UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE...

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA PROFESIONAL DE QUÍMICA

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

LICENCIADO EN QUÍMICA

TÍTULO:

DISEÑO DE EXPERIMENTOS EN LA REMOCIÓN DE METALES PESADOS EN AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA MINERA POR

PROCESOS DE COAGULACIÓN CON SULFATO FERROSO

PRESENTADA POR:

HUGO JOEL CUEVA CLEMENTE

ASESOR:

PATRICIA LOPEZ PINO

LIMA-PERÚ

2014

ATIZ02

Nuevo sello

DEDICATORIA

Esta tesis la dedico a mis padres que estuvieron siempre a mi

lado brindándome su mano amiga dándome a cada instante una

palabra de aliento para llegar a culminar mi profesión.

Tabla de contenidos

Tabla de contenidos

Lista de figuras

Lista de tablas

Resumen

Objetivos

l. CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes

2. CAPÍTULO ll: BASE TEÓRICA

2.1 Los coloides

2.1.1 Afinidad de las Partículas Coloidales por el Agua

2.1.2 Propiedades de los coloides

2.1.3 Estabilidad y desestabilización de los coloides

2.2 Proceso de coagulación

2.2.1 Mecanismos de la coagulación

2.2.1.1 Compresión de la Doble Capa

2.2.1.2 Adsorción y Neutralización de la Carga

2.2.1.3 Captura en un Precipitado de Hidróxido metálico o

captura por barrido

2.2.1.4 Adsorción y Puente Interparticular

2.2.2 Etapas o Fases de la Coagulación

i

vü

X

xii

xiv

1

1

3

3

4

4

5

6

7

8

9

10

11

13

2.2.3 Tipos de Coagulación

2.2.3.1 Coagulación por Adsorción

2.2.3.2 Coagulación por Barrido

2.2.4 Coagulantes Utilizados

2.2.4.1 Clases

2.2.4.2 Sulfato ferroso

2.2.5 Factores que Influyen en la Coagulación

2.2.5.1 Influencia del pH

2.2.5.2 Influencia de las Sales Disueltas

2.2.5.3 Influencia de la temperatura del agua

2.2.5.4 Influencia de la Turbiedad

2.2.5.5 Tipo de Coagulante

2.2.5.6 Dosis del Coagulante

2.2.5. 7 Concentración del Coagulante

2.2.5.8 Punto y Forma de Aplicación del Coagulante

2.2.5.9 Intensidad y tiempo de mezcla rápida

2.2.6 Clasificación del agua según su comportamiento en la

coagulación

2.3 Proceso de floculación

2.3 .1 Tipos de floculación

2.3 .1.1 Floculación pericinética

2.3.1.2 Floculación ortocinética

¡¡

15

15

15

16

16

17

18

18

18

19

19

20

20

21

21

21

22

23

23

23

23

2.3 .2 Parámetros de la floculación 24

2.3.3 Tipos de floculantes 24

2.3.3.1 Floculantes minerales 24

2.3.3.2 Floculantes Orgánicos Naturales 25

2.3 .3 .3 Floculantes orgánicos de síntesis 25

2.4 Pruebas de jarras (Jar-Test) 26

2.4.1 Definición 26

2.4.2 Objetivo 26

2.4.3 Descripción del equipo de prueba de jarras utilizado 27

2.4.4 Análisis de los componentes más importantes de la prueba 28

2.4.4.1 Sistema de dosificación 28

2.4.4.2 Sistemas de agitación 29

2.4.4.3 Descripción de jarras 29

2.4.4.4 Sistema de toma de muestra 29

2.4.4.5 lluminación 30

2.4.5 Consideraciones generales para la ejecución de ensayos en la

prueba de jarras 30

2.5 Sedimentación 32

2.5.1 Sedimentación por zonas 32

3. CAPÍTULO ID: GENERACIÓN DEL EFLUENTE ÁCIDO RESIDUAL

DE LA INDUSTRIA MINERA 36

3.1 Diagrama de la generación del efluente en la concentración de minerales

por flotación 36

¡¡¡

3.2 Características de los efluentes de la industria minera

3.3 Drenajes ácidos

3.3 .1 Mecanismos de formación de aguas ácidas

3.3 .2 Etapas en la formación de aguas ácidas

3.4 Generación de la acidez y contaminación por metales pesados en los

38

40

42

44

efluentes de mina 4 7

3.4.1 Generación ácida 47

3.4.2 Generación de los contaminantes metálicos 49

3.4.3.1 Generación del hierro 50

3.4.3.2 Generación del plomo 52

3.4.3.3 Generación del cobre 53

3.4.3.4 Generación del zinc 54

3.5 Principales impactos ambientales de la actividad minera 56

3.5.1 Impactos mineros sobre el agua 57

3.5.2 Impactos mineros sobre el suelo 59

3.5.3 Impactos mineros sobre la atmósfera 61

3.5.4 Impactos mineros sobre aspectos sociales y culturales 65

3.6 Control de los drenajes ácidos 66

3.6.1 Prevención y control del proceso de generación de aguas ácidas 67

3.6.1.1 Métodos de barrera

3.6.1.2 Métodos químicos

3.6.1.3 Métodos de inhibición bacteriana

iv

67

69

70

3.6.2 Control de la migración de las aguas ácidas 70

3.6.3 Sistemas disponibles para el tratamiento de aguas ácidas 72

4. CAPÍTULO IV: TRABAJO EXPERIMENTAL 76

4.1 Caracterización del efluente de mina 77

4.1.1 Análisis del pH 78

4.1.2 Análisis de los sólidos suspendidos totales 79

4.1.3 Análisis de aceites y grasas 80

4.1.4 Análisis de cianuro total 81

4.1.5 Análisis de los metales totales 82

4.1.6 Análisis de los metales disueltos 83

4.1.7 Análisis de la conductividad 84

4.1.8 Análisis de los sólidos sedimentables 85

4.1.9 Análisis de la turbidez 86

4.1.1 O Análisis de la Demanda química de oxígeno (DQO) 87

4.2 Descripción de la prueba de jarras para el tratamiento por coagulación 88

4.2.1 Preparación de soluciones químicas

4.2.2 Procedimiento de la prueba de jarras

4.3 Descripción del procedimiento para la determinación de las curvas de

sedimentación

4.4 Resultados

5. CAPÍTULO V: DISCUSIÓN DE RESULTADOS

5.1 Ajuste factorial para el plomo

V

88

88

90

91

98

103

5.2 Ajuste factorial para el plomo 112

5.3 Ajuste factorial para el cobre 122

5.4 Ajuste factorial para el zinc 132

5.5 Ajuste factorial para el hierro 142

5.6 Ajuste factorial para los metales totales 151

6. CAPÍTULO VI: CONCLUSIONES 158

7. CAPÍTULO VII: RECOMENDACIONES 160

8. BIBLIOGRAFÍA 161

9. GLOSARIO 163

vi

Lista de Figuras

Figura 2.1 Doble capa de una partícula coloidal

Figura 2.2 Esquema del fenómeno de la coagulación

Figura 2.3 Fuerzas de atracción y repulsión

Figura 2.4 Reestabilización de partículas

Figura 2.5 Atrapamiento de las partículas en un floc

Figura 2.6 Esquema del mecanismo de la adsorción de polímeros y partículas

coloidales para producir puentes entre las partículas

Figura 2. 7 Fases de la coagulación

Figura 2.8 Coagulación por adsorción

Figura 2.9 Coagulación por barrido

Figura 2.1 O Equipo de prueba de jarras

Figura 2.11 Proceso de sedimentación por zonas

Figura 2.12 Representación gráfica de la altura frente al tiempo

Figura 3.1 Diagrama de flotación

Figura 3.2 Formación de aguas ácidas de mina

Figura 3.3 Formación de aguas ácidas

Figura 3.4 Reacciones que caracterizan la oxidación de un sulfuro en la generación

de aguas ácidas

Figura 3.5 Comparación de constantes de velocidad en función al pH

Figura 3.6 Diagrama Eh-pH mostrando los dominios teóricos para el sistema Fe-0-

H-S

Figura 3.7 Diagrama logC -pH para Pb(II) 10"2

Figura 3.8 Diagrama logC-pH para Cu (II) 10-2M

Figura 3.9 Diagrama E-pH del zinc, C=10-2 M

Figura 3.10 Esquema de las posibles afecciones de una mina a cielo abierto a las

aguas subterraneas

Figura 4.1 Diagrama de análisis del pH

Figura 4.2 Diagrama de análisis de los SST

Figura 4.3 Diagrama de análisis de los aceites y grasas

vii

Figura 4.4 Diagrama de análisis de cianuros totales

Figura 4.5 Diagrama de análisis de los metales totales

Figura 4.6 Diagrama de análisis de los metales disueltos

Figura 4.7 Diagrama de análisis de la conductividad

Figura 4.8 Diagrama de análisis de los sólidos sedimentables

Figura 4.9 Diagrama de análisis de la turbidez

Figura 4.1 O Diagrama de análisis del DQO

Figura 4.11 Equipo de prueba de jarras

Figura 4.12 Mediciones para la construcción de la curva de sedimentación

Figura4.13 Curvas de sedimentación

Figura 4.14 trazado del tiempo crítico para la curva PI

Figura 5.1 Captura en un precipitado de hidróxido férrico

Figura 5.2 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el plomo

Figura 5.3 Gráfico de probabilidad normal de los efectos estandarizados para el

plomo

Figura 5.4 Gráfica de efectos principales para el plomo

Figura 5.5 Gráfica de interacción para el plomo

Figura 5.6 Gráfica de cubos para el plomo

Figura 5.7 Gráfica de contornos para el plomo

Figura 5.8 Gráfica de superficies para el plomo

Figura 5.9 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el cobre

Figura 5.1 O Gráfico de probabilidad normal de los efectos estandarizados para el

cobre

Figura 5.11 Gráfica de efectos principales para el cobre

Figura 5.12 Gráfica de interacción para el cobre

Figura 5.13 Gráfica de cubos para el cobre

Figura 5.14 Gráfica de contornos para el cobre

Figura 5.15 Gráfica de superficies para el cobre

Figura 5.16 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el zinc

Figura 5.17 Gráfico de probabilidad normal de los efectos estandarizados para el zinc

Figura 5.18 Gráfica de efectos principales para el zinc

Figura 5.19 Gráfica de interacción para el zinc

viii

Figura 5.20 Gráfica de cubo para el zinc

Figura 5.21 Gráfica de contornos para el zinc

Figura 5.22 Gráfica de superficies para el zinc

Figura 5.23 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el hierro


hierro

Figura 5.25 Gráfica de efectos principales para el hierro

Figura 5.26 Gráfica de interacción para el hierro

Figura 5.27 Gráfica de cubos para el hierro

Figura 5.28 Gráfica de contornos para el hierro

Figura 5.29 Gráfica de superficies para el hierro

Figura 5.30 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para los metales totales

Figura 5.31 Gráfico de probabilidad normal de los efectos estandarizados para los

metales totales

Figura 5.32 Gráfica de efectos principales para los metales totales

Figura 5.33 Gráfica de interacción para los metales totales

Figura 5.34 Gráfica de cubos para los metales totales

Figura 5.35 Gráfica de contornos para los metales totales

Figura 5.36 Gráfica de superficies para los metales totales

Figura 5.3 7 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el tiempo crítico de

sedimentación


tiempo crítico de sedimentación

Figura 5.39 Gráfica de efectos principales para el tiempo crítico de sedimentación

Figura 5.40 Gráfica de interacción para el tiempo crítico de sedimentación

Figura 5.41 Gráfica de cubos para el tiempo crítico de sedimentación

Figura 5.42 Gráfica de contornos para el tiempo crítico de sedimentación

ix

Lista de tablas

Tabla 2.1 Clasificación del agua según su comportamiento en la coagulación.

Tabla 3.1 Características de las aguas residuales de circuitos de flotación de

minerales concentración de iones (más frecuentes) en mg/L.

Tabla 3.2 Características de las aguas residuales de circuitos de flotación.

Propiedades químicas y fisicoquímicas.

Tabla 3.3 Reactivos utilizados en plantas concentradoras de minerales por flotación.

Tabla 3.4 Tipos de drenajes de mina.

Tabla 3.5 Oxidación de minerales sulfurosos comunes en el Perú.

Tabla 3.6 Métodos de control de generación ácida de mina.

Tabla 3.7 Técnicas de tratamiento potencialmente aplicables para los efluentes

mineros.

Tabla 4.1 Métodos utilizados para los análisis de caracterización

Tabla 4.2 Características del efluente de mina santa Luisa

Tabla 4.3 Valores asumidos para el diseño experimental

Tabla 4.4 Resultados de las concentraciones residuales del agua tratada contra los

factores del proceso

Tabla 4.5 Valores asignados para las curvas de sedimentación

Tabla 4.6 Valores para las alturas de la separación de las fases en el tiempo

Tabla 4.7 Resultados del tiempo crítico de sedimentación contra los factores del

proceso

Tabla 5.1 Decreto Supremo 010-2010-MINAM

Tabla 5.2 Evaluación de las respuestas del experimento frente a los factores del

proceso

Tabla 5.3 Concentración de metales en la muestra de agua ácida

Tabla 5.4 Efectos y coeficientes estimados para el Plomo.

Tabla 5.5 Medias de mínimos cuadrados para el Plomo.

Tabla 5.6 Efectos y coeficientes estimados para el Cobre.

Tabla 5.7 Medias de mínimos cuadrados para el cobre.

Tabla 5.8 Efectos y coeficientes estimados para el zinc.

X

Tabla 5.9 Medias de mínimos cuadrados para el zinc.

Tabla 5.10 Efectos y coeficientes estimados para el hierro.

Tabla 5.11 Valores de los factores que cumplen con la norma.

Tabla 5.12 Medias de mínimos cuadrados para hierro.

Tabla 5.13 Efectos y coeficientes estimados para los metales totales.

Tabla 5.14 Medias de mínimos cuadrados para los metales totales.

Tabla 5.15 Efectos y coeficientes estimados para el tiempo critico de sedimentación.

Tabla 5.16 Concentración del agua tratada permitida por el DS 010-2010.

xi

Resumen

En la presente tesis se informa de los resultados obtenidos en el estudio del

tratamiento en la reducción del carácter contaminante en aguas residuales de la

industria minera. Se han estudiado los procesos fisico-químicos de coagulación y

sedimentación. A partir de los ensayos de laboratorio, se han buscado las condiciones

de tratamiento óptimas de cada uno de los procesos estudiados.

Las aguas residuales han sido recogidas de la empresa Cía minera Santa Luisa unidad

de Huanzalá, situada en la provincia de Bolognesi Ancash.

En la fase previa, antes de aplicar el tratamiento, se ha realizado la caracterización de

las aguas residuales, cuantificando todos los parámetros fisico-químicos

fundamentales (pH, sólidos totales en suspensión, aceites y grasas, cianuro total,

metales totales, metales disueltos, conductividad, sólidos sedimentables, turbidez,

DQO). Una vez caracterizadas las aguas residuales, se aplico el tratamiento de

coagulación. En los experimentos de coagulación, se ha procedido a la búsqueda de

las condiciones óptimas de operación, mediante el procedimiento denominado

"prueba de jarras". Para ello se utilizó el efluente de mina el cual contiene distintas

concentración de metales, cuya contaminación oscila según el tratamiento de la

concentración del mineral. Con este método se realizan una serie de ensayos para la

determinación de la dosis óptima de coagulante (sulfato ferroso), la velocidad de

agitación y el tiempo de agitación.

La instalación experimental está constituida por una serie de vasos de precipitado a

los que se adicionan distintas dosis de coagulante. Una serie de agitadores se ponen

en marcha simultáneamente en los vasos de precipitado, produciendo una agitación

fuerte durante un cierto tiempo, que genera una mezcla íntima. Después del ensayo

de coagulación, se lleva a cabo el ensayo de sedimentación. En todos los

experimentos realizados se toman muestras del agua residual al fmalizar el proceso

de coagulación, para después realizar los análisis de parámetros representativos como

metales totales. Con los datos experimentales obtenidos, se estableció la influencia

de las variables operativas: dosis de coagulante, velocidad de agitación y tiempo de

agitación sobre los niveles de reducción de metales totales, además de ver la

influencia de estas variables sobre el parámetro de sedimentabilidad (tiempo crítico

xii

de sedimentación). Aplicándose la parte estadística mediante el programa Minitab

para hallar la correlación entre las variables de operación y las respuestas del

proceso. El resultado del presente trabajo ofrece las condiciones óptimas de

operación del proceso integrado.

xiii

OBJETIVOS

• Determinar las mejores condiciones de tratamiento para el experimento que

se diseño en la remoción de los iones metálicos Pb+2, zn+2

, Cu+2 y Fe+3 del

agua residual de mina.

• Determinar que las características del agua ácida tratada al final del proceso

de coagulación con sulfato ferroso se encuentren dentro de los límites

máximos permisibles del Decreto supremo 010-2010-MINAM.

xiv

1

INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes

1

No se encuentran antecedentes de procesos de coagulación-floculación en el

tratamiento de efluentes de la industria minera en el Perú que solo empleen el sulfato

ferroso para la eliminación de contaminantes, debido a que se tienen que realizar

diversas pruebas y evaluaciones para encontrar la dosificación exacta, actualmente se

emplean polímeros orgánicos sintéticos debido a su rango amplio de pH y fácil

aplicación, los cuales son vendidos por empresas que incluso dan la dosificación de

sus productos.

