c) Dosimat Metrohm 765 d) Agitador magnético modelo E-649 e) Vasos de poliestireno f) Cubierta plástica 15 mm x 5mm 4.2.2.- Determinación de la concentración de hidrógeno (pH) a) pHmetro Orion 750 b) Electrodo de vidrio c) Soluciones buffer de pH 7 y 12 d) Vasos de precipitado de 100 ml e) Piseta con agua destilada 4.2.3.- Fluorescencia de Rayos X a) Espectrofotómetro Secuencial Philips PW-2400 b) Fuente de excitación: tubo de Rayos X Super Sharp con ánodo de Rodio, 3.0 Kw, 60 Kv y 125 mA. c) Sistema de medida: CPU Compaq DESKPRO PENTIUM 16.0 Mb Ram d) Sistema operativo: Microsoft Windows 95 e) Balanza f) Crisol de platino/oro g) Muestra patrón h) Prensa hidráulica i) Estufa j) Vidrio de reloj 4.3.- Caracterización mineralógica a) Generador de Rayos X Philips PW-1830/25 b) Goniómetro Philips 1050/81.

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c) Tubo de Rayos X Philips con ánodo de cobalto o ánodo de cobre d) Computador IBM Pentium 4 e) Ambiente Windows XP Profesional versión 2002 f) Balanza analítica g) Muestra patrón h) Prensa hidráulica i) Espátula j) Vidrio de reloj h) Mortero com mango 5.- CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS La muestra de lodo rojo (líquido y sólido) y las muestras evaporadas (vapor y sólido) fueron caracterizadas física, química y mineralogicamente. A continuación se especifican cada una de las caracterizaciones. 5.1.- Análisis químico al componente líquido del lodo rojo El análisis químico del componente químico de la pulpa de lodo rojo (% Al2O3 y % Na2O) se realizó por el método de termotitulación. La titulación termométrica permite determinar las concentraciones de Al2O3 y Na2O en los licores de planta y en la corriente de desecho, siguiendo la referencia pautada por Ormet Laboratory Procedures, Volumen II Book Nº 8; T.J Sloan Principio del ensayo En la titulación termométrica se emplea el efecto térmico para la detección del punto final de la titulación. Este tipo de titulación se basa en la medida del calor de neutralización liberado cuando se adiciona ácido clorhídrico (HCl) a los licores del proceso Bayer. Reactivos Acido Clorhídrico 1,28 M Tartrato de sodio y potasio 614 g/l Fluoruro de potasio 617 g/l Procedimiento Se colocó el agitador magnético en un vaso de poliestireno limpio y seco, se transfirió con el diluidor Hamilton 1 ml de muestra, previamente enfriada, dentro del vaso. Luego, se le añadieron 10 ml de tartrato de sodio y potasio [NaK(COO)2(CHOH)2], se colocó una tapa plástica y se ubicó bajo ensamblaje de titulación. Con el selector en la posición del Na2O y funcionando el agitador se realizó la titulación con ácido

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clorhídrico (HCl). Se anotó la lectura de la bureta Sin dejar de agitar, se agregaron 10 ml de fluoruro de potasio (KF), se llevó a cero la lectura de la bureta y se cambió el selector de titulación a la posición Al2O3, se añadió HCl y cuando se encendió el botón de finalización de la titulación se anotó el valor consumido de HCl. Las lecturas obtenidas durante la titulación se introdujeron en el computador programado para el calculo de Na2O y Al2O3 contenido en la muestra con su respectiva relación molar-cáustica ([Na2O] / [Al2O3] x 1,645). 5.1.- Caracterización física Se realizaron los ensayos físicos a los lodos rojos, constituidos por un análisis granulométrico para determinar el tamaño de partícula y la respectiva densidad por el método del picnómetro. Estos análisis se realizaron en el laboratorio de metalurgia extractiva de la UNEXPO. 5.1.1.- Análisis granulométrico El análisis granulométrico tiene como objetivo determinar el d80, el cual representa la malla donde es retenido el 80% de la muestra. Para este proceso, se pesaron 123 gramos de muestra y se procedió a realizar el tamizaje durante 15 minutos en el Ro-Tap. La porción retenida en cada tamiz se pesó y se determinó el porcentaje de retención respectivo. Formula %Retenido = Peso Retenido x 100/ Peso inicial muestra 5.1.2. Determinación de la densidad Para la determinación de la densidad relativa (DR), por el método del picnómetro, se pesó el picnómetro vacío (m1), se pesó el picnómetro con agua (m2), se pesó el picnómetro con el sólido afuera (m3), por último se pesó el picnómetro con el sólido dentro (m4). Se emplea la formula: DR: m3- m2 / m3 - m4 5.2.- Caracterización química y mineralógica A las muestras sólidas de lodo rojo y lodo evaporado se les realizó la caracterización química por fluorescencia de Rayos x y la composición mineralógica por Difracción de Rayos X en el Laboratorio de Calidad y Proceso de CVG BAUXILUM. A continuación se desglosan los métodos señalados:

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5.2.1.- Método Fluorescencia de Rayos X La técnica de fluorescencia de Rayos X permite determinar los componentes mayoritarios en muestras sólidas (Fe2O3, TiO2, SiO2 y Al2O3) En el presente estudio se analizaron muestras de lodo rojo antes y después de la evaporación, siguiendo el método E-2 SM 11-13 de la ASTM Principio del ensayo Para la realización de este ensayo se aprovecha la propiedad que tienen los elementos químicos de emitir radiación fluorescente característica cuando son excitados por un haz de rayos X primario de alta energía En general, un haz de radiación primario proveniente de un tubo de rayos X, irradia la muestra, excitando los átomos del analito que se determina. Al ser la energía del haz lo suficiente para sacar un electrón de las orbitas mas internas del analito, el lugar de ese electrón es ocupado por uno de una capa mas externa, cuyo lugar será llenado, a su vez, por un electrón de una capa aún mas externa. Así el átomo ionizado vuelve a su estado fundamental en una serie de pasos, en cada uno de los cuales, se emite radiación fluorescente de energía determinada. Esta radiación es detectada, convertida en pulsos eléctricos, amplificada y registrada. Finalmente, la intensidad de radiación se relaciona con la concentración del analito mediante curvas analíticas. Reactivos Mezcla de argón/metano 90/10% Alcohol etílico 99% de pureza Metaborato de litio Óxido de lantano Ioduro de potasio Procedimiento Se pesaron 0,4 g de muestra problema, 2,4 g de metaborato de litio (LiBO2), 0,5 g de óxido de lantano (La2O3), se mezclan en un crisol de platino-oro, se homogeneizó la mezcla. Se agregaron unas gotas de ioduro de potasio (KI) y se fundió a 1300 ºC por 15 minutos. Se enfrió, se llevó a una prensa y se obtuvo la pastilla. Se llevó al equipo para la corrida respectiva. El equipo emitió un reporte con las intensidades para cada compuesto analizado medido en porcentaje.