El proceso de tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales pesados es

estudiado ampliamente y existen diversas metodologías para su tratamiento, tales

como procesos biotecnológicos, de adsorción, intercambio iónico y otros, no obstante

algunos métodos como la biosorción no puede ser aplicada para soluciones que

contienen altos contenidos metálicos en solución además de presentar algunas

problemáticas para la separación de las fases acuosa y sólida (Purakin y Paknikar,

1999).

Huang et. al. (1999) muestra una metodología por precipitación química para

remover cobre, níquel y zinc utilizando cal como agente floculante, se trabajó con

disoluciones de hasta 5 mg/L.

Guillard y Lewis, (2001) desarrollaron un proceso de optimización para remover

níquel en un proceso continuo de precipitación química, obteniendo hasta un 99.6%

de remoción.

2

Por otro lado, se estudió la remoción de zinc de una disolución de hasta 31 O mg/L

utilizando sulfito de sodio y un polielectolito dónde se encontraron condiciones

óptimas de tratamiento, 60 minutos de tiempo de agitación y 20 rpm de velocidad de

agitación, en este estudio se logró reducir hasta 20 mg/L la concentración de zinc en

la disolución estudiada (Subbiah, et al., 2000).

Soto y Ramírez (2004) estudiaron la remoción de metales en efluentes de la industria

galvánica evaluando la eficiencia de cuatro coagulantes a base de hierro y aluminio,

entre ellos el sulfato ferroso encontrando que los coagulantes a base de hierro

presentaban mayor remoción.

Soto y Miranda (2006) estudiaron las condiciones óptimas requeridas para remover

metales pesados del agua residual de una industria galvánica, que contenía cromo

(435 mg/L), zinc (720 mg/L), hierro (168 mg/L) y níquel (24 mg/L), utilizando como

coagulante cloruro férrico, como medida de respuesta para el proceso se midió el

tiempo crítico y la velocidad de sedimentación.

Nájera, H y Castañón, J (2009) caracterizaron el lixiviado producido en la zona

clausurada del sitio de disposición final de residuos sólidos, de la Ciudad de Tuxtla

Gutiérrez, Chiapas, México. Realizaron ensayos con el proceso de coagulación

floculación para su tratamiento. Empleando como coagulantes: cloruro férrico

(FeCb) y sulfato ferroso (FeS04) a diferentes dosis (1.4, 1.6 y 1.8 giL) con valores

de pH ( 4, 5 y 6), cuantificaron la carga orgánica medida como demanda química de

oxígeno (DQO). Los resultados mostraron que el FeCh fue por mucho más efectivo

que el FeS04 en la remoción de materia orgánica.

En general los coagulantes a base de hierro presentan mayor remoción de

contaminantes siendo más efectivo el cloruro férrico sobre el sulfato ferroso en

muestras altamente contaminadas, debido a que las aguas residuales de mina que se

han estudiado presentan valores bajos de contaminantes en comparación de los

valores que presentan los lixiviados, esta diferencia en la eficiencia del FeCh y

FeS04 se hace mínima, a diferencia del costo el precio del cloruro férrico es mayor al

del sulfato ferroso es por estas razones que se eligió al sulfato ferroso como

coagulante en este estudio.

3

2

BASE TEÓRICA

2.1. Los coloides !ll

El agua consta de tres tipos principales de impurezas: fisicas, químicas y biológicas.

Desde el punto de vista fisico se puede decir que los sólidos totales que son

impurezas del agua se pueden clasificar como partículas no filtrables o en

suspensión, filtrables o disueltas y una tercera posibilidad es el caso intermedio que

corresponde a los coloides. En general los coloides no tienen un límite fijo de tamaño

y se suelen estudiar bajo un enfoque fisicoquímico desde el punto de vista de sus

propiedades. Un material coloidal puede tardar 755 días en sedimentar; por tanto es

importante cambiar esta condición. Los coloides forman suspensiones estables, por

lo que es imposible su sedimentación natural; también son sustancias responsables de

la turbiedad y del color del agua. Los sistemas coloidales presentan una superficie de

contacto inmensa entre la fase sólida y la fase líquida; éstas poseen normalmente una

carga eléctrica negativa situada sobre su superficie. Estas cargas llamadas cargas

primarias, atraen los iones positivos del agua, los cuales se adhieren fuertemente a las

partículas y atraen a su alrededor iones negativos acompañados de una débil cantidad

de iones positivos.

4

.. "'.\.. ~---"<\-,_ --Capa Comprimida

...,._ __ Capa Difusa

...-·/• ---IPiano de cizallamiento ,/ (separa del resto de la

_.r

_ .. -----·-·,·· dispersión).

Figura 2.1 Doble capa de una partícula coloidal lll

Los iones que se adhieren fuertemente a la partícula y se desplazan con ella, forman

la capa adherida o comprimida, mientras que los iones que se adhieren débilmente

constituyen la capa difusa, por lo tanto hay un gradiente o potencial electrostático

entre la superficie de la partícula y la solución, llamado Potencial Zeta.

2.1.1 Afinidad de las partículas coloidales por el agua

Las partículas coloidales se caracterizan por ser hidrofilicos (tienen afmidad por el

agua) o hidrófobos (es decir que rechazan al agua), los primeros se dispersan

espontáneamente dentro del agua y son rodeados de moléculas de agua que

previenen todo contacto posterior entre estas partículas; las partículas hidrofóbicas

no son rodeadas de moléculas de agua, su dispersión dentro del agua no es

espontánea por lo que requiere de la ayuda de medios químicos y fisicos.

Por lo general las partículas hidrofilicas provienen de materiales inorgánicos

mientras,que las partículas hidrófobas provienen de materiales orgánicos; en realidad

son pocas las partículas que son exclusivamente hidrofilicas o hidrofóbicas.

La ,carga eléctrica y la capa de agua que rodean las partículas hidrófilas tienden a

desplazar las partículas unas de otras y, en consecuencia las estabiliza dentro de la

solución.

2.1.2 Propiedades de los coloides 121

Dos propiedades importantes asociadas a _los coloides son: movimiento browniano y

área superficial extremadamente grande. Estas dos propiedades les permite desafiar

S

la ley de la gravedad, y por tanto, impiden su remoción por sedimentación simple.

Debido a su inmensa área superficial, los coloides adsorben iones en cantidades

desiguales, originando la formación de una carga eléctrica que contribuye a su

estabilidad. El resultado de la formación de esa carga eléctrica y del movimiento

browniano es una colisión constante entre partículas. La tasa de coagulación puede

tomarse entonces como una medida de la cantidad de partículas que se adhieren

durante la colisión en un periodo determinado.

2.1.3 Estabilidad y desestabilización de los coloides

Los coloides son normalmente estables en solución. En general priman los factores

estabilizantes sobre los desestabilizantes. Entre los factores estabilizantes se cuentan

a todas las fuerzas o fenómenos que generan repulsión entre ellos y por tanto, las

fuerzas electrostáticas y la hidratación son favorables. Las fuerzas de atracción, en

cambio, cumplen un papel opuesto y desestabilizan. Entre ellas la gravedad, el

movimiento Browniano y las fuerzas de Van der W aals. Obviamente algunos

fenómenos afectan el sistema mucho más que otros. Por ejemplo la influencia de la

gravedad es despreciable. La estabilidad de una dispersión coloidal está relacionada

con la teoría de la interacción energética entre las partículas como una función de su

distancia. Además, las fuerzas electrostáticas de repulsión entre los coloides, pueden

actuar las fuerzas de Van der W aals, que son fuerzas de atracción originadas por

acción de dipolos permanentes o inducidos, en las partículas. Las fuerzas de Van der

Waals son independientes de la carga neta de los coloides y no varían con el pH o

con otras características de la fase acuosa, pero sólo actúan a distancias muy

pequeñas. Al acercarse dos partículas la fuerza de repulsión aumenta para

mantenerlas separadas. Si se acercan lo suficiente y sobrepasan la barrera de energía,

entonces la fuerza de atracción de Van der W aals predominará y las partículas

podrán unirse. Cuando se obtiene esta condición se dice que el coloide se ha

desestabilizado.

6

2.2 Proceso de coagulación (JJ

Es un proceso de desestabilización química de las partículas coloidales que se

producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados, por medio de la

adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de mezclado, (ver

figura 2.2).

El término coágulo se refiere a las reacciones que suceden al agregar un reactivo

químico (coagulante) en agua, originando productos insolubles. La coagulación

comienza al agregar el coagulante al agua y dura fracciones de segundo. En esta

figura se muestra como las sustancias químicas anulan las cargas eléctricas sobre la

superficie del coloide, permitiendo que las partículas coloidales se aglomeren

formando flóculos.

Radio efectivo .. ...

-+ _ -_ +-+ + Coloide

_:¡.+.~ - ¡

\--+- + +/ "'i:_ - + -;/ ........ __ ._,__..; A

d 1

e 1

ó n

d e 1

e o a g u 1 a n t e

Figura 2.2 Esquema del fenómeno de la coagulación 131

7

La adición del coagulante neutraliza las cargas, produciendo un colapso de la "nube

de iones" que rodean los coloides de modo que puedan aglomerarse.

Este tratamiento de aguas residuales, tanto domésticas como industriales, es un

proceso fisicoquímico que elimina o reduce principalmente sales metálicas y/o

polielectrolitos, sólidos suspendidos o disueltos. Los productos de este tipo de

tratamiento son aguas relativamente libres de materia orgánica suspendida y lodos no

estabilizados que son la suma de la materia orgánica, suspendida y disuelta,

removida del agua y los coagulantes añadidos. Los coagulantes químicos además

son usados para inducir la floculación y obtener una buena sedimentación.

La coagulación es el tratamiento más eficaz pero también es el que representa un

gasto elevado cuando no está bien realizado. Es el método universal porque elimina

una gran cantidad de sustancias de diversa naturaleza y de peso de materia que se

elimina al menor costo, en comparación con otros métodos.

El proceso de coagulación mal realizado también puede conducir a una degradación

rápida de la calidad del agua y representa gastos de operación no justificadas. Por lo

que se considera que la dosis del coagulante condiciona el funcionamiento de las

unidades de decantación y que es imposible de realizar una clarificación, si la

cantidad de coagulante está mal ajustada. [IJ

2.2.1 Mecanismos de la coagulación l41

La adición de coagulantes produce la desestabilización de los coloides de diferentes

maneras.

La desestabilización se puede obtener por los mecanismos fisicoquímicos

siguientes:

l. Compresión de capa difusa

2. Adsorción y neutralización

3. Captura en un precipitado de hidróxido metálico o captura por barrido

4. Adsorción y formación del puente

8

2.2.1.1 Compresión de la Doble Capa

Este modelo fisico de doble capa puede explicar el fenómeno de la desestabilización

de un coloide por un coagulante y la figura ayuda a explicar el fenómeno de

desestabilización: la curva de atracción de Van der Walls es fija mientras que la de

repulsión eléctrica disminuye si se incrementan en la solución los iones de carga

opuesta. En consecuencia, si se reduce el potencial repulsivo, decrece también la

curva resultante de interacción. Por lo tanto, las partículas pueden acercarse

suficientemente para ser desestabilizadas por la energía atractiva de Van der W aals.

L : Distancia a la cual Comienza la Floculación

Ea Fueaa de Atracción de Van der Walls.

Figura 2.3 Fuerzas de atracción y repulsión [l]

La introducción de un electrolito diferente en un sistema coloidal causa un

incremento de la densidad de cargas en la capa difusa y disminución de la "esfera" de

influencia de las partículas, y ocurre la coagulación por compresión de la capa difusa.

Concentraciones elevadas de iones positivos y negativos (fuerza iónica grande) en el

agua acarrean un incremento del número de iones en la capa difusa que, para

mantenerse eléctricamente neutra, necesariamente tiende a reducir su volumen, de

modo tal que las fuerzas de Van der W aals sean dominantes, y se elimine la

estabilización electrostática. Un ejemplo típico de este mecanismo ocurre cuando

aguas dulces con fuerza iónica pequeña se mezclan con agua de mar, lo que

promueve la formación de depósitos en las desembocaduras. Cabe destacar dos

aspectos interesantes sobre ese mecanismo de coagulación:

9

a) La concentración del electrolito que causa la coagulación es prácticamente

independiente de la concentración de coloides en el agua.

b) Es imposible causar la reestabilización de las partículas coloidales con la adición

de mayores cantidades de electrolitos debido a que ha ocurrido una reversión de la

carga de las mismas, que pasa a ser positiva.

2.2.1.2 Adsorción y Neutralización de la Carga

Las partículas coloidales poseen carga negativa en su superficie, estas cargas

llamadas primarias atraen los iones positivos que se encuentran en solución dentro

del agua y forman la primera capa adherida al coloide.

El potencial en la superficie del plano de cizallamiento es el potencial electrocinético

- potencial ZETA, este potencial rige el desplazamiento de coloides y su interacción

mutua.

Después de la teoría de la doble capa de la coagulación es considerada como la

anulación del potencial obtenido por adición de productos de coagulación -

floculación, en la que la fuerza natural de mezcla debido al movimiento browniano

no es suficiente requiriéndose una energía complementaria necesaria; por ejemplo

realizar la agitación mecánica o hidráulica.

Cuando se adiciona un exceso de coagulante al agua a tratar, se produce la

reestabilización de la carga de la partícula; esto se puede explicar debido a que el

exceso de coagulante son absorbidos en la superficie de la partícula, produciendo

una carga invertida a la carga original. (Ver Fig. 2.4)

10

Particula Desestabilizada Exceso de Coaaulantes.

+

AGITACIÓN

INTENSA

FRAGMENTOS DE FLOC REESTABLECIDO

Figura 2.4 Reestabilización de partículas [I]

2.2.1.3 Captura en un precipitado de hidróxido metálico o captura por barrido

Al exceder el producto de solubilidad de hidróxidos metálicos como el Al(OH)3 y

Fe(OH)3 en las soluciones de sales metálicas como el Al2(S04)3 y FeCl3, se produce

una precipitación rápida de estos hidróxidos. Estos hidróxidos, a medida que

precipitan pueden atrapar las partículas coloidales explicándose así la remoción

de turbiedad.

Floc Turbiedad Ba,la

Figura 2.5 Atrapamiento de las partículas en un flóculo l31

11

Se ha encontrado que las partículas coloidales pueden servir como núcleos para

formar precipitados, por lo cual la velocidad de precipitación aumenta con un

aumento en la concentración de partículas coloidales.

2.2.1.4. Adsorción y Puente Interparticular

V arias investigaciones han demostrado que la repulsión electrostática puede

interferir en la adsorción de un ión sobre la superficie de un electrodo que tenga una

carga de igual signo que la del ión. Sin embargo, varias reacciones químicas

espontáneas se presentan entre iones del mismo signo. De lo anterior se deduce que

en estos casos la energía de interacción es más de tipo químico que coulómbico.

,. ACCIO~ 1

AOSORC:IÓH INICIAL CON LA DOSIS Óf'TIMA 0[ POL.III!IERO

,. PAft'fiC:Ul.A DIESE STAiiLil AO.&

, PARTJC:UL.AS DESESTA .. II.IZADAS

ACCIÓN 2

fORMACIÓN OI!L noc ,

f"LOCULACION

r ACCION 3

r

> ,.

PARTJCUL.AS AG\.UTINAC)As;, FLOCUL.OS

·~ AOSORCION HCUNDARIA DE POLINERO

, SIN CONTACTOS CON SITIOS VACANTES

EH OTRAS PARTÍCü"LAS

¡ PARTICUt.A DESESTAIIUZAOA

1 ACCION 4

,. PAATICUI.A REESTAIIII.IZAOA

,. . ~ AOSORCION INICIAL hceso D< DOSIS

,l',: -1 7~ \t\ + o POLIMERO? ~ PARTICULA ESTA8LE

, EXCUO DE "OL.IMEROS ~ART(CULA 1 No noy •itln "oeoM .. l

PARTféULA DE Fl.OC

ACCt6H.' .RUPTURA 0(1.

AGITACIÓN Pl'tOt.DNGAOA O INTENSA

Figura 2.6 Esquema del mecanismo de la adsorción de polímeros y partículas

coloidales para producir puentes entre las partículas f3J

12

Con el uso de polímeros orgánicos sintéticos, se ha observado que muchas veces los

polímeros con carga negativa son efectivos para coagular coloides con carga

negativa, comportamiento que no puede ser explicado con modelos basados en la

neutralización de la carga. Se ha desarrollado la teoría del "puente" que, al menos,

explica cualitativamente este fenómeno, LaMer y Healy (1963) han desarrollado una

,.

13

teoría de enlace de puente que da un modelo cualitativo aceptable que explica la

capácidad de los polímeros de elevado peso molecular para desestabilizar las

dispersiones coloidales

La figura 2.6 describe gráficamente la teoría de LaMer:

Reacción l. Para una desestabilización eficaz, la molécula de polímero debe contener

grupos químicos que puedan interaccionar con los lugares de la superficie de la

partícula coloidal. Algunos de estos grupos se adsorben en la superficie de la

partícula dejando el resto de la molécula prolongada hacia la disolución.