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5.2.2.- Método Difracción de Rayos X El objeto de este análisis es determinar las fases minerales presentes en muestras de lodos, bauxita, incrustaciones, hidrato y alúmina calcinada provenientes del proceso Bayer. Mediante la aplicación de este ensayo se logró identificar las fases minerales y su contenido semi-cuantitativo en las muestras antes mencionadas, siguiendo la propuesta de Sajo,I.E XDB Power Diffraction Phase Analytical System for Windows, versión 3.0 Use´s Guide, Budapest, 2005. Principio del ensayo Los materiales cristalinos cuando son irradiados con un haz de luz de rayos X monocromático originan un patrón, producido por la difracción del haz en los planos cristalinos. Este patrón, registrado en un difractograma consta de una serie de picos característicos del material que permiten su identificación. Para la identificación de los picos en muestras de lodo rojo se empleó un barrido con ángulo de Bragg comprendido entre los 0- 80º. Procedimiento Para este análisis se secó la muestra, se pesaron 4 gramos, luego se disgregó en un mortero. Se llevó a una prensa automática, se tomó un anillo y se colocó en la parte superior del molde de la prensa, se agregó la mezcla y se activó el mecanismo a una presión de establecida (100 psi). Se llevó al equipo para la corrida respectiva. Se obtuvo un difractograma con los picos identificados y el porcentaje, en términos semi-cuantitativos, de los porcentajes de las fases correspondientes. 5.2.2.- Determinación del pH La determinación de la concentración de hidrógeno pH se realizó por método potenciométrico. Principio del ensayo Este método hace uso de aparatos llamados pHmetros que miden la fuerza electromotriz de una pila de concentración, formada con un electrodo de hidrógeno sumergido en la muestra problema, medido contra una solución de pH conocido.

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Reactivos Agua destilada. Solución buffer de pH 7 y pH 12 Muestra problema. Procedimiento Se calibró el pHmetro según el procedimiento del manual, se corroboró la calibración empleando una solución de pH conocida con valor intermedio entre los buffer empleados para la calibración, se enjuagó el electrodo con agua destilada, secándolo antes de sumergirlo en la muestra problema. Se anotó el valor registrado en la pantalla del equipo. La medición se realizó por duplicado. Se tomó el valor reportado en la pantalla del equipo.

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CAPITULO IV

RESULTADOS

4.1.- CARACTERIZACIÓN DEL EFLUENTE El efluente que se genera en CVG BAUXILUM es una pulpa, a la que se realizó análisis tanto a la parte líquida como a la parte sólida. Al componente líquido se le determinó el porcentaje de Al2O3 y Na2O, para tener una referencia de su contenido, al sólido se le realizó un análisis más exhaustivo en términos físicos, químicos y mineralógicos. 4.1.1 Análisis químico al componente líquido del lodo rojo Los resultados de concentración obtenidos para el óxido de sodio I y el óxido de aluminio (III) permitieron obtener la Relación Molar Cáustica (RMC) que se muestran en la tabla 9. Tabla 9 Composición química del componente líquido del lodo rojo

Compuesto

Composición (g/l)

Al2O3 43,4 Na2O 7,54

Relación Molar Cáustica (RMC)= 0,29 4.1.2 Análisis físico al componente sólido del lodo rojo El análisis físico está compuesto por la densidad relativa y el análisis granulométrico 4.1.2.1 Densidad relativa Se realizaron por triplicado las mediciones de masa para determinar el peso específico del lodo rojo, cuyos valores se registran en la tabla 10, donde se muestra el valor promedio obtenido.

61

Tabla 10. Densidad relativa del lodo rojo por método del picnómetro

Muestra m1(g) m2 (g) m3 (g) m4 (g) DR 1 36,9974 93,4427 95,4466 94,5503 2,2354 2 37,0085 93,4501 95,4594 94,5610 2,2365 3 36,8369 93,3584 95,3602 94,4590 2,22

DR = 2,23

4.1.2.2 Análisis granulométrico El tamaño de partícula se determinó empleando tamices de malla 60, 100, 140, 200 y -200 Tyler (mesh), los resultados se especifican en la tabla 11 y su variabilidad se muestra en el gráfico 1 Tabla 11. Análisis granulométrico de lodo rojo

Malla Tyler (mesh)

Abertura (micrones)

% Peso Retenido

% Peso Acumulado

60 250 39,02 39,02 100 147 24,39 63,41 140 105 30,89 94,31 200 74 2,44 96,75 -200 -74 3,25 100 Total 100

0102030405060708090

100

250 147 105 74 -74

Abertura (micrones)

% P

eso

Acu

mul

ado

Gráfico 1. Variabilidad del tamaño de partícula en el lodo rojo

¯

62

4.1.3 Análisis Químico del lodo rojo sin evaporar En la tabla 12 se muestra el porcentaje de los distintos óxidos mayoritarios que componen el lodo rojo sin evaporar y en el gráfico 2 se muestra la variabilidad de los parámetros químicos indicados. Tabla 12. Composición química de las muestras de lodo rojo

Compuesto Composición (%) Al2O3 20,3 Fe2O3 43,2 SiO2 15,6 CaO 2,7 Na2O 3,3 TiO2 3,6 pH 12,6

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Com

posi

ción

quí

mic

a (%

)

Al2O3 Fe2O3 SiO2 CaO Na2O TiO2

Óxidos presentes

Gráfico 2. Comparación de la composición química de los óxidos presentes en el lodo rojo.