Reacción 2. Si una segunda partícula con algunos sitios de adsorción vacíos entra en

contacto con los segmentos extendidos, puede realizarse una unión. De este modo, se

forma un complejo partícula-polímero-partícula en el cual el polímero sirve de

puente.

Reacción 3. Si no se dispone de una segunda partícula, los segmentos dispersos del

polímero pueden eventualmente adsorberse en otros lados de la partícula original, lo

que hace imposible que el polímero sirva de puente y se produce la reestabilización

de las partículas.

Reacción 4. Las dosificaciones de polímero suficientemente grandes como para

saturar las superficies coloidales producen un coloide reestabilizado, ya que no se

dispone de lugares para la formación de puente entre partículas.

Reacción 5. En algunos casos, los sistemas coloidales desestabilizados pueden ser

reestabilizados por medio de agitación intensa, debido a que se rompen las uniones

polímero-superficie, y ocurre una adsorción secundaria de los fragmentos de los

flóculos. [SJ

2.2.2 Etapas o Fases de la Coagulación 131

El proceso de coagulación se desarrolla en un tiempo muy corto (casi instantáneo),

en el que se presenta las siguientes etapas:

1) Hidrólisis de los coagulantes y desestabilización de las partículas en suspensión.

2) Formación de compuestos químicos polimericos .

3) Adsorción de cadenas poliméricas por los coloides.

4) Adsorción mutua de los colides.

5) Acción de barrido.

14

Algunas de estas etapas ocurren secuencialmente. Otras coinciden parcialmente y

otras incluso pueden ocurrir simultáneamente. Se puede suponer que las diferentes

etapas de la reacción pueden resultar controlables en un cierto porcentaje, bajo

diversas condiciones químicas (ver figura 2.7).

COAGULANTE

Hidrólisis l[i!b§!l

P.H.

~

P.H. o P.H. + /PH

2da fas.;¡

Po limero añadido o PARTicULA NEGATIVA formado por el Coagulante

P.H. =PRODUCTOS OE HIDRÓLISIS POSITNAMENTE CARGADOS

3m Fase Adsorción.

Sedimentación

A B e a e i ó i n d

d e

o

P.H.

P.H. o P.H.

P.H.

' j~ 1 + lSedimen-

tación

P.H. P.H.

P.H o P.H. P.H. o P.H.

P.H. ' P.H.

o (}69

Figura 2. 7 Fases de la coagulación [41

4ta Fa se

A d S

o

e

6 n.

15

2.2.3. Tipos de Coagulación [JJ

Se presentan dos tipos básicos de coagulación la coagulación por adsorción y la

coagulación por barrido

2.2.3.1 Coagulación por Adsorción

Se presenta cuando el agua contiene una alta concentración de partículas en estado

coloidal; cuando el coagulante es adicionado al agua turbia los productos solubles de

los coagulantes son adsorbidos por los coloides y forman los flóculos en forma casi

instantánea.

ALTA TURIIIEDAD

Al( OH) Al( OH)

FORMACI6N OE FLÓCULOS POR ADSORCIÓN

OOlOIOE

~ AI(OH)3

AI(OH)3

Figura 2.8 Coagulación por adsorción [3]

2.2.3.2. Coagulación por Barrido

Este tipo de coagulación se presenta cuando el agua es clara (presenta baja turbiedad)

y la cantidad de partículas coloides es pequeña; en este caso las partículas son

entrampadas al producirse una sobresaturación de precipitado de sulfato de aluminio

o cloruro férrico.

COLOIDE

BAJA TURBIEDAD

REACCIÓN LENTA

1 a7seg.

EFECTO DE BARRIDO

AI(OH)3

Figura 2.9 Coagulación por barrido [JI

2.2.4 Coagulantes Utilizados lll

16

Los coagulantes son productos químicos que al añadirlos al agua son capaces de

producir una reacción química con los componentes químicos del agua,

especialmente con la alcalinidad del agua para formar un precipitado voluminoso,

muy absorbente, constituido generalmente por el hidróxido metálico del coagulante

que se está utilizando.

2.2.4.1 Clases de coagulantes

Los principales coagulantes utilizados para desestabilizar las partículas y producir

el flóculo son :

a) Sulfato de Aluminio

b) Aluminato de Sodio

e) Cloruro de Aluminio

d) Cloruro Férrico

e) Sulfato Férrico

f) Sulfato Ferroso

g) Polielectrolitos (Como ayudantes de floculación).

17

Siendo los más utilizados las sales de Aluminio y de Hierro; cuando se añaden estas

sales al agua se produce una serie de reacciones muy complejas donde los productos

de hidrólisis son más eficaces que los iones mismos; estas sales reaccionan con la

alcalinidad del agua y producen los hidróxidos de aluminio o hierro que son

insolubles y forman los precipitados.

2.2.4.2 Sulfato ferroso (FeS04 . 7 H20)

El sulfato ferroso usado en el tratamiento de agua es un polvo de color verde muy

soluble y tiene una masa volumétrica aparente próxima a 900 kg/m3. Su contenido

en hierro es de aproximadamente 19%. Por su naturaleza ácida, el pH de una

solución al 10% es de 2,8 aproximadamente. Por esta razón, para su almacenamiento

y preparación se usa material plástico.

El sulfato ferroso se utiliza como coagulante debido a la formación de un hidróxido

férrico insoluble que forma un flóculo gelatinoso y voluminoso de color pardo rojizo.

El ion ferroso es un catión poco ácido que sería muy estable en disolución acuosa si

se impidiese su oxidación a catión férrico. Precipita el hidróxido ferroso a valores de

pH próximos a 8 y no presenta un marcado carácter anfótero. Si la alcalinidad del

agua residual es debida a carbonato o bicarbonato, precipitara el carbonato ferroso,

que es más estable que el hidróxido, aunque este se oxida, en presencia de oxigeno

disuelto o ambiental, a hidróxido férrico. Como consecuencia de la mayor estabilidad

del carbonato ferroso frente al hidróxido ferroso, en aguas residuales que contenga

iones carbonato o bicarbonato, será necesaria la precipitación de este en forma de

carbonato de cálcico, en estos casos resulta prácticamente indispensable añadir

hidróxido cálcico.

Las reacciones que tienen lugar son las siguientes (a pH >8):

18

2.2.5 Factores que Influyen en la Coagulación llJ

Es necesario tener en cuenta los siguientes factores con la finalidad de optimizar el

proceso de coagulación:

• pH

• Turbiedad

• Sales disueltas

• Temperatura del agua

• Tipo de coagulante utilizado

• Condiciones de Mezcla

• Sistemas de aplicación de los coagulantes

• Tipos de mezcla y el color

La interrelación entre cada uno de ellos permite predecir cuáles son las cantidades

de los coagulantes a adicionar al agua.

2.2.5.1 Influencia del pB

El pH es una medida de la actividad del ion hidrógeno en una solución, y es igual a:

pH = -log{H+}

El pH es la variable más importante a tener en cuenta al momento de la coagulación,

para cada agua existe un rango de pH óptimo para el cual la coagulación tiene lugar

rápidamente, ello depende de la naturaleza de los iones y de la alcalinidad del agua.

El rango de pH es función del tipo de coagulante a ser utilizado y de la naturaleza del

agua a tratar; si la coagulación se realiza fuera del rango de pH óptimo entonces se

debe aumentar la cantidad del coagulante; por lo tanto la dosis requerida es alta.

Para sales de aluminio el rango de pH para la coagulación es de 6.5 a 8.0 y para las

sales de hierro, el rango de pH óptimo es de 5.5 a 8.5 unidades.

2.2.5.2 Influencia de las Sales Disueltas

Las sales contenidas dentro del agua ejercen las influencias siguientes sobre la

coagulación y floculación:

19

• Modificación del rango de pH óptimo.

• Modificación del tiempo requerido para la floculación.

• Modificación de la cantidad de coagulantes requeridos.

• Modificación de la cantidad residual del coagulante dentro del efluente.

2.2.5.3 Influencia de la Temperatura del Agua

La variación de 1 °C en la temperatura del agua conduce a la formación de corrientes

de densidad (variación de la densidad del agua) de diferentes grados que afectan a la

energía cinética de las partículas en suspensión, por lo que la coagulación se hace

más lenta; temperaturas muy elevadas desfavorecen igualmente a la coagulación.

Una disminución de la temperatura del agua en una unidad de decantación conlleva a

un aumento de su viscosidad; esto explica las dificultades de la sedimentación de

un floc.

2.2.5.4 Influencia de la Turbiedad

La turbiedad es una forma indirecta de medir la concentración de las partículas

suspendidas en un líquido; mide el efecto de la dispersión que estas partículas

presentan al paso de la luz; y es función del número, tamaño y forma de partículas.

La turbiedad del agua superficial es gran parte debido a partículas de lodos de sílice

de diámetros que varían entre 0.2 a 5 Jilll· La coagulación de estas partículas es muy

fácil de realizar cuando el pH se mantiene dentro del rango óptimo. La variación de

la concentración de las partículas permite hacer las siguientes predicciones:

• Para cada turbiedad existe una cantidad de coagulante, con el que se obtiene

la turbiedad residual más baja, que corresponde a la dosis óptima.

• Cuando la turbiedad aumenta se debe adicionar no mucho coagulante debido

a que la probabilidad de colisión entre las partículas es muy elevada; por lo

que la coagulación se realiza con facilidad; por el contrario cuando la

turbiedad es baja la coagulación se realiza muy difícilmente, y la cantidad del

coagulante es igual o mayor que si la turbiedad fuese alta.

20

• Cuando la turbiedad es muy alta, conviene realizar una presedimentación

natural o forzada, en este caso con el empleo de un polímero aniónico. (En la

Planta de la Atarjea, se realiza esto último, en época de alta turbiedad).

• Es siempre más fácil coagular las aguas de baja turbiedad y aquellas

contaminadas por desagües domésticos industriales, porque requieren mayor

cantidad de coagulante que los no contaminados.

2.2.5.5 Tipo de Coagulante

Cada coagulante, dependiendo de la calidad y característica del agua, actúa de modo

diferente. Por tanto, la selección del tipo de coagulante deberá hacerse mediante

trabajo a nivel de laboratorio. Las sales de hierro pueden tener ventaja sobre las sales

de aluminio en algunos casos porque forman flóculos pesados y porque su margen de

acción con relación al pH es más amplio. Sin embargo, su manejo a nivel de planta

es más complejo que el de las sales de aluminio.

2.2.5.6 Dosis de Coagulante

La cantidad del coagulante a utilizar tiene influencia directa en la eficiencia de la

coagulación, así:

• Poca cantidad del coagulante, no neutraliza totalmente la carga de la

partícula, la formación de los microflóculos es muy escasa, por lo tanto la

turbiedad residual es elevada.

• Alta cantidad de coagulante puede producir la inversión de la carga de la

partícula, conduce a la formación de gran cantidad de microflóculos con

tamaños muy pequeños cuyas velocidades de sedimentación son muy bajas,

por lo tanto la turbiedad residual es igualmente elevada.

• La selección del coagulante y la cantidad óptima de aplicación se determina

mediante los ensayos de pruebas de jarra.

La dosis de coagulante requiere determinarse experimentalmente. Muchos autores

dan diversas opiniones acerca de los factores que afectan o determinan el

21

establecimiento de la dosis de coagulante, aunque están de acuerdo que existe para

cada tipo de agua una dosis óptima de coagulante.

2.2.5. 7 Concentración del Coagulante

Un problema que se presenta está ligado a que las cantidades de coagulante aplicadas

son pequeñas comparadas con el volumen de agua que se somete a tratamiento. Si

existe buena turbulencia, se conseguirá una dispersión más efectiva cuanto más

diluida sea la solución.

Sin embargo, soluciones muy diluidas pueden hidrolizarse antes de su aplicación

formando productos que no son efectivos para la coagulación.

2.2.5.8 Punto y forma de aplicación del coagulante

En ensayos se ha encontrado que se requiere mayor cantidad de coagulante cuando

éste se agrega sobre la superficie del agua que cuando el coagulante se agrega a nivel

de la paleta agitadora. Cuantos más puntos de aplicación existan se tendrá mayor

dispersión del coagulante.

Debe seleccionarse siempre el lugar donde se produzca mayor turbulencia y no debe

aplicarse en un solo punto.

Con la utilización de dispersores se puede producir una buena mezcla de los

coagulantes. Los dispersores se basan en el uso de varios puntos de aplicación.

2.2.5.9 Intensidad y tiempo de mezcla rápida

Se requiere una mezcla adecuada para que el coagulante sea distribuido

uniformemente a través del agua. Por tanto se debe realizar la mezcla lo más

rápidamente que sea posible ya que las reacciones se completan en tiempos menores

que un segundo cuando la coagulación se realiza por adsorción y en menos de 8

segundos cuando se efectúa por precipitación de hidróxidos.

La intensidad de agitación o de mezcla se relaciona con el gradiente de velocidad, el

cual se deriva de la cantidad media de trabajo aplicado por unidad de tiempo a un

volumen unitario bajo una determinada viscosidad.

22

2.2.6 Clasificación del agua según su comportamiento en la coagulación lll

Las características del agua que tienen mayor correlación en el proceso son: la

concentración y naturaleza de los coloides, el pH y la alcalinidad (en especial cuando

los coagulantes son sales de hierro o de aluminio), la temperatura y el contenido de

carbono orgánico total (C.O.T.).

Tabla 2.1 Clasificación del agua según su comportamiento en la coagulación l31

Tipo de agua Coagulación producida

Requerimiento Por

Baja concentración de Formación de precipitado. Alta dosis de coagulantes. Adición de alcalinidad o

Coloides. Baja alcalinidad Floc de barrido partículas, o ambas

Baja concentración de Formación de precipitado. Alta dosis de coagulantes. coloides. Alta alcalinidad Floc de barrido Adición de partículas.

Adsorción de polímeros Dosis de coagulantes

incrementa con Alta concentración de metálicos positivos en la

concentración de coloides. Baja alcalinidad superficie de los coloides.

partículas. Adición de (pH 4 a 7)

álcalis Adsorción de polímeros Dosis de coagulantes

Alta concentración de metálicos positivos y incrementa con coloides. Alta alcalinidad. precipitaciones de concentración de

hidróxidos. (pH > 7) partículas

23

2.3 Proceso de floculación (tJ

La floculación es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la agitación

de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los

flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios

para sedimentar con facilidad (mejor cohesión).

Estos flóculos inicialmente pequeños, crean al juntarse, aglomerados mayores que

son capaces de sedimentar.

Sucede que los flóculos formados por la aglomeración de varios coloides no sean lo

suficientemente grandes como para sedimentar con la rapidez deseada, por lo que el

empleo de un floculante es necesario para reunir en forma de red, formando puentes

de una superficie a otra, enlazando las partículas individuales en aglomerados.

La floculación es favorecida por el mezclado lento que permite juntar poco a poco

los flóculos, un mezclado demasiado intenso los rompe y raramente se vuelven a

formar en su tamaño y fuerza óptimos. La floculación no sólo incrementa el tamaño

de las partículas del flóculo, sino que también aumenta su peso.

La floculación puede ser mejorada por la adición de un reactivo de floculación o

ayudante de floculación.

2.3.1 Tipos de floculación

Hay 2 tipos de floculación:

2.3.1.1 Floculación pericinética

Está producida por el movimiento natural de las moléculas del agua y está inducida

por la energía térmica. Este movimiento es conocido como el movimiento

browniano.

2.3.1.2 Floculación ortocinética

Se basa en las colisiones de las partículas debido al movimiento del agua, el que es

inducido por una energía exterior a la masa de agua y que puede ser de origen

mecánico o hidráulico.

24

Después que el agua es coagulada, es necesario que se produzca la aglomeración de

los microflóculos; para que esto suceda se produce primero la floculación

pericinética luego se produce la floculación ortocinética

2.3.2 Parámetros de la floculación

Los parámetros que caracterizan la floculación son los siguientes:

• Grado de agitación proporcionada: Mecánica o Hidráulica (floculación

ortocinética).

• Gradiente de Velocidad (energía necesaria para producir la mezcla).

• Número de colisiones (choque entre microflóculos ).

• Tiempo de retención (tiempo que permanece el agua en la unidad de

floculación).

• Densidad y tamaño del flóculo.

• Volumen de lodos (los flóculos formados no deben sedimentar en las

unidades de floculación).

2.3.3 Tipos de floculantes

Los floculantes son polímeros o polielectrolitos con pesos moleculares muy

elevados, moléculas orgánicas solubles en agua, formadas por bloques denominados

monómeros, repetidos en cadenas largas.

Estos floculantes pueden ser de naturaleza: mineral y orgánica (natural o sintética)

2.3.3.1 Floculantes minerales

Se encuentra la sílice activada, que es el primer floculante empleado, que debe ser

preparado antes de emplear, su preparación es tan delicada que presenta el riesgo de

la gelatinización. Produce la neutralización parcial de la alcalinidad del silicato de

sodio en solución. (Caso Atarjea en los años 70- 80, se utilizó en el tratamiento de

agua).

2.3.3.2 Floculantes Orgánicos Naturales

Son polímeros naturales extraídos de sustancias animales o vegetales.