63

4.1.4 Análisis Mineralógico El barrido a la muestra de lodo rojo realizado por difracción de rayos X sobre probetas preparadas en forma de polvo reveló los porcentajes estimados de las fases presentes que se muestran en la tabla 13 y la variabilidad de las fases en el gráfico 3. Tabla 13. Composición mineralógica a las muestras de lodo rojo

Compuesto Fases Presentes Composición Estimada (%) α Fe2O3 Hematita 20

α Fe2O3-H2O Gohetita 34 α SiO2 Cuarzo 11,27

Al (OH)3 Gibsita 16,41 3CaO.Al2O3.H2O Bayer Soda 10,74

γ AlOOH Bohemita 1,80 CaCO3 Calcita 0,90 TiO2 Anatasa 1,85

FeTiO2 Ilmenita 2

0

5

10

15

20

25

30

35

Com

posi

ción

min

eral

ógic

a (%

Hematita Gohetita Cuarzo Gibsita BayerSoda

Bohemita Calcita Anatasa Ilmenita

Fases presentes

Gráfico 3. Composición mineralógica estimada de las fases presentes en el lodo rojo

64

4.2 IDENTIFICACIÓN DE LAS RUTAS TECNOLÓGICAS ACTUALES EMPLEADAS EN EL TRATAMIENTO DE LOS LODOS ROJOS Las rutas tecnológicas fueron estudiadas desde dos puntos de vista: el de producción tradicional y el de producción actual (producción limpia). Siguiendo el esquema tradicional de producción:

El lodo rojo es dispuesto directamente en lagunas de sedimentación. A pesar de ser un método obsoleto, que genera grandes repercusiones en el ambiente todavía se continua empleando en muchos países, tal es el caso de Venezuela. Sin embargo, factores como las regulaciones ambientales, la globalización, la protesta de grupos ambientalistas, entre otros han presionado en la búsqueda de alternativas tecnológicas para el tratamiento de este desecho. Es así como nacen algunas opciones para el uso del lodo rojo: en la industria cerámica, en la industria del cemento, en la fabricación de ladrillos, en la industria siderurgica, en la fábrica de pigmentos, en los floculantes, en el tratamiento de aguas residuales y como material de relleno en la industria de la construcción, sin llegar a constituirse ninguna de ellas en un proceso a gran escala. En la actualidad, países como Rusia, Australia, Estados Unidos, India, Nueva Guinea, Francia, entre otros, usan la neutralización con dióxido de carbono (CO2) como la técnica de mayor relevancia para minimizar el carácter peligroso del mencionado residuo, lo cual intensifica los usos antes señalados. En la parte líquida sobrenadante de la pulpa de lodo rojo se produce la transformación del hidróxido de sodio en un carbonato de sodio que no posee las características tóxicas del primero y en la parte sólida los compuestos silico-aluminatos de sodio presentes se convierten compuestos silito-aluminatos de carácter ácido combinados con carbonato de sodio. Las reacciones predominantes que se llevan a cabo durante este proceso son:

PROCESO BAYER

(Proceso)

LODO ROJO (Residuo)

AMBIENTE

ALÚMINA (Producto)

Al2O3XH2O NaOH (Materias Primas)

Agua Energía Cal

65

2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O (solución acuosa) 2NaAlSi3O8 + 2H2O + CO2 H4Al2Si2O9 + 4SiO2 + Na2CO3 (sólido) Luego de su proceso de neutralización, Australia ha logrado patentar un producto denominado Bauxsol, reconocido como amigable al ambiente por la EPA y la comunidad Europea. El mencionado producto es menos alcalino que el lodo rojo, actúa como excelente absorbente de metales tóxicos para el tratamiento de efluentes, para los desechos de minas y como sustrato en el crecimiento de vegetación. Hungría, posee yacimientos de bauxita con alta sílice reactiva, lo cual genera alta cantidad de lodo rojo/tonelada de Al2O3 producida, en su intento por minimizar estas cantidades y bajar los efectos ambientales producidos al entorno se recupera parte del Na2O unido químicamente a los alumino-silicatos mediante un proceso de caustificación de los lodos rojos empleando hidróxido de calcio, Ca(OH)2, El proceso consiste en tratar con Ca(OH)2 el lodo rojo lavado, mediante esta operación, se recupera de 20-25% del Na2O La ventaja de esta técnica es la disminución de las cantidades de agua que se introducen al sistema. Con los avances realizados en el proceso Bayer, conociendo las reacciones químicas que tienen lugar entre minerales de silicio con soluciones alcalinas de aluminato de sodio y la influencia de la temperatura de reacción sobre la estructura del aluminosilicato de sodio y su comportamiento en la decantación, Estados Unidos ha pasado al proceso de solubilización de bauxita con “2 flujos” utilizando como materia prima bauxita con contenido elevado de sílice (13% SiO2) y 50-59% de Al2O3. Inicialmente, se trata la bauxita con el proceso Bayer, el lodo rojo es lavado, filtrado y después se lleva aun proceso de sinterización con cal y soda a 1100-1200ºC. El sinter se solubiliza y la solución obtenida es descompuesta junto con la solución de aluminato del ciclo Bayer. Esta variante tecnológica tiene una extracción elevada de alúmina y pérdidas pequeñas de soda, pero una sinterización con cal y soda de algunos lodos rojos con alto contenido de hierro aún presenta dificultades. Con este proceso, empleando bauxitas con las proporciones señaladas de SiO2 y Al2O3 se han logrado recuperaciones del 90% de alúmina y el consumo de alcalinos a sido de 0,13-0,15kg Na2CO3/ton Al2O3. En Venezuela, Petróleos de Venezuela (PDVSA) emplea la barita como sustancia química que permite el reacondicionamiento de los residuos de perforación. Básicamente, por el costo del compuesto químico la empresa ha desarrollado el empleo de sustancias alternas para este fin, siendo la ilmenita el compuesto más adecuado. Por esta razón, la empresa tiene en la actualidad un proyecto para estudiar la factibilidad de incorporar porcentajes de lodo rojo en la mezcla de tratamiento a los lodos de perforación.

66

La preparación de suelos es la segunda técnica en importancia donde se emplean los lodos rojos dada la predominancia de grano arena muy fino, limo y arcilloso que presenta el residuo. El proceso consiste, en una vez neutralizado el lodo rojo, mezclarlo con el suelo arenoso, haciendo uso del denominado triangulo de texturas (figura 13) para obtener una textura que permita la incorporación de algunas especies vegetales a esa superficie.

Figura 13. Triangulo de texturas de suelos La mezcla del lodo rojo con suelos pobres se realiza, a los fines de aprovechar el fósforo contenido en la bauxita que no interviene en el proceso Bayer y que sale en el residuo. El empleo de otras técnicas como la osmosis inversa y la electrodiálisis se encuentran en etapa incipiente dados los inconvenientes que se presentan cuando se emplean soluciones que contienen metales, como es el caso del lodo rojo. Sin embargo, actualmente se realizan estudios para determinar la viabilidad de estos métodos para bajar los niveles de licor contaminante en las lagunas de sedimentación. Siguiendo los principios de Producción Limpia, se plantea la modificación de los procesos como estrategia que permita prevenir los efectos negativos que las actividades productivas puedan producir sobre el ambiente. Es por esto que en el desarrollo del proceso Bayer, se trabajan varias alternativas de tratamiento para convertir el residuo en un desecho más amigable con el ambiente. Entre estas alternativas se encuentran a) el tratamiento previo a la bauxita (lavado o calcinación) con el fin de eliminar la materia orgánica presente y el material carbonaceo que forman los oxalatos, los cuales son difíciles de tratar antes de ser dispuestos y emplear menores cantidades de hidróxido de sodio en el proceso, entre los países que más destacan

67

con este método están Brasil, India, Guyana y Estados Unidos b) la optimización de las variables operacionales para minimizar el contenido de óxido de aluminio (Al2O3) que se va en el residuo, lo cual fomenta la formación de aluminosilicatos de sodio, mayor control de la relación molar cáustica como medio para medir la eficiencia del proceso, c) por ser el licor cáustico contentivo en el lodo rojo el factor de mayor influencia en los efectos adversos que este residuo genera, se emplea el aumento de la densidad de la pulpa de lodo rojo depositado en las lagunas de sedimentación a los fines de bajar la cantidad de líquido a ser almacenado o confinado, Arkansas-E.E.U.U y Ardida-Canadá destacan en el empleo de esta técnica y d) la evaporación como método físico que elimine la parte líquida del lodo rojo y genere un sólido, cuyo tratamiento de neutralización y posterior uso sea una alternativa ambiental y económicamente viable, esta alternativas se encuentra en estudio. A continuación se muestra la propuesta de un esquema de las alternativas de tratamiento tanto al proceso como al residuo (las operaciones resaltadas serían las que se incorporarían al proceso):

PROCESO BAYER

(Proceso)

LODO ROJO (Residuo)

AMBIENTE

ALÚMINA (Producto)

Al2O3XH2O NaOH (Materias Primas)

Agua Energía Cal

TRATAMIIENTO

DESECHO

PRODUCTOS VALORIZABLES

CALCINACIÓN

OPTIMIZAR VARIABLES OPERACONALES > CONTROL RMC

EVAPORACIÓN

ESPESAMIENTO

CAUSTIFICACIÓN NEUTRALIZACIÓN

TRATAMIENTOS HIDROMETALURGICOS

LIMPIEZA

68

4.3.- CARACTERIZACIÓN FÍSICA, QUÍMICA Y MINERALÓGICA DE MUESTRAS EVAPORADAS Las muestras sometidas a evaporación generaron un vapor y una porción sólida. Ambas fases fueron sometidas a análisis físico-químico, a continuación se exponen los resultados obtenidos. 4.3.1 Análisis químico al condensado de lodo rojo El vapor generado durante la evaporación del lodo rojo se recogió con un equipo de destilación simple, cuyo análisis químico reveló los resultados mostrados en la tabla 14. Las mediciones generadas se contrastan, en la mencionada tabla, con los valores emitidos en el Decreto 883, el cual rige para Las normas para la Clasificación, el Control de la Calidad de los Cuerpos de Agua y Vertidos de efluentes líquidos. Tabla 14. Composición química del vapor condensado de lodo rojo

RESULTADOS LIMITES DECRETO 883

PARAMETRO MUESTRA Cuerpos de Aguas (directa o indirectamente)

Tipo 2B Redes Cloacales

Conductividad (µS/cm)

59,3

Titanio (mg/L) N/D

Aluminio Total (mg/L)

0,22 5,0 1,0 5,0

Arsénico Total (mg/L )

0,5 0,05 0,5

Sodio (mg/L) 0,47

Calcio (mg/L) N/D

Cianuro Total (mg/L )

0,2 0,2 0,2

Cloruros (mg/L ) 1000

Cobre Total (mg/L )

1,0 0,20 1,0

Color Real (U Pt-Co)

500

Cromo Total (mg/L) 2,0 0,05 2,0

69

Dureza (ppm CaCO3 )

2,6

Turbidez (NTU) 4 Detergentes (mg/L )

2,0 8

Espuma Ausente Fenoles (mg/L ) 0,5 0,5

Fluoruros (mg/L) 5,0

Fósforo Total (mg/L )

10 10

Hierro Total (mg/L) N/D 10,0 1,0 25

Manganeso Total (mg/L)

2 0,5 10

Nitrógeno Total (mg/L)

40 40

Nitratos ( mg/ L)

Nitritos ( mg/L)

Niquel (mg/L) 0,5 2,0

Organismos Coliformes Totales (NMP/100)

90% > 1000/100 ml 0% >

5000/100 ml

pH 8,7 6 a 9 6 a 9

Oxígeno Disuelto (mg/L)