Los alginatos, cuya estructura polimérica son:

• Los ácidos manuránicos

• Los ácidos glucónicos

2.3.3.3 Floculantes Orgánicos de Síntesis

25

Son los más utilizados y son macromoléculas de una gran cadena, obtenidos por

asociación de monómeros sintéticos con masa molecular elevada de 106 a 107 g/mol,

estos se clasifican de acuerdo a la ionicidad de los polímeros:

• Aniónicos (generalmente copolímeros de la acrilamida y del ácido acrílico).

• Neutros o no iónicos (poliacrilamidas).

• Catiónicos ( copolímero de acrilamidas + un monómero catiónico ).

26

2.4 Ensayo de Prueba de jarras (Jar-Test) 161

Las pruebas más representativas para determinar el comportamiento de los

coagulantes y floculantes a escala pequeña es el Ensayo de la Prueba de Jarras.

2.4.1 Dermición

Es un método de simulación de los procesos de Coagulación y floculación, realizado

a nivel de laboratorio que permite obtener agua de buena calidad, fácilmente

separable por decantación; los flóculos formados con diferentes dosis del coagulante

dan como resultado valores de turbiedad diferentes.

2.4.2 Objetivo

El ensayo de jarras es uno de los más importantes en el control del proceso de

coagulación química de aguas. Se realiza, entre otros, con los siguientes

propósitos:

• Selección del tipo de coagulación más efectivo.

• Determinación del pH óptimo de coagulación.

• Evaluación de la dosis óptima de coagulante.

• Determinación de la dosis de ayuda de coagulación.

• Determinación del orden más efectivo de adición de los diferentes productos

químicos.

• Determinación de los niveles óptimos de mezcla, gradientes de velocidad y

tiempos de mezcla.

• Evaluación de la necesidad de proveer floculación y sedimentación previa a

la filtración o factibilidad de filtración directa.

Este ensayo se ha usado ampliamente; sus resultados tienen gran aplicabilidad en el

diseño y la operación real de las unidades de tratamiento, así como en la

optimización de plantas existentes. El procedimiento requiere como datos previos

mínimos los valores de pH, turbiedad, color y alcalinidad del agua cruda.

27

2.4.3 Descripción del equipo de prueba de jarras utilizado

Para efectuar los ensayos de simulación de procesos, existen algunas variaciones en

el equipo tradicional, que son descritas en la literatura [6J. Aunque no es un requisito

indispensable, estas pruebas, en la mayor parte de los casos, son realizadas en

equipos comerciales y uno de los más conocidos es el equipo de velocidad variable

fabricado por la empresa Phipps & Bird, para el cual se ha desarrollado un ábaco que

relaciona el gradiente de velocidad con la velocidad de rotación de las paletas.

Normalmente estos equipos constan de los siguientes elementos:

• Un agitador mecánico provisto con tres a seis paletas, capaz de operar a

velocidades variables (de O a 100 revoluciones por minuto; actualmente

pueden obtenerse equipos que operan con velocidades de hasta 400

revoluciones por minuto).

• Un iluminador de flóculos localizado en la base del agitador del equipo.

• Vasos de precipitado de 2 litros de capácidad.

Figura 2.1 O Equipo de prueba de jarras

Marca: PHIPPS & BIRD. Modelo: PB-900TM Programmable Jar Tester

Laboratorio de Befesa - Planta Chilca

28

2.4.4 Análisis de los componentes más importantes de la prueba

A continuación se muestran los componentes principales del equipo de prueba de

jarras.

2.4.4.1 Sistema de dosificación

Las unidades de agitación múltiple usadas en las pruebas de coagulación deben ser

equipadas con las facilidades necesarias para la adición de coagulantes químicos en

forma rápida y simultánea a cada vaso o jarra Este equipo es importante cuando una

sola persona realiza la prueba

La práctica usual de añadir coagulantes a cada vaso mediante el uso de una pipeta

graduada no puede ser desechada en forma radical, pero la velocidad de adición del

reactivo químico es muy lenta y pueden presentarse diferencia considerable en el

tiempo de adición y en la rapidez requerida para avanzar con la dosificación.

Una manera simple de evitar éstas dificultades es medir las cantidades de coagulante

que se van a aplicar a cada jarra con una pipeta y verterlos en vasitos, de los cuales se

succiona mediante jeringas hipodérmicas desechables, provistas de su aguja. Se llena

cada jeringa con la dosis respectiva, se retira la aguja y se le coloca delante la jarra

correspondiente, en un soporte de madera especialmente acondicionado que se

instala en el puente superior del equipo, en el cual se han horadado de 6 a 12

agujeros en los que se colocan las jeringas hipodérmicas. Al momento de aplicar el

coagulante, con el equipo funcionando y programado con los tiempos y gradientes

adecuados, se aplasta una banda de madera que presiona los émbolos de todas las

jeringas lo más rápido posible (máximo: 5 segundos). Esto permite la aplicación

simultánea e instantánea en todas las jarras.

Este equipo auxiliar permite que una sola persona ejecute toda la prueba Si no se

dispone de este equipo, se requiere de por lo menos tres personas para efectuar una

aplicación correcta, considerando que cada una aplica a dos jarras, una de ellas da la

voz del tiempo de inicio de la prueba y la otra acciona el equipo.

En general, se recomienda aplicar la dosis de coagulante muy cerca del agitador, con

el equipo operando con el gradiente de mezcla y aplicando exactamente lo que se

29

debe efectuar en el mezclador de la planta. Los equipos de pruebas de jarras

automáticos que permiten velocidades de hasta 300 revoluciones por minuto, son

ideales para efectuar simulación de procesos, y en ellos la bondad de los resultados

depende mucho de la exactitud con la que se ejecuta la prueba.

Utilizando estos equipos y estatores o deflectores en las jarras, se pueden obtener

gradientes dentro del rango recomendable para mezcla rápida, con muchos tiempos

tan breves como 5 segundos, al cabo de los cuales el equipo automáticamente cambia

para el gradiente de floculación programado.

2.4.4.2 Sistemas de agitación

La variable que más importancia tiene en la prueba de jarras es la intensidad de

agitación expresada como gradiente de movimiento del agua. Se utilizan paletas o

rotores, accionados en fonna mecánica o magnética, y pueden utilizarse una o más

paletas.

2.4.4.3 Descripción de las jarras

Las jarras o vasos que se van a usar deben poder ser acomodados en el aparato y

tener 2000 mL de capácidad; en caso de no tenerse vasos de este tamaño, podría

optarse por vasos de 1000 mL. Se debe evitar usar vasos más pequeilos debido a la

dificultad en la adición de pequeilos volúmenes de coagulantes y ayudantes para

obtener muestras satisfactorias del agua tratada. Podrían usarse botellas cuadradas,

pero antes deben asegurarse las modificaciones producidas por cambio de secciones

para el cálculo de gradientes.

En lo posible, debe evitarse el lavado de las jarras con detergentes, ya que muchos de

estos tienen compuestos aniónicos que son fuertemente absorbidos por las paredes de

las jarras de vidrio. Si estos no son completamente removidos, pueden afectar los

resultados de las pruebas en forma significativa.

2.4.4.4 Sistema de toma de muestras

Después de la mezcla rápida y la floculación, se tiende a sedimentar en condiciones

adecuadas. Luego se succiona el sobrenadante con una pipeta volumétrica de 50 mL

30

a la misma profundidad en todos los vasos o por medio de un sifón de 3 mm del tubo

de vidrio. Este sifón debe ser torcido en dirección horizontal en el punto de muestreo

para que sea representativo de una profundidad determinada. El sifón debe ser

construido como para dar iguales velocidades de flujo en cada vaso y así disminuir la

posibilidad de arrastre de sedimentos. El flujo puede ser regulado mediante una pinza

de presión. El sifón está sostenido por un flotador de tecnopor, que va a ayudar a

mantener constante la altura de toma de la muestra y el nivel del agua.

Antes de tomar la muestra, se debe descartar, a través del sifón, aproximadamente 1 O

mL de agua y luego tomar algo más de 30 mL de muestra para la determinación de la

turbiedad. Se debe tener un abastecimiento de más o menos 50 vasitos para tomar las

muestras. Con algo de práctica y la ayuda de un cronómetro, se pueden obtener

controles precisos del tiempo.

2.4.4.5 Dominación

Para observar el flóculo formado en los vasos, es conveniente, aunque no esencial,

una buena iluminación.

Idealmente, los vasos deben estar provistos con una base blanca y una iluminación en

ángulo recto a la dirección del observador; por ejemplo, arriba o debajo de los vasos.

Se deben evitar fuentes de luz que generen mucho calor y con un efecto significativo

en la coagulación y sedimentación, lo que ocasiona diferencias de temperaturas entre

el modelo y la realidad. Ello redunda en la obtención de resultados erróneos.

2.4.5 Consideraciones generales para la ejecución de ensayos en la prueba de

jarras

En los ensayos experimentales se imponen ciertos controles que sirven para evaluar

los efectos producidos al variar el valor del parámetro que está siendo medido.

Cuando los ensayos se efectúan con el equipo de prueba de jarras, se deben tomar en

cuenta los siguientes aspectos:

• Equipo usado para la prueba

• Análisis de laboratorios requeridos

• Dosis de coagulante

31

s Concentración del coagulante

• Sistema de adición de coagulante

• Dosis del floculante

• Sistema de adición del ayudante de floculación

• Tiempo de duración y gradiente de velocidad de la mezcla rápida

• Tiempo de duración y gradiente de velocidad de la mezcla lenta

• Sistema de toma de muestra

Entre las observaciones generales que se deben tener en cuenta al ejecutar la prueba

de jarras, se tiene:

a) El tiempo y secuencia de dosificación: en algunas oportunidades el coagulante se

añade a cada vaso (muestra) a diferentes tiempos según su tumo. Tal procedimiento

es inefectivo, particularmente cuando se usan ayudantes de coagulación, debido a

que el tiempo entre la adición del coagulante y el ayudante siempre es crítico.

b) En todos los casos, después de dosificados y mezclados los c?agulantes con el

agua, se deben tener en cuenta las siguientes observaciones:

• Soluciones químicas empleadas:

Las soluciones de coagulantes, ayudantes de coagulación y otros productos

químicos que se van a usar en las pruebas de coagulación deben ser

preparados en concentraciones tales que puedan ser medidas de manera

conveniente y precisa.

• Determinación de pH, alcalinidad, coagulante y turbiedad o color Residuales:

La determinación de estos parámetros se hace 1 O a 20 minutos después de

suspendida la agitación.

32

2.5 Sedimentación l7J

La sedimentación es una operación unitaria consistente en la separación por la acción

de la gravedad de las fases sólida y líquida de una suspensión diluida para obtener

una suspensión concentrada y un líquido claro.

Se pueden distinguir dos tipos de sedimentación, atendiendo al movimiento de las

partículas que sedimentan:

• Sedimentación libre: se produce en suspensiones de baja concentración de

sólidos. La interacción entre partículas puede considerarse despreciable, por

lo que sedimentan a su velocidad de caída libre en el fluido.

• Sedimentación por zonas: se observa en la sedimentación de suspensiones

concentradas. Las interacciones entre las partículas son importantes,

alcanzándose velocidades de sedimentación menores que en la sedimentación

libre. La sedimentación se encuentra retardada o impedida. Dentro del

sedimentador se desarrollan varias zonas, caracterizadas por diferente

concentración de sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de

sedimentación.

Dependiendo de cómo se realice la operación, la sedimentación puede clasificarse en

los siguientes tipos:

• Sedimentación intermitente: el flujo volumétrico total de materia fuera del

sistema es nulo, transcurre en régimen no estacionario. Este tipo de

sedimentación es la que tiene lugar en una probeta de laboratorio, donde la

suspensión se deja reposar.

• Sedimentación continua: la suspensión diluida se alimenta continuamente y

se separa en un líquido claro y una segunda suspensión de mayor

concentración. Transcurre en régimen estacionario.

2.5.1 Sedimentación por zonas

En la figura 2.11 se representa el proceso de sedimentación por zonas en una probeta.

Este proceso consta de las siguientes etapas: en un principio el sólido, que se

encuentra con una concentración inicial x (figura 2.1la), comienza a sedimentar o

33

(figura 2.1lb), estableciéndose una interfase 1 entre la superficie de la capa de

sólidos que sedimentan y el líquido clarificado que queda en la parte superior (zona

A). La zona por debajo del líquido clarificado se denomina zona interfacial (zona B).

La concentración de sólidos en esta zona es uniforme, sedimentando toda ella como

una misma capa de materia a velocidad constante V . Esta velocidad de S

sedimentación puede calcularse a partir de la pendiente de la representación de la

altura de la interfase 1 frente al tiempo, tal y como se muestra en la figura 2.12.

Simultáneamente a la formación de la interfase 1 y de la zona interfacial, se produce

una acumulación y compactación de los sólidos en suspensión en el fondo de la

probeta, dando lugar a la denominada zona de compactación (zona D). En esta zona

la concentración de sólidos en suspensión es también uniforme y la interfase que

bordea esta zona, interfase 2, avanza en sentido ascendente en el cilindro con una

velocidad constante V.

a) b) Interfase 1

AJ /

B .B

/ ..... / '\.

t=O tc>t >O

Clarificación

e)

A

t=t e

d)

A

~-----.!~ Espesatniento

Figura 2.11 Proceso de sedimentación por zonas [?l

Entre la zona interfacial y la zona de compactación se encuentra la zona de transición

(zona C). En esta zona la velocidad de sedimentación de los sólidos disminuye

34

debido al incremento de la viscosidad y de la densidad de la suspensión, cambiando

la concentración del sólido gradualmente, entre la correspondiente a la zona

interfacial y la de la zona de compactación.

El punto en que se confunden las dos interfases se denomina punto crítico. Como

puede observarse en la figura mencionada, a partir del punto crítico, la operación se

reduce a una "compresión " lenta de la zona D. En esta zona el líquido pasa a través

de los canales del lecho de sólidos hacia la zona de líquido claro. [S]

Las zonas de compactación e interfacial pueden llegar a encontrarse, produciéndose

la coalescencia de las dos interfases anteriormente citadas, en el denominado

momento crítico t, desapareciendo la zona de transición (figura 2.llc). En este e

momento el sólido sedimentado tiene una concentración uniforme Xc o

concentración crítica, comenzando la compactación y alcanzándose, posteriormente,

la concentración final Xu (figura 2.lld). La velocidad de sedimentación en el

momento te corresponde a un valor V e dado por la pendiente de la tangente a la

curva de sedimentación en el punto C, tal y como se indica en la figura 2.12 donde

Vc<Vs.

_.,1f1 Pend1rente

1

dhldt:= vs 1 1

dh/dt=O

+

0~--~~----~~--._----------------------------~ 1~ t

Tiempo de sedimentación (min)

Figura 2.12 Representación gráfica altura frente al tiempo en la sedimentación l7J

35

36

3

GENERACIÓN DEL EFLUENTE ÁCIDO RESIDUAL EN LA INDUSTRIA MINERA

3.1 Diagrama de la generación del efluente en la concentración de minerales por

flotación l'l

La flotación en espuma utiliza las diferentes propiedades superficiales de los

minerales e indudablemente es el método de concentración más importante.

Ajustando las propiedades químicas de las partículas de la pulpa mediante varios

reactivos quúnicos.

37

Figura 3.1 Diagrama de flotación.

Conc.Zn

Recirculación

j Filtración

Solución Filtrada

Unidad de tratamiento de efluentes

Mineral

Molienda Flotación Bulk

Agua :fresca

Concentrado Bulk

Relave Bulk Separación Cu+Pb

Flotación Zinc

Relave Final

- 1--

Pulpa Conc. Cu Pulpa onc. I

1 Filtración 1- rl_ Filtración J

~

Concentrado Cu

¡, ,

Concentrado Pb

Solución Filtrada

Tanque lt------. 1

Depósito de Relave

1 Espesador 1

Recirculación

38

3.2. Caracteristicas de los efluentes de la industria minera [tOJ

Los efluentes líquidos o aguas efluentes contienen, en la mayoría de los casos,

sólidos en suspensión, sólidos coloidales, iones disueltos (cationes y aniones), (ver

Tablas 3.1 y 3.2) y una variada gama de reactivos residuales utilizados en la mayoría

de los procesos industriales (ver Tabla 3.3).

El grado de toxicidad de los reactivos químicos varía, desde muy tóxicos a no

tóxicos. Son considerados como muy tóxicos los colectores tiólicos, sulfonatos y

aminas, como tóxicos los espumantes elaborados a partir de alcohol y como no

tóxicos el polipropileno glicol y los jabones. Con relación a los iones disueltos, el ión

CN-, sin duda es el de mayor grado de toxicidad, se han informado muchos casos de

mortalidad de peces cuando la concentración de este ión en un cauce natural supera

los O, 1 mg/L. Los efectos de los iones de metales pesados sobre la salud de las

personas y el medio ambiente se han estudiado bastante y su remoción constituye un

vasto campo de investigación.

Tabla 3.1 Características de las aguas residuales de circuitos de flotación de

minerales, concentración de iones (valores promedios aproximados más frecuentes)

en mg/L [IO]

Iones Sulfuros metálicos Ag+I 0,02-0,1 Cd+2 0,05-17 Cr+J 0,03-40 Pb+:t 0,01-560 Mn-r;¿ 0,007-570 Fe+j 15-3000 Al+j 10-2500 Mo -rq. (Moo4r' 0,05-5 zn-r¿ 0,02-3000 so4-¿ 5-12500 eN· 0,01-0,45

39

Tabla 3.2 Características de las aguas residuales de circuitos de flotación

Propiedades químicas y :fisicoquímicas [101

Propiedad Sulfuro metálico Conductividad, microohms 175-675 Sólidos disueltos, mg/L 120-4300 Sólidos en suspensión, mg!L 2-550 DQOmg/L 15-240 COTmg/L 8-290 Aceites y grasas, mg/L 2-11 pH 8-11

Tabla 3.3 Reactivos utilizados en planta concentradora de minerales por flotación [101

Colectores Espuman tes Modificadores Floculantes, (1) (2) (3) coagulantes,

dispersantes (4) Mercaptanos Aceite de pino Sulfatos de cobre Poliacrilamidas

y cinc Ti o úreas Metilisobutil Cromatos- Poli óxidos de

carbinol dicromatos, etileno hipocloritos

Tiocarboxilatos Acido cresilico permanganatos Poliaminas Tiocarbamatos, Propileno glicoles Sulfuro de sodio, Policarboxilatos carbonatos y pentasulfuro fosfatos (Nokes) Aceites, alcatran Parafinas alcoxi Cianuros, Aluminatos

substituidas ferrocianuros sódicos Acidos grasos Alcoholes Fluoruros y Sulfatos de hierro

(diversos) sulfitos de sodio y aluminio Dixantógenos Quebracho Silicatos solubles

(polifenoles ), lignosulfonatos

Aminas Sales de plomo Polisacáridos Alquilsulfatos, Ácidos cítricos Polifosfatos carbonatos, tanicos sulfonatos y fosfatos

Las cantidades de los reactivos que figuran en la Tabla 3.3 normalmente varían como

se muestra a continuación: (1) = 0,006~2,5 kg/t; (2) = 0,06-0,5 kg/t; (3) =

activadores-depresores-reguladores de pH, 0,006-6 kg/t; (4) = 0,005-1 kg/t.

40

3.3 Drenajes ácidos lUJ

Durante la explotación de determinados yacimientos (carbón, sulfuros metálicos,

hierro y otros) quedan expuestos a la meteorización grandes cantidades de minerales

sulfurosos que pueden llegar a formar drenajes ácidos y para que éstos tengan lugar

son necesarias condiciones aerobias, es decir la cantidad suficiente de agua, oxigeno

y simultáneamente la acción catalizadora de bacterias.

Nordstrom y Alpers (1998) describen el proceso de oxidación de la pirita como

principal responsable de la formación de aguas ácidas y, afirman que estas reacciones

geoquimicas se aceleran en áreas mineras debido a que el aire entra en contacto con

mayor facilidad con los sulfuros a través de las labores de acceso, unido al cambio de

composición química y el incremento de la superficie de contacto de las partículas.

También afinnan que los procesos fisicos, químicos y biológicos tienen gran

influencia en la generación ácida, pero los factores que más influyen son el volumen,

la concentración, el tamaño de grano y la distribución de la pirita.

Los drenajes de los entornos mineros, por lo general tienen unos valores de pH entre

2 a 9, contienen cationes y aniones en disolución (de <1 a 100.000 mg/L),

predominando elevadas concentraciones de sol·, Fe, Mn, Al, y otros iones, pueden

tener o no bajo pH, pero la presencia de Fe, Al, y Mn disueltos pueden generar iones

It por hidrólisis (alta concentración de iones It) y bajar el pH. En cambio en los

drenajes de mina neutros o alcalinos (alcalinidad igual o mayor que la acidez)

también pueden tener elevadas concentraciones de Sol·, Fe, Mn y otros solutos,

pero la disolución de los minerales carbonatados neutralizan la acidez y remueven

Fe, Al, y otros iones metálicos, y sin embargo no afecta significativamente la

concentración de so/·, esto se debe a que la disolución de estos minerales generan

carbonatos o bicarbonatos (COl", HC03}, los cuales en contacto con los iones

metálicos precipitan, ya que fonnan los hidróxidos de estos metales bajando sus

concentraciones elevadas.

41

Tabla 3.4 Tipos de drenajes de mina [I2l

Tipo pH Descripción

I <4,5 Alta concentración de cationes de Fe, Al, Mn, Zn, Cu, Pb y otros metales. Alto contenido de oxígeno. Muy ácido (llamado Drenaje Ácido de Mina).

n <6~0 Alta cantidad de sólidos disueltos. Alta concentración de ión ferroso (Fe2l y Mn2+. Bajo contenido de oxig~no.

m >6,0 Moderada a alta cantidad de sólidos disueltos. Bajo a moderado contenido de ión ferroso (Fe2i y Mn2+. Bajo contenido de oxígeno. Alta alcalinidad (llamado Drenaje Alcalino de Mina). Por oxidación de metales la acidez generada es neutralizada por la alcalinidad presente en el agua.

IV > 8,0 Alta cantidad de partículas disueltas. Drenaje neutralizado, pero todavía no se han fijado los hidróxidos en el agua.

V >9,0 Agua del drenaje es neutralizada. Alta cantidad de sólidos disueltos. Gran cantidad de hidróxidos precipitados. Cationes restantes son disueltos por Ca y Mn Oxi-aniones solubles como bicarbonato y sulfato quedan en la solución.

Tabla 3.5 Oxidación de minerales sulfurosos comunes en el Perú [l3J

Mineral Fórmula Productos acuosos Posibles productos de de oxidación neutralización

completa Pirita FeS Fe-11-, SO/", W Sulfato e hidróxidos férricos, yeso Pirro tita Fe¡.xS Marcasita FeS2

Calcopirita CuFeS2 Cu:t+ Fe.;+ SO/- Ir Sulfato e hidróxidos férricos, ' ' ' Calcocita Cu2S Cu2+, sol·, .1-t carbonatos e hidróxidos de cobre, Bornita CuFeS4 Cu2+, Fe3+,soj·, .1-t yeso Esfalerita ZnS Zn¿+,so4:l·,w Hidróxidos y carbonatos de zinc, Marmatita (Zn,Fe)S Zn2+ ,Fe3+,soj·,.I-t yeso, hidróxidos de hierro y zinc,

carbonatos de zinc, yeso Galena PbS Pbz+,so/·,w Hidróxidos de plomo, carbonatos

y sulfatos, yeso

42

3.3.1 Mecanismos de formación de aguas ácidas 1141

Los principales elementos que intervienen en la formación de aguas ácidas son: los

sulfuros reactivos, el oxígeno, el agua y como elemento catalizador las bacterias.

La velocidad de reacción es una variable muy importante, pues si el proceso ocurre muy

lentamente el efecto sobre el medio puede ser despreciable. Sin embargo, si la

generación de aguas ácidas es rápida el problema se agrava, ya que se producirá la

contaminación del entorno.

Aunque la velocidad de reacción depende de numerosos factores como temperatura,

cantidad de sulfuros, granulometría, presencia de agua, aire y bacterias; ciertas especies

mineralógicas son más reactivas que otras; por ejemplo, la marcasita, que tiene la misma

fórmula química que la pirita, es muy inestable y puede generar rápidamente aguas

ácidas.

Figura 3.2 Formación de aguas ácidas de mina [I4l

+02

-~•so4 - + Fe(II)

Lento (Mecanismo

directo)

Fe(III)

Rápido (Mecanismo

indirecto)

-.:~ ==~"' Fe(OH)3 (s)

43

La cantidad y el tamaño de los granos del mineral influyen en la velocidad de reacción.

Las texturas finas con variedades mal cristalizadas se oxidan más rápidamente que los

granos cristalinos gruesos.

Como el agua y el oxígeno son dos componentes esenciales en la reacción, la exclusión

de cualquiera de ellos paralizará el proceso de formación de aguas ácidas. Sin embargo,

se precisan grandes cantidades de oxígeno en relación con el volumen de agua necesario.

Por ejemplo, sumergiendo los sulfuros en agua se suele parar la reacción, debido a la

baja difusión del oxígeno en el agua. Sin embargo, la presencia de aire conteniendo una

pequeña cantidad de humedad induce la oxidación. La temperatura también ejerce un

efecto de control importante, pues en ambientes fríos la velocidad de reacción

disminuye.

También ciertas bacterias actúan como catalizadoras de las reacciones. Su importancia

depende intensamente de las condiciones de pH y temperatura, así como de la existencia

de concentraciones críticas de elementos como el molibdeno, que puede ser tóxico para

las bacterias.

Mecanismos de Lixiviación

Los principales mecanismos involucrados en el proceso de lixiviación bacteriana son:

directa e indirecta.

• Lixiviación Indirecta :

Dos reacciones importantes mediadas por T. ferrooxidans son:

Pirita FeSz + 3.5 Oz + HzO ~ FeS04 + H2S04 ................. reacción 1

2 FeS04 + 0.5 0z + H2S04 ~ F~(S04)3 + HzO ................. reacción 2

El sulfato férrico es un oxidante fuerte capaz de disolver una amplia variedad de

minerales sulfurados. La lixiviación con Fe2(S04)3 recibe el nombre de lixiviación

indirecta porque se realiza en ausencia de oxígeno o de bacterias y, es responsable de la

disolución o lixiviación de varios minerales sulfurados de cobre de importancia

económica:

Chalcopirita CuFeS2+ 2 Fe2(S04)3 ~ CuS04 + 5 FeS04 + 2 so ............... reacción 3

Chalcocita Cu2S + 2 F~(S04)3 ~ 2 CuS04 + 4 FeS04 + 2 so .............. reacción4

44

El mecanismo de lixiviación indirecta depende de la regeneración biológica del sulfato

férrico (reacción 2). El azufre (8°) generado en las reacciones 3 y 4 puede ser convertido

en ácido sulfúrico (H2S04) por T. ferrooxidans según:

2 so + 3 02 + 2 H20 -+ 2 H2S04 ................. reacción 5

Este ácido sulfúrico, así generado, mantiene el pH del sistema a niveles favorables para

el desarrollo de la bacteria.

• Lixiviación Directa:

Las bacterias ferrooxidantes también pueden lixiviar sulfuros metálicos directamente sin

la participación del sulfato férrico producido biológicamente. El proceso se describe en

la siguiente reacción :

MS + 2 Ü2 -+ MS04 .................. reacción 6

donde M representa un metal bivalente.

Pirita: 2 FeS2 + H20 + 1.5 Ü2 -+ Fe2(S04)3 + H2S04 ...... reacción 7

Chalcopirita: 2 CuFeS2 + 8.5 Ü2 + H2S04 -+ 2CuS04 + F~(S04)3+ H20 .. reacción 8

Dado que el fierro siempre está presente en ambientes de lixiviación natural, es posible

que tanto la lixiviación indirecta como la directa ocurran de manera simultánea.

3.3.2 Etapas en la formación de aguas ácidas liSJ

Una fonna de evitar la contaminación de aguas ácidas es la neutralización de las mismas,

en este sentido la oxidación de una tonelada de pirita produce casi una tonelada de

hidróxido férrico y cerca de tonelada y media de ácido sulfúrico. Este proceso de

fonnación de aguas ácidas, en su conjunto, se puede explicar en tres etapas:

18 Etapa: La oxidación de minerales sulfurosos libera hierro ferroso que bajo

condiciones neutras se oxida químicamente y se transforma a hierro férrico que precipita

como hidróxido y aporta acidez al medio. En esta etapa del proceso la velocidad de

oxidación es baja en los dos mecanismos de generación ácida (directa e indirecta) y la

fonnación de aguas ácidas por oxidación debida al aire y a las bacterias

(ftm.damentalmente Thiobacillus ferrooxidans) se producen a un ritmo semejante. Por lo

45

general, la alcalinidad dispoml>le en el medio es suficiente para neutralizar parcialmente

la acidez que se ha producido lentamente.

28 Etapa: La acidez acumulada supera la capácidad de neutralización del medio y el

pH desciende y predomina la oxidación de la pirita por la acción bacteriana. En la

reacción se produce el sulfato ferroso que al ser oxidado nuevamente se transfonna en

sulfato férrico, y éste a su vez en contacto con el agua da lugar al ácido sulft)rico y al

lúdróxido férrico, que es insoluble y es el que provoca la coloración amarilla de las

aguas. En esta etapa disminuye la eficacia del mecanismo directo (oxidación por el aire)

y aumenta mucho la del indirecto.

38 Etapa: Cuando el pH desciende por debajo de 3,0 el ión férrico se ve afectado por las

reacciones de oxidación-reducción y la acción bacteriana puede lixiviar el sulfuro de

lúerro directamente a sulfato. En esta etapa varía la generación de ácido al aumentar la

solubilidad dellúerro y disminuye la precipitación de lúdróxido férrico. En resumen el

Thiobacillus ferrooxidans oxida el ión ferroso a férrico que a su vez oxida a los sulfuros

(pirita) produciendo más ácido. En ese momento se producen grandes cantidades de

ácido y se deben tener en cuenta los siguientes puntos:

• El mecanismo más importante es el indirecto, ya que es el que se autocataliza

(si se inhibe la bacteria Thiobacillus ferrooxidans la producción de ácido se

reduce al menos en un 75%).

• Si el pH del agua sube por encima de 5,0 igualmente se inlúbe la oxidación.

• Si el pH del agua desciende por debajo de 4,5 debe esperarse que todo el

sulfuro de lúerro termine oxidándose.

• Si el pH desciende por debajo de 2,5 se establece un equilibrio en el que

la actividad bacteriana se estabiliza, ya que habrá alcanzado su óptimo

desarrollo (la velocidad de reacción se habrá incrementado entre 105 y 106

veces respecto al mecanismo directo).

,!4.5 e CD :a E ca e u i e 2 CD

::1: a.

ETAPA 111

Periodo de Retardación Fe2• .¡. y. 02 (g).¡. H' -> Fe3• .¡. y, H20

FeS2 + 14 Fe'• + 8 H;¡O -> 15 Fe•• + 2 SOl·+ 16 W

0-~--------------------------------------------------nEMPO

Figura 3.3 Fonnación de aguas ácidas [IS]

46

• El mecanismo más importante es el indirecto, ya que es el que se autocataliza

(si se inhibe la bacteria Thiobacillus ferrooxidans la producción de ácido se

reduce al menos en un 75% ).

• Si el pH del agua sube por encima de 5,0 igualmente se inhibe la oxidación.

• Si el pH del agua desciende por debajo de 4,5 debe esperarse que todo el

sulfuro de hierro tennine oxidándose.

• Si el pH desciende por debajo de 2,5 se establece un equilibrio en el que

la actividad bacteriana se estabiliza, ya que habrá alcanzado su óptimo de

desarrollo (la velocidad de reacción se habrá incrementado entre 105 y 106

veces respecto al mecanismo directo).

47

3.4 Generación de la acidez y contaminación por metales pesados en los

efluentes ácidos de mina IISJ

3.4.1 Generación de la acidez

La presencia de hierro ferroso (Fe2l en los drenajes de mina indica que las reacciones

químicas están en un nivel intermedio dentro de una serie de reacciones que en conjunto

están representadas en la reacción general (Rx.1) y que corresponde a la oxidación de la

pirita.

Ecuación General: FeS2 + 3.75 02 + 3.5 H20 ---+ Fe(OH)3 + 2Sol- + 4W Rx. 1

(a)

FeS2 + 3.5 02 + 2 H20 ---+ Fe2+ + 2SOl + 2 W

Fe11Fem-S04 Sales •4----+

(d',d")

Fem Oxihidróxidos

(d)

Figura 3.4 Reacciones que caracterizan la oxidación de un sulfuro en la generación de

aguas ácidas.

Pasos y reacciones:

(a) FeS2 + 3.5 02 + H20 ---+ Fe2+ + 2 SOl + 2 W

(b) Fe2+ + 0.25 02 +2 W ---+ Fe3+ + 0.5 H20

(e)

(d)

FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H20 -----+ 15 Fe2+ + 2 sol- + 16 W

Fe3+ + 3 H20 ---+ Fe(OH)3 + 3W (d') 2 Fe3

+ + Fe2+ + 4 sol + 14 H20 ---+ Fe11F~m(S04)4.l4H20

(d") 3 Fe3+ + K+ + 2 sol + 6 H20 ---+ KF~m(S04)2(0H)6 + 6 Ir

Rx.2

Rx.3

Rx.4

Rx.5

48

Donde:

Los pasos a, b, e y d corresponden con las reacciones típicas del 2 al 5 del proceso

global de formación de aguas ácidas, y los pasos d' y d" corresponden a la fonnación de

minerales de hierro-sulfato como lajarosita (d").

En la reacción 2 (Rx2) la pirita es oxidada por oxigeno y genera 2 moles de acidez por

cada mol de pirita, el azufre es oxidado a sulfato y se libera Fe2+. La Rx.3 puede ser

guiada por varias especies de bacterias oxidantes de Fe y S (Thiobacillus ferrooxidans,

Leptospirillum ferrooxidans y otras), que convierten el Fe2+ a Fe3+; esta reacción se

produce a pH bajos y consume un mol de acidez.

La hidrólisis del Fe3+ se produce fundamentalmente a pH 2, 7 y precipita en fonna de

hidróxido. férrico, generando 3 moles de acidez (Rx.S). A pH bajo, el ratio de oxidación

de la pirita es controlado por la concentración de Fe3+ porque interactúa con las

superficies reactivas de los sulfuros con mayor eficacia que el oxígeno, por tanto, en la

Rx.4 el Fe3+ producido en la Rx.3 oxida a la pirita en ausencia de oxígeno y forma 16

moles de acidez.