Plomo Total (mg/L) 0,5 0,05 0,5

Solidos Flotantes Ausente Ausente Ausente

Sólidos Disueltos (mg/L)

3000

Sólidos suspendidos (mg/L )

80 400

Sólidos sedimentables (mg/L)

1

Sulfatos (mg/L ) 1000 400

Sulfitos (mg/L ) 2

Sulfuros (mg/L) 0,5 2,0

Zinc (mg/L ) 5,0 5,0 10

Continuación de Composición Química

70

4.3.2 Análisis físico al componente sólido de la muestra evaporada El componente analizado para cubrir el análisis físico en la porción sólida producto de la evaporación fue el análisis granulométrico, manteniendo la serie de tamices empleado en el análisis al lodo rojo. 4.3.2.1 Análisis Granulométrico En la tabla 15 se muestran los resultados obtenidos en el análisis granulométrico y la variabilidad del tamaño de partícula se muestra en el gráfico 4. Tabla 15. Análisis granulométrico lodo rojo evaporado

Malla Tyler (mesh)

Abertura (micrones)

% Peso Retenido

% Peso Acumulado

60 250 45,10 45,10

100 147 13,73 58,83

140 105 35,29 94,12

200 74 2,94 97,06

-200 74 1,96 99,02

Total 99, 02

Gráfico 4 Variabilidad del tamaño de partícula en lodo rojo evaporado

0102030405060708090

100

250 147 105 74 -74

Abertura (micrones)

% P

eso

Acu

mul

ado

71

4.1.3 Análisis Químico En la tabla 16 se muestran los porcentaje de los distintos óxidos mayoritarios que componen el lodo rojo en función del tiempo de evaporación y en la figura 5 se muestra la variabilidad de esos parámetros químicos. En la tabla 17 se muestra un promedio de las composiciones químicas según el tiempo de evaporación, en el gráfico 6 se muestra la variabilidad de esta composición promedio y en el gráfico 7 se presenta la variabilidad de la composición química promedio en comparación a la composición del lodo rojo sin evaporar. Tabla 16. Composición química de las muestras de lodo rojo evaporadas

Composición (%) Tiempo (h) Al2O3 Fe2O3 SiO2 Na2O CaO TiO2

19,3 40,5 15,2 2,5 4,5 3,3 20,0 40,4 14,2 3,3 4,6 3,3

8

19,8 42,3 12,9 2,7 4,7 3,5 20,0 40,3 12,1 3,3 4,7 3,4 20,6 40,2 12,1 3,4 4,6 3,4

12

20,6 40,2 12,3 3,7 4,7 3,3 21,0 41,3 12,9 2,9 4,7 3,3 20,7 40,6 12,8 3,8 4,7 3,3

24

20,7 40,3 12,4 3,8 4,7 3,3

05

1015202530354045

8 8 8 12 12 12 24 24 24

Tiempo de evaporación (h)

Com

posic

ión

Quí

mic

a (%

)

Al2O3

Fe2O3

SiO2

Na2O

CaO

TiO2

Gráfico 5. Variabilidad de la composición química de los óxidos presentes en función del tiempo de evaporación

72

Tabla 17. Composición química promedio de las muestras de lodo rojo evaporadas comparada con la composición química del lodo rojo inicial

Composición Promedio (%) Tiempo (h)

Al2O3 Fe2O3 SiO2 Na2O CaO TiO2

8 20,8 40,7 12,7 3,5 4,7 3,3 12 20,4 40,2 12,2 3,5 4,7 3,4 24 19,7 41,1 14,1 2,8 4,6 3,4

Lodo Rojo 20,3 43,2 15,6 3,3 2,7 3,6

05

1015202530354045

Com

posi

ción

Pro

med

io (%

Al2O3 Fe2O3 SiO2 Na2O CaO TiO2

Óxido Presente

8 horas

12 horas

24 horas

Gráfico 6. Variabilidad de la composición química promedio de los óxidos presentes en función del tiempo de evaporación

73

05

1015202530354045

Com

posi

ción

Pro

med

io (%

)

Al2O3 Fe2O3 SiO2 Na2O CaO TiO2

Óxidos Presente

Lodo Rojo

8 horas

12 horas

24 horas

Gráfico 7. Variabilidad de la composición química promedio de los óxidos presentes en función del tiempo de evaporación comparado con el lodo rojo 4.1.4.- Análisis Mineralógico El análisis a las muestras de lodo rojo evaporado por la técnica antes señalada, muestra el porcentaje estimado de las fases presentes en función del tiempo de evaporación. En la tabla 18 se evidencian los resultados obtenidos, en el gráfico 8 se visualiza la variabilidad de las fases presentes. Los promedios de los resultados según el tiempo de evaporación y su variabilidad se especifican en la tabla 19 y el gráfico 9 respectivamente y en el gráfico 10 se presenta la variabilidad de la composición promedio en comparación al lodo rojo inicial.

74

Tabla 18. Composición mineralógica de las muestras de lodo rojo evaporadas

Fases Presentes

Hematita Gohetita Cuarzo Gibsita Bayer Soda Bohemita Calcita Anatasa Ilmenita Composición Estimada (%)

Tiempo (h)

α Fe2O3

α FeO (OH)-

α SiO2 Al(OH)3 Na4(Al,Si)6O125H2O γ AlOOH CaCO3 TiO2 FeTiO3

16,26 33,67 9,15 19,60 11,84 1,74 1,16 1,74 1,92

19,89 32,20 8,14 17,04 15,43 1,80 1,14 2,37 1,89

8

18,00 33,00 6,77 16,00 15,30 1,50 0,80 1,80 2,80 21,63 31,86 7,82 17,04 12,68 3,38 0,87 2,22 2,41

18,22 32,75 8,19 18,42 13,85 2,15 1,23 2,15 2,05

12

16,67 32,22 13,22 15,44 14,44 1,67 0,89 2,22 2,22 17,36 31,67 13,47 18,27 11,06 1,92 0,92 2,40 1,92