La oxidación secuencial del átomo de azufre se inicia con la formación del anión

tiosulfato, que es liberado en la solución junto con Fe2+ y finaliza en la oxidación a

sulfato por el Fe3+. Esto se refleja en la Rx. 6 y 7 en vez de la Rx. 4 (la Rx. 6 se produce

en la superficie del sulfuro y la Rx. 7 en la solución):

FeS2 + 6 Fe3+ + 3 H20--+ 7 Fe2+ + S20l" + 6 H+

s2ol + 8 Fe3+ +? H20 ----+- 8 Fe2+ + 2 sol·+ 10ft

(Rx.6)

(Rx.7)

Si la reacción de pirita a azufre es dominante y el azufre acumulado no limita

el ratio de oxidación en la superficie del sulfuro, la reacción de la pirita puede escribirse

así:

(Rx. 8)

En este caso, 1 mol de pirita oxidada consume solo 2 moles de Fe3+ comparado con los

14 que requiere en la Rx. 4; esto es importante porque el ratio de oxidación de la pirita

está controlado por la presencia de Fe3+. Además, en la Rx. 8 hay ausencia de iones ft

comparada con los 16 de la Rx. 4, por tanto, en este caso la acidez es generada por la

oxidación del azufre (Rx. 9):

(Rx. 9)

49

Los estudios de cinética muestran que a pH ácidos, las velocidades de oxidación de la

pirita por el Fe3+ son mucho más rápidas que la oxidación por~ (representada por la

reacción 2 de la Figura 3.4). Aunque, en entornos generadores de acidez estables, la

secuencia típica es la oxidación de la pirita por Fe3+ para producir Fe2+, como sucede en

la reacción 4 (Rx.4). El Oz que no es consumido directamente en éste paso de oxidación

de la pirita, sí es necesario para la regeneración del Fe3+ a partir del Fe2+ y para continuar

con el ciclo de oxidación de la pirita.

l! Fe!IJ Oaid. par Fc1

" Fe"" Oxldaclon

¡~-4 (ABIOTICA)

Rx.3 o

Logk Fe~* Oxidaolon (1/día) (MlCRO_!liANA)

-2 Rx.3 FeSi Olrid. Por 011

Rx.2 -4

..so 1

" 4 li 1 10 pH

Figura 3.5 Comparación de constantes de velocidad en función al pH [161

Como paso final, una parte del Fierro puede precipitar como ferrihidrita Fe(OH)3

(reacción 5). Este hidróxido es el precursor de una serie de minerales típicos del

ambiente oxido-reductor de menas sulfuradas, que otorgan un color amarillento-rojizo al

medio circundante.

3.4.2 Generación de los contaminantes metálicos

Otros sulfuros metálicos (MeS), pueden contribuir a la disolución de iones metálicos

(Me: Fe, Zn, Cd, Pb, Cu, etc).

MeS(s) + 2 Oz(ac) ~ Me+2 + S04-2

MeS(s) + 3 Fez(S04)3 + 4 HzO ~ Me +2 + 6 FeS04 + 4 HzS04

Las bacterias también pueden catalizar estas reacciones haciéndolas más rápidas.

so

Hidrólisis de iones metálicos

Los iones metálicos pueden generar acidez protónica, si el Me+2 se hidroliza, de

acuerdo a:

Me+2 +2H20 ~ Me(OlJh(s) +2W

Por lo tanto, los iones metálicos pueden producir:

Iones_hidrógeno por hidrólisis (pH superiores, y disminuyendo el pH).

Contaminación, si se disuelven (pH entre 4.5 a 7)

3.4.2.1 Generación del hierro ll71

La total exclusión de la humedad o del oxidante detendrá la generación ácida.

Un oxidante, particularmente oxígeno proveniente del aire o de procedencia química

En la mayoría de los casos, la actividad bacteriana juega un papel importante en la

aceleración de la velocidad de generación ácida, la inhibición de éstas disminuirá la

velocidad de formación de efluentes ácidos.

Estas reacciones son:

FeS2 + 7/2 02 + H20 --+ Fe2+ + 2 sol·+ 2 W

En ésta primera reacción debido a la oxidación del sulfuro mineral se forma hierro (ión

ferroso), sulfato e hidrógeno.

Los compuestos disueltos Fe2+, sol· e W representan un incremento en el total de

sólidos disueltos y de la acidez del agua

Si el ambiente circundante es suficientemente oxidante, mucho de los iones ferrosos

se oxidarán a iones férricos.

Fé+ + 114 Ü2 + W--+ Fe3+ + 112 H20

A valores de pH entre 3,5 a 4,5 el ion férrico es catalizado por la bacteria

Metallogenium y a pH por debajo de 3,5 la reacción es catalizada por la bacteria

Thiobacillus ferrooxidans. Por lo general, a pH entre 2,3 a 3,5 el ion férrico por hidrólisis

precipita como hidróxido Fe(OH)3 (sólidos de color amarillo, naranja o rojo), lo que

provoca un descenso del pH

Fe(OH)J (sólido)+ 3 W

51

Algunos cationes fénicos (Fe31 que no precipitan en la solución, pueden seguir

oxidando adicionalmente a la pirita (catálisis) y fonnar nuevamente iones ferrosos,

sulfato e hidrógeno.

FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H20 ---+ 15 Fe2+ + 2 soi· + 16 W

Basados en estas reacciones básicas simplificadas, la generación ácida que produce el

hierro de la pirita el cual eventualmente precipita como Fe(OH)3 puede ser representada

por la siguiente reacción:

FeSz + 15/4 Oz + 7/2 H20---+ Fe(OH)3 + 2 sol·+ 4 W

Por lo tanto, la reacción final para estabilizar el ión férrico formado a partir de la

oxidación de la pirita, sería:

FeSz+l5/8 Oz +13/2 Fe3+ + 17/4 H20 ---+ 1512 Fe2+ + 2 SO{+ 17/2 W

Propiedades redox

El potencial del sistema Fe(III)/Fe(II) es bastante elevado en medio ácido, pero

disminuye rápidamente al aumentar el pH por estabilizarse el Fe+3 en forma de

hidróxido. En el diagrama se expresa esta variación. Se observa que, en medio

alcalino, el sistema se hace tan reductor que el Fe (II), estable en medio ácido, es

oxidado rápidamente por el oxígeno disuelto o por el ambiente .

Eh M

Fe1+

,.. ..... ...... · .. ..

Fe

... ··.

pH

... ..... .. . . . . . -. . . ..

2

Figura 3.6 Diagrama E-pH del Hierro C == 10·2 M [l7J

52

3.4.2.2 Generación del plomo 1171

PbS(s)+ 3/2 02(aq) + H20(l)--+ Pb2++ SO/"+ 2ft

En ésta primera reacción debido a la oxidación del sulfuro mineral se plomo (ión

plumboso ), sulfato e hidrógeno.

Los compuestos disueltos Pb2+, sol· y ft representan un incremento en el total de

sólidos disueltos y de la acidez del agua.



Fe2+ + l/402(aq) + ft--+ Fe3++ 112 H20(l)

Algunos cationes férricos (Fé1 que no precipitan en la solución, pueden seguir

oxidando adicionalmente a la galena (catálisis) y formar nuevamente iones ferrosos,


PbS(s) + 8Fe3+ + 4H20(1)--+ Pb2+ + 8Fe2+ +sol·+ 8ft

Comportamiento ácido-base

El catión Pb2+ es bastante estable en medio acuoso. Cuando disminuye la acidez del

medio se hidroliza parcialmente originando PbOft y una pequefia cantidad de la

especie soluble Pb(OH)2 (véase diagrama de la figura 3.7). A un pH alrededor de 7,8

y para una concentración de Pb2+=10"2 M, comienza a precipitar el hidróxido,

Pb(OH)2, blanco. Este precipitado es anfótero y se disuelve a un pH superior a 12,4

para originar el anión plumbito, HPb02-, que , en ocasiones, se formula Pb(OH)3- ó

Pbol-.

53

pH o 2 4 6 8 10

-4

tog. e

-8

Figura 3.7 Diagrama logC -pH para Pb(II) 10"2 M [I7l

3.4.2.3 Generación del cobre ll71

CuFeS2(s) + 7/2 02(aq) + H20(l) ~ Cu2+ + Fe2+ + 2SOl" + 2W

En ésta primera reacción debido a la oxidación del sulfuro mineral se forma hierro y

cobre (ión ferroso y cúprico), sulfato e hidrógeno.

Los compuestos disueltos Cu2+, Fe2+, sol· e W representan un incremento en el

total de sólidos disueltos y de la acidez del agua.



Fe2+ + '14 0 2( aq) + W ~ Fe3+ + 112 H20(l)

Algunos cationes férricos (Fe31 que no precipitan en la solución, pueden seguir

oxidando adicionalmente a la calcopirita (catálisis) y formar nuevamente iones ferrosos,


CuFeS2(s) + 16Fe3+ + 8 H20(l) ~ Cu2+ + 17 Fe2+ + 2SO/"+ 16W


El Cu 2+ es un catión ácido que necesita acidez para encontrarse como catión libre.

Al aumentar el pH del medio aumenta la concentración del catión básico CuOW y

pueden precipitar sales básicas de color azul pálido antes que el hidróxido Cu(OH)2,

que precipita a pH próximo a 5,5 (ver figura 3.8).

54

El hidróxido se disuelve en medio muy básico originando la especie soluble Cuül,

de color azul, coexistiendo con el anion HCu02·· La especie neutra soluble Cu(OH)2

alcanza una concentración máxima del orden de 10-6 M.

pH 4 6 8 10 12 14

-2 ,__ _____ ""\

-4 log. e

-6

-a

Figura 3.8 Diagrama log C-pH para Cu (TI) 10-2M [t7J

Aunque en el diagrama se representa el hidróxido Cu(OH)2 por ser la especie que se

produce de fonna inmediata al alcalinizar soluciones de Cu2+, esta especie no es

tennodinámicamente estable; la fonna estable es el oxido CuO, de color negro, que

se obtiene por simple calentamiento del hidróxido.

3.4.2.4 Generación del zinc 1171

En ésta primera reacción debido a la oxidación del sulfuro mineral se fonna zinc (ión

zinc), sulfato e hidrógeno.

Los compuestos disueltos Zn2+, sol· y W representan un incremento en el total de

sólidos disueltos y de la acidez del agua.



55

Algunos cationes férricos (Fe~ que no precipitan en la solución, pueden seguir

oxidando adicionalmente a la esfalerita (catálisis) y fonnar nuevamente iones ferrosos,


ZnS(s) + 8Fe3+ + 4Hz0(1) ~ Zn2+ + 8Fe2+ + sol·+ 8W


El Zn2+ es un catión ácido que necesita acidez para permanecer como catión libre. Si

la acidez disminuye se hidro liza precipitando sales básicas del catión ZnOW, que

coexiste con el Zn2+.

A pH próximo a 7 .S comienza a precipitar el hidróxido Zn(OH)2 blanco, amorfo (la

figura 3.11 ha sido realizada considerando la forma más soluble del hidróxido, la

amorfa, que es la que origina la forma inmediata en solución; esta forma que puede

evolucionar posteriormente a otros hidróxidos u óxidos mas estables); este hidróxido

tiene carácter anfótero y se disuelve a pH 11.5 o algo más elevado si ha habido

evolución del sólido, para dar el anión zincato Zno2-2• Además de las especies

mencionadas se conocen las formas solubles Zn20H3+, Zn(OH)z y HZnOz-.

LogC

o 2 4

Znz+

pH

6

- 2 ~-----------""""

.. 4

- 6

.. 8

8 10 1'2

Zn~-

Figura 3.9 Diagrama log C-pH para Zn (JI) 10"2 M [l?J

14

56

3.5 Principales impactos ambientales de la actividad minera liSJ

La actividad minera, como la mayor parte de las actividades que el hombre realiza

para su subsistencia, crea alteraciones en el medio natural, desde las más

imperceptibles hasta las que representan claros impactos sobre el medio en que se

desarrollan.

Esto nos lleva a definir el concepto de impacto ambiental de una actividad: la

diferencia existente en el medio natural entre el momento en que la actividad

comienza, el momento en que la actividad se desarrolla, y, sobre todo, el momento

en que cesa.

Estas cuestiones, que hace algunos años no se percibían como un factor de riesgo

para el futuro de la humanidad, hoy se contemplan con gran preocupación, que no

siempre está justificada, pues el hombre viene alterando el medio desde que ha sido

capaz de ello, pero ciertamente los abusos cometidos en este campo han hecho que

crezca la conciencia de la necesidad de regular estos impactos. De cualquier manera,

también debe quedar claro que el hombre necesita los recursos mineros hoy, y los

necesitará en el futuro. Otro punto a destacar es que la actividad minera es

infinitamente menos impactante que otras actividades industriales, como el

desarrollo de obras civiles (impacto visual, modificación del medio original) y la

agricultura (uso masivo de productos químicos: pesticidas, fertilizantes).

Así, en el momento actual existen normativas muy estrictas sobre el impacto que

puede producir una explotación minera, que incluyen una reglamentación de la

composición de los vertidos líquidos, de las emisiones de polvo, de ruidos, de

restitución del paisaje, etc, que ciertamente a menudo resultan muy problemáticos de

cumplir por el alto costo económico que representan, pero que indudablemente han

de ser asumidos para llevar a cabo la explotación.

Por otra parte, hay que tener en cuenta que la actividad minera no solo produce un

impacto ambiental, es decir, sobre el medio ambiente. También produce lo que se

denomina Impacto Socioeconómico, es decir, una alteración sobre los modos de vida

y la economía de la región en la que se implanta, que pueden ser en unos casos

positivos y en otros, negativos.

57

· El impacto que produce la minería, en función de los aspectos del medio que

modifican, pueden ser:

e Acciones que modifican el uso del suelo

• Acciones que implican la emisión de contaminantes (sólidos, líquidos, gases

y otros: ruidos, onda aérea)

• Acciones que implican sobreexplotación de recursos (agua)

• Acciones que implican la modificación del paisaje (casi todos)

• Acciones que repercuten en las infraestructuras

• Acciones que modifican el entorno social, económico y cultural (impacto

socioeconómico ).

3.5.1 Impactos mineros sobre el agua

La minería, como cualquier otro proceso industrial, produce problemas en la calidad

del agua en varios aspectos:

• Contaminación de aguas debidas a la propia naturaleza de los materiales

explotados, por ejemplo los metales (Cu, Zn-(Cd), Hg, etc) y aniones

asociados (sulfatos, carbonatos, etc).

• Contaminación de aguas debidas al uso de técnicas de lixiviación en pila

(heap leaching) de metales, donde el agente lixiviante puede ser el ácido

sulfúrico (para el cobre) o el cianuro de sodio (para el oro).

• Contaminación de aguas debido a su empleo en procesos post-mineros (por

ejemplo: lavado por flotación).

• Contaminación de las aguas debido a factores indirectos: arrastre de

partículas por el viento u otros mecanismos a aguas de áreas más o menos

alejadas de la explotación.

En cualquier caso, los efectos de la minería sobre las aguas se traducen en:

• Movilización de partículas sólidas, ya sean procedentes del arrastre por las

aguas superficiales de polvo de escombreras o labores, o traídas hasta la

superficie por el agua de lluvia, a partir del polvo en suspensión.

58

• Adición de sales al agua, ya sea por procesos naturales (disolución de

minerales que la minería pone a disposición de las aguas superficiales), o por

mecanismos industriales (vertido de aguas de plantas de flotación u otro

tipo).

• Adición de metales pesados a las aguas. Naturalmente, la minería metálica

pone a disposición de los agentes externos unos elementos metálicos que

pueden movilizarse hacia las aguas bien por la formación de compuestos

solubles, o bien por mecanismos de sorción en la fracción sólida arrastrada

por el agua.

• Cambio del pH de las aguas. Especialmente significativa suele ser la

acidificación, consecuencia de la oxidación e hidrólisis de sulfuros con

formación de sulfatos y sulfatos ácidos: el drenaje ácido de mina, del que

vamos a hablar con mayor detalle.

La minería también produce problemas hidrogeológicos en las aguas subterráneas

(ver figura 3.10). La presencia de agua en la mina, sobre todo a ciertas

profundidades, constituye un problema que solamente puede resolverse produciendo

de forma controlada un descenso del nivel de los acuíferos de la zona, para que

queden por debajo del nivel de laboreo. Ello puede implicar la desecación de pozos

próximos, a distancias variables en función de la litología de las rocas que

constituyan cada acuífero: si se trata de rocas poco permeables y transmisivas, el

problema afectará solamente al entorno inmediato de las labores, pero si se trata de

rocas muy porosas y permeables, el problema puede alcanzar distancias

considerables. También podrá afectar a parámetros fisico-químicos, pues a menudo

por el fondo de la explotación a cielo abierto se podrán infiltrar aguas afectadas por

la problemática específica de cada mina: turbidez (siempre), cambios

composicionales, de acidez, de condiciones redox, etc.