13,91 35,92 12,41 20,65 11,06 1,74 0,99 2,32 -

24

18,00 34,00 8,97 16,95 12,50 1,80 1,40 2,30 2,50

05

10152025303540

8 8 8 12 12 12 24 24 24

Tiempo de evaporación (h)

Com

posic

ión

Estim

ada

(%) Hematita

Gohetita

Cuarzo

Gibsita

Bayer Soda

Bohemita

Calcita

Anatasa

Ilmenita

Gráfico 8. Composición estimada de las fases presentes en lodo rojo evaporado

75

Tabla 19. Composición mineralógica promedio de las muestras de lodo rojo evaporadas

Fases Presentes Hematita Gohetita Cuarzo Gibsita Bayer Soda Bohemita Calcita Anatasa Ilmenita

Composición Estimada Promedio (%) Tiempo

(h) α Fe2O3 α Fe2O3-

H2O α SiO2 Al(OH)3 Na4(Al,Si)6O125H2O γ AlOOH CaCO3 TiO2 FeTiO3

8 18,05 32,96 8,02 17,55 14,19 1,68 1,03 1,97 2,20 12 18,84 32,28 9,74 16,97 13,66 2,40 1,00 2,20 2,23 24 16,42 33,86 11,62 18,62 11,54 1,82 1,10 2,34 2,21

Lodo Rojo 20 34 11,27 16,41 10,74 1,8 0,90 1,85 2

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

Com

posición

Pro

med

io (%

)

Hematita Gohetita Cuarzo Gibsita BayerSoda

Bohemita Calcita Anatasa Ilmenita

Fase Presente

8 horas12 horas24 horas

Gráfico 9. Composición mineralógica estimada promedio de las fases presentes en función del tiempo de evaporación

76

0

5

10

15

20

25

30

35

Com

posic

ión

Prom

edio

(%

)

Hematita Gohetita Cuarzo Gibsita BayerSoda

Bohemita Calcita Anatasa Ilmenita

Fases Presentes

0 horas

8 horas

12 horas

24 horas

Gráfico 10. Variabilidad de la composición mineralógica promedio de las fases presentes en función del tiempo de evaporación en comparación con el lodo rojo

77

4.4. EQUIPO RECOMENDADO PARA LA EVAPORACIÓN 4.4.1.- Características del equipo de evaporación propuesto en función de condiciones de operación Los factores que influyen en la elección de un tipo de evaporador depende de los costes de inversión y funcionamiento, intervalo de concentración final (viscosidad del material a evaporar y la energía interna), la formación de costras y cristales, la inestabilidad térmica, corrosividad, la formación de espuma y principalmente, el coeficiente de transferencia de calor (en términos de kW/K o BTU / h ºF) a las condiciones de operación deseadas. Para elegir el sistema de alimentación al evaporador va a depender de la utilización de la mayor cantidad posible de vapor, obtener una energía interna (U) elevada y generar los menores costos posibles por bombeo. El lodo rojo obtenido como residuo del proceso industrial de CVG BAUXILUM presenta las siguientes características: Temperatura de residuo a la salida del lavador: 80ºC Porcentaje de la pulpa: 75% líquido 25% sólido Flujo de descarga: 250 m3/h pH: 12,6 Estas condiciones limitan los equipos de evaporación existentes, razón por la cual los evaporadores de película ascendente no pueden ser utilizados. Este tipo de evaporadores requieren que su corriente de alimentación sea un líquido claro, condición que el lodo rojo no cumple. La limitación del empleo de un evaporador de película descendente se genera porque este equipo es adecuado para aplicaciones donde no se produzca ensuciamiento. Este fenómeno corresponde a la formación de deposiciones distintas de las sales y las escamas y se puede deber a la corrosión, materias sólidas que entran junto al material de alimentación o depósitos formados por el vapor en condensación. El lodo rojo es una pulpa corrosiva con 25% de sólido. El evaporador de Circulación Forzada es muy adecuado para operaciones de cristalización en las cuales los sólidos se deben mantener en suspensión en todo momento. Son costosos, aunque provee coeficientes de calor altos no son apropiados para las soluciones salinas, puesto que la ebullición en los tubos hace que aumenten las probabilidades de deposición de sales en las paredes y la evaporación repentina en el tubo, a la salida fomenta la nucleación excesiva y la producción de cristales finos. El evaporador de placas de tipo descendente, es un tipo de evaporador de película (figura 14) que permite el tratamiento de materiales viscosos y con elevada concentración de sólidos. Puede llegar a eliminar agua en caudales de de 25000 kg/h a 27000 kg/h, con cortos tiempos de residencia se logra buena calidad en el producto concentrado.

78

Figura 14.- Evaporador de placas Elevadas velocidades de transferencia de calor, baja retención de líquido, se puede variar con facilidad la capacidad de tratamiento al aumentar el número de placas. Es compatible en aplicaciones que involucren líquidos viscosos y materiales con elevada concentración de sólidos. En el evaporador de película fina agitada la alimentación se realiza por un sistema estático o dinámico, que la coloca sobre la del tubo mediante un ensamblaje giratorio de aspas (figura 15), que mantiene un franqueo estrecho de la pared o se introduce en realidad en la película de líquido de la pared. La agitación elevada (del orden de 12 m/s de velocidad periférica del rotor y las intensidades de energía de 2 a 20 KW/m2, permiten el manejo de materiales muy viscosos (Perry, 2003) La combinación de tiempo de residencias cortos, altas turbulencias y rápida renovación de la superficie permiten al evaporador de película fina agitada un buen manejo de materiales viscosos, embarrosos y sensibles al calor. Figura 15.- Evaporador de película fina agitada

79

4.5 PROCEDIMIENTO PARA ESTABLECER LA EVAPORACIÓN COMO MEDIO DE TRATAMIENTO DEL LODO ROJO. El empleo de la técnica de evaporación para el tratamiento del lodo rojo generado en un escenario similar al de CVG BAUXILUM, involucra una serie de actividades para extraer el mayor provecho de las condiciones que presenta el residuo, entre las que se encuentran:

Ubicación del evaporador a la salida del último lavador, a los fines de aprovechar la temperatura de salida del residuo (80ºC).