Cavidad minera

Figura 3.1 O Esquema de las posibles afecciones de una mina a cielo abierto a las

aguas subterráneas

3.5.2 Impactos mineros sobre el suelo

59

La minería en su conjunto produce toda una serie de contaminantes gaseosos,

líquidos y sólidos, que de una forma u otra van a parar al suelo. Esto sucede ya sea

por depósito a partir de la atmósfera como partículas sedimentadas o traídas por las

aguas de lluvia, por el vertido directo de los productos líquidos de la actividad

minera y metalúrgica, o por la infiltración de productos de lixiviación del entorno

minero: aguas provenientes de minas a cielo abierto, escombreras, etc.

La presencia de gases contaminantes de origen minero en la atmósfera constituye sin

duda un problema menor frente a los de origen industrial o urbano. Esto es debido a

que sus volúmenes, comparados con los emitidos por otro tipo de actividades, suelen

ser limitados. Las excepciones son las relacionadas con la actividad metalúrgica

(sobre todo de sulfuros) o de procesos de combustión directa de carbón. En estos

casos, las emisiones gaseosas suelen ser ricas en SOz-S03, lo que implica, como

vimos en su momento, la formación de la denominada "lluvia ácida", cargada en

ácidos fuertes como el sulfúrico o el sulfuroso (pasos secuenciales):

SOz (g) + HzO(l) <=> S02(1)

SOz(l) + 2Hz0(1) <=> H30+ + HS03-

HS03. + H20(l) <=> H30+ + sol·

60

Al llegar estos ácidos al suelo producen efectos devastadores sobre la vegetación,

infiltrándose en el suelo. Cabe destacar también la acción sobre las aguas

continentales (lagos), que puede ocasionar la muerte de peces y otros habitantes de

esos ecosistemas.

La disposición de elementos mineros sólidos sobre el suelo puede tener sobre éste

efectos variados:

• La de escombreras (mineral dumps) puede inducir la infiltración de aguas de

lixiviación, más o menos contaminadas en función de la naturaleza de la

mena presente en la escombrera en cuestión. Por ejemplo, mientras hay

minerales fácilmente lixiviables (por ejemplo: pirita, esfalerita), otros son

mucho más estables (por ejemplo: galena). De esta manera, es más fácil

introducir en las aguas Zn2+, Cu2+, Fe3+, Fe2+ que Pb2+. También produce un

importante efecto de apelmazado del suelo, relacionado con el peso de los

materiales acumulados, que cambia completamente el comportamiento

mecánico de éste incluso después de retirada la escombrera. Otro efecto es el

de recubrimiento, que evita la formación y acumulación de la materia

orgánica, y el intercambio de gases con la atmósfera.

• La de talleres de mina es una de las que tienen un mayor potencial

contaminante, derivado de la presencia de hidrocarburos en grandes

cantidades: depósitos de combustible para repostar, aceites pesados

lubricantes, etc. Cuyo vertido accidental suele ser bastante común, y tienen

una gran facilidad de flujo y de infiltración en el suelo.

• Otros edificios mineros (lavaderos, polvorines, oficinas, etc.) pueden producir

efectos más o menos importantes, en función de factores diversos: existencia

de instalaciones anexas, empleo de reactivos más o menos tóxicos,

condiciones de ahnacenamiento de éstos, etc.

En definitiva, la minería puede producir sobre el suelo alteraciones más o menos

importantes de carácter fisico, fisico-químico y químico, que en general ocasionan su

infertilidad, o en el peor de los casos, mantienen su fertilidad pero permiten el paso

de los contaminantes a la cadena alimenticia, a través del agua, o de la incorporación

de los contaminantes a los tejidos de animales o vegetales comestibles.

61

3.5.3 Impactos mineros sobre la atmósfera

La minería produce una serie de emisiones a la atmósfera, en diferentes formas, tanto

sólidas (polvo, fundamentalmente durante las voladuras, pero también durante la

carga y el transporte), gases (pirometal\lrgia, escapes de vehículos, gases liberados

durante algunos procesos concretos), ruidos (voladuras, maquinaria, lanza térmica), y

onda aérea.

Emisiones sólidas:

El polvo emitido por la minería tiene su origen en la disgregación de las rocas

durante su preparación, o en el levantamiento de partículas de los caminos durante

los procesos de transporte (camiones pesados).

En el primer caso, el origen del polvo a su vez puede variado:

• Puede ser producido durante una voladura. A su vez, si procede de minería

subterránea, se emitirá a la atmósfera a partir de uno o varios puntos

definidos: las chimeneas de ventilación y los pozos de circulación de aire. Si

procede de explotaciones a cielo abierto, provendrá de todo un frente de

explotación, más o menos extenso (decenas de metros de longitud). En

cualquier caso, es prácticamente imposible evitar su emisión, puesto que

afectará, por principio básico, a roca seca, sin posibilidad de un

· humedecimiento rápido que evite la dispersión. Solo en la minería

subterránea podría evitarse su salida, mediante filtros en los puntos de

salida. Desafortunadamente tales filtros tienden a ser evitados para favorecer

la rapidez de la limpieza del polvo generado en el interior de la mina durante

la voladura. La composición de este polvo será la misma que la de la roca

. volada, con lo que a menudo se tratará de roca con componentes minerales

problemáticos, ya que contiene minerales oxidables con metales pesados.

• Puede ser el polvo generado durante el proceso de carga. En este caso puede

ser más sencillo su retención, simplemente mediante el regado de los frentes

de carga durante el proceso. La composición es la misma que en el caso

anterior, es decir, la correspondiente a la de la mineralización.

62

• Otra posibilidad corresponde al polvo generado durante el proceso de

transporte, en su doble vertiente de polvo que pueda escaparse del elemento

de transporte (camión o cinta transportadora, fundamentalmente) y polvo

levantado por el medio de transporte (solo en el caso de los camiones). En el

caso de los camiones, se produce una mezcla entre partículas procedentes del

yacimiento y las procedentes de la pista, aunque en ambos casos es

relativamente sencillo evitar parcialmente el problema, cubriendo

adecuadamente la caja del camión (problemático en los de mayores

dimensiones), o regando la carga, así como mediante el riego continuo de la

pista de rodadura. En el caso de las cintas, hay que trabajar también con

material humedecido, o recurrir a instalaciones de mayor costo, cerradas para

evitar los escapes de polvo.

• Otra fuente muy importante de polvo son los procesos de molienda. Aquí es

fundamental disponer de una instalación adecuada que evite en lo posible los

escapes de polvo, puesto que no suele ser posible trabajar con material

húmedo, al menos en las instalaciones convencionales.

Gases:

Las emisiones mineras de gases a la atmósfera pueden ser de varios tipos:

• Gases de combustión de la maquinaria implicada en el proceso minero. Son

los gases habituales ligados a la combustión de hidrocarburos: gasolinas,

diesel, pero que al implicar a maquinaria pesada, suelen ser de gran volumen.

En algunos casos, se minimiza a través de la utilización de grandes equipos

eléctricos, con el inconveniente de su menor autonomía ( dúmpers tipo

trolebús, palas eléctricas, LHDs ). En otros casos, el problema se puede

minimizar a través de un mantenimiento adecuado de los motores, para

disminuir en lo posible las emisiones.

• Gases liberados durante el proceso de extracción. Los más comunes son los

. que se liberan en la explotación del carbón, fundamentalmente co2 y co y el

famoso grisú, mezcla altamente explosiva de metano y aire. También entran

en esta categoría los gases contenidos en las aguas que se explotan para la

63

obtención de energía geoténnica, aunque puede haber otros, correspondientes

a gases contenidos en determinadas mineralizaciones, siempre en cantidades

poco significativas, por lo general.

• Gases implicados en las voladuras. Son consecuencia de la deflagración del

explosivo, aunque su volumen no suele ser tan importante como para

producir efectos de consideración.

• Gases implicados en procesos directamente relacionados con la actividad

minera: combustión de carbón (COx, NOx, SOx), pirometalurgia (S02).

Aerosoles:

Como ya se ha indicado, la formación de aerosoles cargados en compuestos que

puedan representar un riesgo ambiental puede darse durante la explotación, pero

sobre todo, durante procesos de hidrometalurgia. Estos procesos implican el riego

por aspersión de pilas de mineral con compuestos a menudo de alta toxicidad

(sulfúrico para la extracción de algunos elementos, como el cobre; cianuro para la

extracción del oro), con lo cual la presencia de viento puede favorecer la dispersión

de estos aerosoles a grandes distancias. Actualmente se empieza a emplear sistemas

de riego que eviten este fenómeno: sistemas tipo "gota a gota", a través de

conducciones internas de la pila de lixiviación, más que mediante riego por

aspersión.

Ruido:

El ruido es otra forma de contaminación: la contaminación acústica. Los efectos que

pueden llegar a producir son los siguientes:

a) Efectos sobre las personas:

• Fisiológicos, como la sordera que se produce en personas sometidas a fuertes

niveles de ruido durante tiempos prolongados.

• Psicológicos, provocados por la interferencia sobre las comunicaciones y el

descanso.

• Empeoramiento de las condiciones de trabajo, con el consiguiente aumento

del riesgo de accidentes y disminución del rendimiento.

64

• Efectos subjetivos, provocados por la molestia que produce estar sometido a

ruidos.

• Sobre la salud: el ruido puede provocar desorganización visual, taquicardias,

e incluso puede afectar a los procesos digestivos.

b) Efectos sobre la fauna:

• Sobresaltos y movimientos bruscos provocados por ruidos intensos y

puntuales.

• Alteración de las costumbres de apareamiento (ruidos durante la época del

celo)

• Abandono de nidos durante la cría por parte de los progenitores.

La minería contribuye a este tipo de contaminación mediante diversos mecanismos:

• Voladuras. Las explosiones implicadas en éstas producen un ruido de

intensidad muy alta, aunque de escasa duración, que solamente puede ser

evitado como molestia a las personas localizando las poblaciones a distancia

suficiente de las explotaciones mineras, lo cual a veces no es posible. Dado el

''valor localizado" de la minería: "el yacimiento está donde está y punto", la

situación inversa (traslado de la mina) no es posible.

• Tráfico pesado. Los vehículos implicados en la minería a cielo abierto

producen ruidos continuos de cierta intensidad, que es necesario atenuar

mediante medidas de protección individuales para los trabajadores en

proximidad inmediata al proceso de carga y transporte.

• Otra maquinaria. La maquinaria de preparación de menas (plantas de

flotación, fundamentalmente) es también a menudo fuente de ruidos

importantes. En este caso, un diseño adecuado de las instalaciones, con

pantallas acústicas entre ellas y las áreas más pobladas, así como la

utilización de medidas adecuadas de protección individual atenúan esta

problemática.

• Otros ruidos. En determinados casos pueden existir otras fuentes de ruido:

martilleo en cantería, corte con lanza térmica, etc. En cada caso, el estudio de

su problemática debe permitir su atenuación en lo posible.

65

3.5.4 Impactos mineros sobre aspectos sociales y culturales l19l

El desarrollo de la actividad minera provoca un flujo de trabajadores y sus familias

hacia áreas que, a menudo, estaban escasamente pobladas. Esto es seguido por el

desarrollo de empresas e instalaciones de apoyo que causan un gran aumento en la

actividad económica y demanda de todos los recursos, lo cual con frecuencia es

considerado como algo positivo. Algunos de los impactos potencialmente negativos

más comunes son:

• Presión sobre los gobiernos locales y la infraestructura educacional.

• Aumento de delitos.

• Aumento de tránsito por caminos locales, congestión, accidentes.

• Aumento en costos de mantención de caminos.

• Inflación respecto de costos de bienes, trabajo, propiedad, e impuestos

• Gran aumento en los costos del agua.

• Impactos potencialmente negativos sobre el turismo.

• Impactos en áreas o actividades que son importantes o sagradas para

grupos indígenas.

Históricamente, la minerfa ha tenido ciclos económicos de auge y depresión que son

considerados ínsostenibles. Una vez que comienza la caída económica, el área local

inevitablemente es incapaz de proveer los fondos necesarios para pagar por los

impactos. Lo anterior generalmente lleva a caídas económicas y ambientales severas,

y/o a peticiones de financiamiento externo para poder manejar los problemas.

Los accidentes derivados del transporte de desechos mineros y químicos de los

procesos, puede obligar a las empresas a efectuar pagos en efectivo a ciudadanos

locales que reclamen por daños.

66

3.6 Control de los drenaJes ácidos ll41

El control de los dremijes ácidos comprende dos col\iuntos de actuaciones, uno de

tipo preventivo y otro de carácter correctivo. Los preventivos se refieren a la

adopción de medidas antes del comienzo de las labores extractivas y que son

programadas en función al conocimiento del potencial contaminante que poseen los

materiales a tratar. Mientras los correctivos son todas aquellas actuaciones que se

llevan a cabo en el momento en que se comprueba que las medidas preventivas no

han tenido el efecto deseado y existe la posibilidad de que se generen aguas ácidas.

En la actualidad las medidas de control de la generación ácida se agrupan en tres

niveles de actuación:

• Prevención y control del proceso de generación de las aguas ácidas.

• Control de la migración de las aguas ácidas.

• Recogida y tratamiento de las aguas ácidas.

3.6.1 Prevención y control del proceso de generación de aguas ácidas

Una forma efectiva de evitar la generación ácida es mediante el control y la

eliminación de los parámetros y las condiciones que favorecen la formación de aguas

ácidas, mediante la aplicación de las siguientes medidas:

• Restringiendo el mgreso del agua en los residuos expuestos a la

meteorización.

• Minimizando la penetración de oxígeno a través del aire o del agua, mediante

el empleo de materiales impermeabilizantes.

• Controlando el pH del medio, mediante la adición de materiales alcalinos.

• Empleando bactericidas para inhibir la acción bacteriana a los minerales

sulfurosos.

Los métodos y las técnicas de control de la generación ácida de mina se pueden

clasificar en tres grupos:

67

Tabla 3.6 Métodos de control de generación ácida de mina [I41

MÉTODO MEDIDA DE CONTROL Barrera Eliminación o Acondicionamiento; impenneabilización y

aislamiento depósito selectivo de estériles y residuos de los sulfuros Microencapsulado

Retirada fisica de los sulfuros Revegetación de terrenos

Exclusión del agua Cunetas de desvío del agua

Remodelado de la superficie.

Recubrimiento y sellado

Exclusión del oxígeno Depósitos subacuáticos (inundación)

· Recubrimiento y sellado

Químico Control del pH Adición de materiales alcalinos y fosfatos

Empleo de dispositivos rellenos Con material Carbonatado

Mezcla de los materiales y ácido/base y vertido selective

Inhibición Control y supresión de Aplicación de bactericidas Bacteriana la acción bacteriana Adición de fosfatos

3.6.1.1 Métodos de barrera

La prevención es el tratamiento más eficaz al problema de la generación de aguas

ácidas, para ello se recurre al empleo de métodos fisicos que actúan como barreras

· que impiden la mezcla y dilución de los distintos efluentes o reducen el potencial

ácido generador de los mismos. Entre las principales actuaciones de este tipo

tenemos:

a. Revegetación de los terrenos

Esta técnica consiste en dotar a las zonas afectadas por la minería de una cubierta

vegetal que proteja al suelo de la erosión. La revegetación es una técnica que

coadyuva al control de formación de aguas ácidas, llegando en algunos casos a

reducir en un 50% el potencial ácido generador. Por otro lado, el oxigeno también es

evacuado por las raíces de las plantas, la respiración microbiana y la descomposición

de la materia orgánica.

68

b. Aeondieionamiento y depósito seleetivo de materiales

Esta técnica consiste en separar el material potencialmente ácido y se evite o

minimice su contacto con el oxígeno y el agua

c. Eneapsulado

El almacenamiento de los estériles y residuos en depósitos impermeables es una de

las técnicas de tipo barrera que impide el contacto con el agua o la zona saturada, se

basa en un vertido selectivo que en algunos casos se aprovecha en los huecos de la

eXplotación.

El objetivo es lograr el "encapsulamiento" de las partículas de mineral reactivo con

un recubrimiento de precipitado inerte, de manera que queden aisladas del agua y del

oxígeno.

d. Aislamiento del agua

Este tipo de tratamiento está orientado a la construcción de barreras físicas que

impiden el contacto entre los estériles y residuos contaminantes, con el agua,

evitando de esta forma las reacciones de formación ácida y el transporte de los

productos.

e. Aislamiento del oxigeno

El oxígeno es el responsable directo de la oxidación de los sulfuros y es necesario

para la actividad bacteriana. Por lo que, cualquier medida de control o exclusión del

oxígeno tendrá gran influencia en la reducción del potencial generador de aguas

ácidas.

La mejor forma de evitar la oxidación de los materiales piríticos es su

almacenamiento en condiciones anóxicas, es decir: bajo agua (al menos a 1.20 m de

profundidad). Al no estar en contacto con el aire cesa la producción de agua ácida, al

evitarse la oxidación de la pirita.

f. Recubrimiento y sellado

Es otro método de la exclusión del oxígeno en escombreras de estériles. Consiste en

la. colocación de una capa de material impermeable o materiales consumidores de

oxígeno como compost sobre la superficie de esta.

69

3.6.1.2. Métodos qufmicos

Una forma de inhibir la generación ácida es manteniendo el pH de los efluentes de

mina dentro de un rango alcalino, esto se consigue en algunos casos afiadiendo a las

soluciones ácidas, materiales alcalinos como roca caliza en polvo, cal, fosfatos y

otros.

a. Adición de materiales alcalinos

La adición de sustancias alcalinas o rocas básicas es una medida de control adecuada

a corto plazo, dependiendo de la cantidad, tipo y grado de reacción de los minerales

sulfurosos.