Reinyectar el vapor condensado en la evaporación al primer lavador del residuo para minimizar el consumo de agua de lavado.

El sólido generado en la evaporación puede almacenarse en contenedores fabricado de un metal adecuado o de polietileno de alta densidad, con tapa hermética, de color rojo, con capacidad de 60 m3 ubicados en un área controlada preparada para tal fin hasta determinar la disposición final.

80

ANÁLISIS DE RESULTADOS

LODO ROJO Parte liquida del lodo rojo

La Relación Molar Cáustica (RMC) es un indicativo de la eficiencia del proceso, el valor que industrialmente se maneja es entre 1 y 1,5. Por encima de este rango, se considera que el porcentaje de óxido de sodio (%Na2O) en el residuo es alto, lo que implica alto consumo de NaOH como materia prima, residuo con alto pH, cantidades de compuestos silito-aluminato en mayor proporción por tanto mayores volúmenes de lodo/tonelada Al2O3. Si el valor de RMC se encuentra por debajo del rango estipulado, implica alto porcentaje de óxido de aluminio (Al2O3) en el residuo con la consecuente pérdida del producto, consumo de materia prima no aprovechable, compuestos silito-aluminatos en mayor proporción por tanto mayores volúmenes de lodo/tonelada Al2O3.. El valor reportado en este estudio es 0,29, lo cual indica que el RMC se encuentra por debajo de lo establecido, lo que genera las consecuencias señaladas para esta condición. Parte sólida del lodo rojo El análisis granulométrico del lodo rojo reporta un d80 en una abertura aproximada de 100 micrones (0,1 mm). Siguiendo la clasificación del Departamento de Agricultura De Los Estados Unidos (USDA) y la Sociedad Internacional De la Ciencia De los Suelos (IISS) mostrado en el esquema siguiente:

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El grano del lodo rojo se encuentra, mayormente, ubicado como una arena muy fina, lo que explica su uso como reparador de suelos arenosos, este comportamiento se mantiene para el lodo evaporado. En el análisis químico se manifiesta como componente mayoritario más elevado el Fe2O3, (43,2%) lo cual confirma el hierro como la mayor impureza del lodo rojo, en concordancia con Gual (2006) El contenido de hierro, según el análisis mineralógico es aportado por la gohetita, la hematita y la ilmenita, siendo la fase gohetitica la que más aporta (gráfico 3). El segundo compuesto mayoritario en el residuo lo constituye el Al2O3 (20,3%), lo que explica el bajo valor de RMC obtenido. El análisis mineralógico (tabla 14) reporta que el contenido de aluminio viene dado por la gibsita, la Bayer soda y la bohemita, siendo el trihidrato de aluminio (gibsita) el de mayor aporte (16,41%). El tercer componente mayoritario del lodo rojo es el SiO2 (15,6%), lo cual es indicativo de la complejidad de este material para ser separado en sus componentes. El análisis mineralógico muestra que el porcentaje de silicio viene dado, predominantemente, por el cuarzo, pero que deben existir otros componentes silíceos como la cancrinita [Na8(Al,Si)12O24(OH)23H2O] y el trialuminato de calcio [3CaO. Al2O3.H2O] que por ser minoritarios o trazas no se reflejan en el análisis, pero que aportan al porcentaje total y que conducen a la perdida de alúmina, al consumo de sosa cáustica y a la generación de mayores cantidades de residuo (Chuecos, 2006; Recio, 1998) Los componentes minoritarios, según gráfico 2, son TiO2, Na2O y el CaO. El TiO2 (3,6%) genera consumo de sosa cáustica al solubilizarse y precipitar como metatitanato de sodio (NaHTiO3). El análisis mineralógico indica que el titanio viene dado por la anatasa y la ilmenita aunque otros autores han reportado la presencia de rutilo (Kir y Cengeloglu, 2006; Gupta, Ali y Saini, 2004) El Na2O con un contenido de 3,3% se produce por la formación de combinaciones complejas de alumino-silicatos tal como el aluminio silicato de sodio [Na2O.Al2O33H2O] que produce perdidas de Al2O3. El análisis mineralógico no reporta fases mayoritarias contentivas de sodio, por lo que se presume que el alto pH (12,6) viene dado por el porcentaje de Na2O reportado en la parte líquida del lodo rojo y que se encuentra por encima de los valores que exige el Decreto 883 (6-9) El CaO (2,7%) es un compuesto indicativo de la alcalinidad del lodo rojo, el análisis mineralógico reporta la calcita como fase calcica presente con un contenido aproximado al 1% como CaCO3. LODO ROJO EVAPORADO Análisis Químico El gráfico 5 muestra que el tiempo de evaporación no influye

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considerablemente en la composición química del lodo rojo, especialmente, para los compuestos minoritarios (Na2O, CaO y TiO2) cuyos valores se mantienen constantes. Aunque, para los compuestos mayoritarios (Fe2O3, Al2O3 y SiO2) se observa una ligera variación en el Fe2O3 y SiO2 a las 24 horas. La variabilidad del Fe2O3, puede entenderse como una condición anómala puntual, para la tercera experiencia a la temperatura mencionada, en cuanto a tratamiento de preparación o lectura del análisis debido a que no persiste la tendencia para las otras temperaturas. Respecto al SiO2, la varianza se da para las tres muestras, lo que indica que la repetibilidad de la medida no es óptima, el 2% de desviación presentado puede ser indicativo de revisar la homogeneización del material para el análisis químico, a los fines de verificar este parámetro como indispensable en la confiabilidad de las medidas. Al comparar la composición química del lodo rojo con la composición química del lodo evaporado se observa, en el gráfico 7, que para el Al2O3, Na20 y el TiO2 no hay variación, los valores son prácticamente constantes, pero para el Fe2O3, SiO2 y el CaO si hay variabilidad. Por ser el Fe2O3 mayoritario esta diferencia de 2,5% entre el lodo sin evaporar y el lodo evaporado no afecta su condición de contaminante. En cuanto al SiO2, para tiempos de 8 horas y 12 horas la diferencia es de aproximadamente 3% y para 24 horas es de 1,5%, por tanto es necesario evaluar cuanto representa este valor en consumo de materias primas y su aporte al carácter refractario del lodo rojo. El CaO presenta la mayor variabilidad después de la evaporación con respecto al valor antes de evaporación, esta condición es constante a todas las temperaturas experimentadas. Revisando los valores históricos obtenidos para este óxido (Oliveros, 1995; Aponte, 1999; CAVSA, 2001; Morales, 2005; Gual, 2006) el mayor valor de CaO encontrado en el lodo rojo es de 3,3%, lo cual indica que es posible que haya una redistribución de los porcentajes en los compuestos de calcio. Aunque químicamente este valor debe ser igual antes y después de la evaporación, esta situación es favorable .puesto que el lodo rojo evaporado con mayor contenido de calcio puede ser tratado con relativamente mayor facilidad. Análisis Mineralógico El gráfico 8 muestra una variabilidad en los valores de las fases presentes, especialmente para los componentes mayoritarios, esto puede ser indicativo de poca homogeneidad en el material y posible reacomodo o rompimiento de algunas fases. Este comportamiento es más marcado en la hematita, cuarzo, bayer soda y la gibsita que en la gohetita. En el caso de la hematita, el cuarzo, la bayer soda y la gibsita su variabilidad es indicativo de fases poco estables. La gohetita, fase mineralógica de mayor proporción, se mantenía básicamente constante para 8 horas y 12 horas presenta un ligero

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aumento para 24 horas, lo cual indica la probabilidad de recomposición de esta fase a esa temperatura con un mayor aporte al hierro total. Pero, existe la concordancia cuando hay un mayor aporte al hierro total para una determinada temperatura por parte de la gohetita se produce una baja del aporte por parte de la hematita para la temperatura correspondiente (gráfico 9). El aporte al hierro total por parte de la ilmenita es bajo en relación a los demás compuestos de hierro., pero por su importancia como mineral estratégico es necesario estudiar su sistema cristalográfico y las formas como se pueden presentar. El porcentaje de aluminio total viene dado por el aporte realizado por la gibsita, la bayer soda y la bohemita. El mayor aporte lo realiza la gibsita, lo cual indica que un porcentaje importante de este compuesto no se solubiliza a las condiciones de operación lo que amerita una revisión de las variables operacionales. La relación entre la bayer soda y la gibsita es, prácticamente, inversamente proporcional cuando aumenta la fase de bayer soda baja la proporción de fase gibsitica. El menor aporte al aluminio total lo hace la bohemita, lo cual es explicado por el bajo contenido de bohemita en la bauxita y su baja solubilidad en NaOH. El cuarzo presenta mayor variabilidad a mayor temperatura, lo cual puede indicar que hay rompimiento o recomposición de fases. Para las fases minoritarias (bohemita, calcita, anatasa e ilmenita) el comportamiento es mas estable, evidenciándose un comportamiento constante de la composición en función del tiempo de evaporación. Al comparar la composición mineralógica del lodo rojo antes y después de la evaporación se observan variaciones en el contenido de las fases entre cada estado, lo cual indica que la temperatura afecta la composición mineralógica del lodo rojo Los compuestos alumino-silicato presentes en el lodo evaporado son mayores que en el lodo sin evaporar, por tanto pudieran estarse formando complejos de este tipo, En cuanto a la fase calcica se observa un ligero aumento en el lodo evaporado, lo cual pudiera ser motivado a la formación de alguna fase posiblemente aragonita. Para el caso de la ilmenita se maneja un análisis similar, presumiblemente pudiera deberse a la presencia de rutilo que esté aportando la diferencia respecto al lodo sin evaporar.

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CONCLUSIONES

El análisis mineralógico obtenido: hematita 16,42%,

gohetita 33,86%, cuarzo 11,62%, gibsita 18,62%, bayer soda 11,54%, bohemita 1,82%, calcita 1,10%, anatasa 2,34% e ilmenita 2,21% demuestran la complejidad del material para recuperar otro tipo de metal, ejemplo el titanio, o de sustancias como el óxido de sodio.

Las variables operacionales deben ser optimizadas para:

Mejorar la Relación Molar Cáustica (RMC). Minimizar el % Al2O3 que sale en el lodo rojo. Disminuir el porcentaje de gibsita que pasa al residuo. Disminuir el tonelaje de residuo/ tonelada de Al2O3 producida A objeto de tener un mayor control del pasivo ambiental

que se genera en el proceso Bayer

El óxido de sodio (Na2O) contenido en el lodo rojo (3,3%) se queda en el sólido evaporado (2,8%), la técnica de evaporación no permite concentrarlo.

El condensado del lodo rojo posee características que no

afectan al ambiente y pudiera revertirse al proceso.

El análisis granulométrico muestra la homogeneidad del lodo rojo, antes y después de la evaporación, a un tamaño de partícula D80 = 0,1 mm.

El lodo rojo puede tratarse por evaporación, puesto que

las características químicas y mineralógicas antes y después de la evaporación son similares.

El evaporador de película fina agitada y el evaporador de

placas son los equipos que mas se ajustan a las características físico-químicas de lodo rojo generado en CVG BAUXILUM, por las características propias de la pulpa.

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RECOMENDACIONES

Profundizar el análisis químico y mineralógico del lodo rojo evaporado.

Continuar el estudio para establecer posibles usos y la forma de disposición final del residuo sólido.

Estudiar las posibilidades de utilizar el lodo rojo en un proceso actual como es la remediación de los pozos petroleros agotados.

Estudiar nuevas técnicas para concentrar el Na2O y la posible recuperación de minerales de interés como la ilmenita.

Realizar un estudio de factibilidad económica para la instalación del equipo evaporador propuesto.

Realizar un estudio técnico que permita conocer la viabilidad de otra tecnología de tratamiento del lodo rojo, antes de su disposición final en las lagunas de sedimentación, como lo es el empleo de la metalurgia de las pastas.

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