El objetivo de mezclar o afiadir material alcalino es controlar el pH en el rango

cercano al neutro, limitando así la oxidación química de los sulfuros y la actividad

bacteriana Se puede añadir piedra caliza, cal e hidróxido de sodio, durante el

procesamiento; o bien se puede colocar estos materiales en capas dentro de la roca

que genera ácido, durante la acumulación.

Las sustancias más utilizadas suelen ser: hidróxido sódico (NaOH), caliza (CaC03),

cal (CaO, Ca(OH)2), hidróxido de aluminio (Al(OH)3) y carbonato sódico (Na2C03).

La adición de estas sustancias, además de producir la neutralización de las aguas

ácidas, crean un ambiente desfavorable para la oxidación de los materiales

sulfurosos.

Primero, porque las bacterias que participan en el proceso de oxidación del hierro

requieren un medio ácido para que su actividad sea óptima y, segundo, porque con

pH cercanos al neutro el hidróxido férrico precipita y tiende a depositarse sobre la

superficie de los sulfuros, recubriéndolos y rompiendo el mecanismo de oxidación.

Por lo común, se requiere de exhaustivas ·pruebas de laboratorio con el objeto de

demostrar la efectividad de la mezcla; además, se podría requerir otras medidas de

control suplementarias.

b. Adición de fosfatos

La adición de fosfatos a los estériles y residuos de mina ralentiza la oxidación de los

sulfuros, debido a la formación de fosfatos de hierro insolubles como Fe3(P04)2 y

FeP04 que hacen disminuir la concentración de hierro férrico disponible para la

70

reacción con los sulfuros como la pirita.

3.6.1.3. Métodos de inhibición bacteriana

La presencia de bacterias como el Thiobacillus ferrooxidans y otras que contribuye a

la oxidación del hierro influyen fuertemente en la generación ácida, pero, si se logra

eliminar estos microorganismos se puede llegar a reducir hasta en un 50 % el proceso

de acidificación. Entre los bactericidas de mayor efectividad para inhibir la bacteria

Thiobacillus ferrooxidans, se encuentran los surfactantes aniónicos y los ácidos

orgánicos.

El detergente aniónico más eficaz y económico utilizado es el sodio lauril sulfato

(SLS), que se aplica sobre la superficie de la escombrera en forma de solución

diluida en unas concentraciones del orden de 25 ppm, con la que se saturan los

primeros 20 o 30 cm de profundidad que es la zona de oxidación de los sulfuros

almacenados en la escombrera.

El empleo de bactericidas puede ser interesante como medida a corto plazo. Los

bactericidas tienen una vida limitada .Además, no debe olvidarse que actúan

únicamente sobre los procesos de oxidación biológicos pero no sobre la oxidación

química de los sulfuros. Por lo que, es aconsejable aplicar siempre medidas

complementarias para neutralizar los efluentes ácidos generados por vía química.

3.6.2 Control de migración de las aguas ácidas

Cuando la generación ácida no ha podido ser evitada, el siguiente grupo de medidas

es el constituido por aquellas que intentan impedir la llegada de los efluentes ácidos

al medio natural. En este caso es preciso impedir la entrada del agua a las fuentes de

contaminación y evitar la circulación de los elementos contaminantes.

Entre las medidas de este tipo de control que suelen tomarse, tenemos las siguientes:

• Desviación del agua de escorrentía alejándola de la fuente de acidez. Para ello

se construyen canales perimetrales o diques de interceptación que impiden la

entrada del agua a las labores de explotación o el contacto con los estériles de

las escombreras. A largo plazo es tal vez la medida más efectiva.

71

• Prevención sobre la entrada de aguas subterráneas a la fuente de acidez. En el

caso de explotaciones en operación podrá realizarse mediante labores de

drenaje desde pozos o sondeos, creación de muros pantalla, instalación de

cierres impenneables temporales y otros, que sólo son de utilidad durante la

fase de funcionamiento. Para el caso de depósitos de estériles la mejor

medida será la elección de un emplazamiento que no presente surgencias de

aguas subterráneas, bien naturales o captadas por antiguas labores de interior.

• Prevención de la infiltración de las precipitaciones sobre la fuente

contaminante. Esto se consigue mediante el empleo de cubiertas o sellados

por medio de suelos naturales o materiales sintéticos, o una combinación de

ambos. El sellado con geomembranas es más eficaz pero también su costo es

más elevado. Las cubiertas de suelos, aunque no evitan la infiltración

totalmente, constituyen un soporte para la vegetación, por lo que deberán

contemplarse en los planes de actuación.

• Prevención del control del ascenso por capilaridad. Durante la estación seca,

el agua asciende por capilaridad desde el interior de las balsas y escombreras

hacia la superficie. Para controlar esta vía de movimiento del agua, puede

actuarse de dos fonnas. Creando una barrera que frene el ascenso del agua,

son las barreras capilares, o confinando el movimiento por capilaridad a una

zona específica, la zona capilar, de manera que las aguas ácidas del interior

no alcancen los recubrimientos y suelos aportados en superficie.

• Localización controlada de las estructuras de estériles generadores de aguas

ácidas. La ubicación adecuada de esos materiales debe contemplarse siempre

junto a otras medidas complementarias (como los descritos anterionnente:

control de las aguas de escorrentía superficial, control e intercepción de las

aguas subterráneas, control de la infiltración, control del ascenso por

capilaridad).

72

3.6.3 Sistemas disponibles para el tratamiento de aguas ácidas ll4J

Los sistemas de recogida dependen de si las aguas ácidas son superficiales o

subterráneas. En las primeras se utilizan cunetas, diques y pequeños embalses en los

fondos de las explotaciones, mientras que para las segundas se recurre a zanjas de

drenaje, muros de intercepción, pozos, galerías y otros. La mayoría de estos sistemas

requieren de un cierto mantenimiento a largo plazo para garantizar su

funcionamiento.

Generalmente los procesos de tratamientos de dreruóes ácidos se basan en la

eliminación y el aislamiento de metales y aniones metálicos de las aguas. Algunos de

ellos incluyen las técnicas de precipitación que suelen ser bastante efectivas para

conseguir la calidad deseada de los efluentes. Sin embargo, si existen metales

pesados disueltos en la solución en forma de complejos orgánicos, su retirada

mediante precipitación directa resulta muy dificil si no imposible. En estos casos, el

complejo debería descomponerse antes de añadir el agente precipitante.

Otras técnicas son las de oxidación clásica, ozonización y oxidación bacteriana,

aunque previamente a realizar cualquier tipo de tratamiento es siempre recomendable

determinar cuáles son los metales y su estado químico en los efluentes.

Cualquier tipo de vertido de efluentes de mina debe garantizar que éstos sean

estables, que no reaccionarán ni química ni biológicamente con los elementos

naturales del entorno y que no producirán daños al medio ambiente.

En general los métodos de tratamiento de aguas ácidas de mina se clasifican en dos

grandes grupos:

Métodos activos, que precisan de una operación continuada, como sucede en una

planta química de tratamiento de aguas ácidas.

El tratamiento de aguas de mina utilizando métodos químicos mediante la adición de

sustancias alcalinas, tiene un costo elevado, sobre todo cuando se trata de grandes

volúmenes. Además requiere un control y mantenimiento de las instalaciones de

aireación y mezclado, así como de un almacenamiento adecuado de los lodos con

carga metálica.

73

Métodos pasivos, en los que la intervención del hombre es mínima, tal como sucede

con los humedales, drenajes anóxicos calizos, sistemas de producción de alcalinidad

y otros.

El objetivo principal de los métodos de tratamiento de las aguas ácidas es la

supresión de la acidez, la precipitación de los metales pesados y la eliminación de

sustancias contaminantes como sólidos en suspensión, arseniatos, antimoniatos y

otros.

Un resumen de algunas de las técnicas que se pueden emplear como tratamiento de

los efluentes es el que viene dado en la Tabla 3.7. La combinación de dos o más de

estos procesos suele ser necesaria para conseguir la calidad deseada en los efluentes.

Tabla 3. 7 Técnicas de tratamiento potencialmente aplicables para los efluentes

mineros [l4J

Descripción

Electrodiálisis

Ósmosis inversa

Intercambio Iónico

Aplicaciones

Movilización iónica producida gracias a fuerzas de transferencia eléctricas a través de membranas permeables.

La intensidad de corriente necesaria depende de la concentración de la solución.

Flujo del disolvente a través de membranas semi permeables gracias a la presión osmótica.

Resinas aniónicas y catiónicas reemplazan los contaminantes

Requerimientos Desventajas

Desalinización Tratamiento aguas ácidas

Desalinización

Problemas de mantenimiento de las celdas

Límite de concentración de Fe en solución

de entrante = 1 mg/L Necesario tratamiento previo de la solución

Problemas por la evacuación del Concentrado Sedimentación de CaS04 en la Membrana

Tratamiento de aguas ácidas

Desalinización

Ablandamiento del

Problemas de evacuación del Concentrado Selectividad de las Resinas

Evaporación destilación

Congelación

Flotación iónica con espumantes

Extracción con Disolvente

Adsorción por carbón activo

Neutrólisis

por

74

por iones H+, OH- agua Tratamiento y otros. de aguas ácidas

Extracción de

Se evapora el agua pura y se extrae una solución concentrada.

A medida que se forma el hielo, la solución se hace más concentrada y precipitan las impurezas. El activante liga a los iones disueltos con burbujas de aire.

uranio Desalinización Tratamiento aguas ácidas Industria petróleo

Desalinización Tratamiento aguas ácidas

Concentración elementos traza en el océano Tratamiento

Los residuos se soluciones muy retiran con la Diluidas e~uma.

El soluto pasa del agua al disolvente Extracción debido a uranio. que su solubilidad Retirada

Procesos de corrosivos

del Evacuación del Concentrado

La precipitación de de metales puede

producir problemas de corrosión

de

Surfactante de residual en el agua

El disolvente de puede contaminar

el

en éste es mayor que en el agua. El soluto se extrae

de efluente. Hay que evitar las fugas de disolvente.

contaminantes orgánicos presentes en los efluentes. Tratamiento de La concentración

del soluto en el efluente puede ser todavía grande.

aguas ácidas. del disolvente. El disolvente recircula.

Separación del se petróleo y el agua.

Adsorción de Oxidación hierro en aguas

metales pesados. Ácidas

Combinación de neutralización ósmosis

y Tratamiento aguas ácidas

inversa mediante la

No es un método del de tratamiento

completo, sino intermedio

La acumulación de de Mn puede causar

Problemas

Oxidación por Ozono

Técnicas de control biológico

recirculación del concentrado del proceso de ósmosis a través de la etapa de neutralización.

Oxidación de ión ferroso a férrico seguida de neutralización.

Existen distintos métodos. Su aplicabilidad depende de la naturaleza de la solución a tratar y de la disponibilidad de nutrientes. Trabajan en rangos del pH comprendidos entre 6 y 8. En algunos casos con pH entre 3 y 4,5.

75

Mejor control y menores costes que

Tratamiento de ~~elación efluentes ferrosos convencional Y aguas ácidas Suplementaria al

Dependiendo de la técnica escogida pueden ser: Reducción de la acidez del medio aumentando su pH. Reducción de la concentración de

proceso de Neutralización Algunos de métodos empleados son: Circulación

los

de aguas ácidas a través de humedales artificiales shagnumo

con

typhas. ion ferroso. Adsorción metales. Eliminación compuestos nitrogenados.

Procesos de de bioadsorción o de

adsorción de de metales en turba.

Eliminación del cianuro empleado en la concentración del oro.

Barreras biológicas. Nitrificación desnitrificación bacteriana. Neutralización reducción bacteriana.

y

y

4

TRABAJOEXPERUWENTAL

76

En el presente capítulo se describe los experimentos de coagulación con el FeS04,

los cuales han sido llevado a cabo en un:

• Sistema de prueba de jarras

• Sistema de sedimentación

Previamente se detallan los procedimientos analíticos realizados para caracterizar el

efluente minero y determinar así los principales contaminantes que serán tratados,

presentándose los datos y resultados hallados. Los procedimientos incluyen un

objetivo y un diagrama de flujo que resume el proceso.

77

4.1 Caracterización del efluente de mina

Se ha realizado la detenninación de los parámetros fisico-químicos que exige el

decreto supremo 010-2010 para el efluente de la mina Santa Luisa Unidad de

Huanzalá, para ello se han empleado métodos de análisis normalizados los cuales se

describen en la siguiente tabla:

Tabla 4.1 Métodos utilizados para los análisis de caracterización

Parámetro Método de ensayo

pH SM 4500-H + B Edición 2lava. Afio 2005

Sólidos totales en suspensión SM 2540-D Edición 21ava. Afio 2005

Aceites y grasas SM 5520-B Edición 21ava. Afio 2005

Cianuro total SM 4500-CN Edición 2lava. Año 2005

Metales SM 3500-B Edición 21ava. Afio 2005

Conductividad SM 2510-B Edición 21ava Año 2005

Sólidos sedimentables SM 2540-F (a) Edición 21ava Año 2005

Turbidez SM 2130-B Edición 21ava Año 2005

DQO SM 5220-D Edición 2lava. Año 2005

A continuación se describe el procedimiento de cada método de análisis utilizado en

la caracterización del efluente.

78

4.1.1 Análisis del pH

Objetivo: Determinar el pH para medir la acidez del agua ya que el pH de las aguas

es determinado por la cantidad de ácidos y bases en ellas así como las sales que allí

se disuelven, el valor del pH influye tanto en las plantas como el metabolismo de los

peces. Cuando el pH disminuye a menos de 5,5, o se eleva a más de 9, son pocas las

posibilidades de vida.

El análisis de pH sigue el siguiente procedimiento:

pH~metro

Medir estándar de pH dentro 7,00 ± 0,05 ;

10,00 ± 0,05

Sí

No Calibrar

' En lOOmLde

muestra Medir pH

Anotar

~-------~

Figura 4.1 Diagrama de análisis del pH l20l

79

4.1.2. Análisis de los sólidos suspendidos totales (SST)

Objetivo: Detenninar la concentración de la materia sólida en la muestra,

proveniente del mineral tratado a través del proceso de flotación.

A valores altos absorben la radiación solar, de modo que disminuyen la actividad

fotosintética de la vegetación acuática

El análisis de Sólidos suspendidos totales sigue el siguiente procedimiento:

Volumen de muestra: 50 mL

,~

Filtrar al vacio según equipo (ver anexo x)

,, Secar en estufa a 103 -105 °C por 1 hora

~

Pesar y calcular el valor de SST

Figura 4.2 Diagrama de análisis de SST [20]

80

4.1.3 Análisis de aceites y grasas

Objetivo: Determinar la concentración de materia orgánica en la muestra, los valores

altos de estos componentes reducen la oxigenación a través de la interfase aire-agua,

disminuyendo el oxígeno disuelto y absorbiendo la radiación solar, afectando a la

actividad fotosintética.

El análisis de aceites y grasas sigue el siguiente procedimiento:

Volumen de muestra: 1 L J j_

1 Acidular a pH $ 2

1 j_

En pera de separación aíiadir 20 mL de hexano. Agitar

l 1 Dejar reposar. Separar la fase acuosa

• Hacer pasar la fase orgánica por uil

filtro con NaS04 anhidro, hacia un balón previamente pesado

• Repetir la operación 3 veces

l Llevar a bafío maria a

T=85°C

+ Llevar a la estufa 20 minutos

• Pesar y calcular el valor de los aceites y grasas

Figura 4.3 Diagrama de análisis de aceites y grasas llOJ

81

4.1.4 Análisis de cianuros totales

Objetivo: Detenninar la cantidad de cianuros libres y complejo (W AD y SAD) que

provienen de insumos que son utilizados en la extracción de minerales por

lixiviación, como cianuros totales, mediante el proceso de destilación y volumetrla.

El cianuro es una sustancia altamente toxica.

El análisis de cianuros totales sigue el siguiente procedimiento:

Volumen de muestra: 100 m.L, en el equipo de destilación

+ Agregar 1 g de polvo de

zinc. Mezclar por 5 minutos

~ Agregar 20 mL de HgCh

(240g/L) y 1 O mL de MgCh (68g/L). Mezclar por 3 minutos

¡ Agregar 15 mL de H3P04 85

%. Mezclar por 5 minutos

+ Calentar por 2 horas T:

¡ Trasladar hacia un matraz la

solución absorbedora (50 mL de NaOH 1M)

• Agregar 5 mL de Cd(N03)2 0,5 M

+ Filtrar la solución y titular

con AgN03 0,0102 M hasta color amarillo

Figura 4.4 Diagrama de análisis de cianuros totales [lOJ

82

4.1.5 Análisis de los metales totales

Objetivo: Determinar la cantidad de cationes metalicos que provienen de la

lixiviación de los minerales, que contaminan y afectan al medio acuático.

El análisis de Metales totales sigue el siguiente procedimiento:

Medir 45 mL de muestra homogenizada previamente en

un agitador magnético

! Trasvasar al vaso de

extracción, afiadir 4 mL HN03 ce y 1 mL HCl ce.

l Colocar el recipiente en el

sistema de microondas. Condiciones T=170°C;

t= 20 minutos

1 Llevar la solución digerida a fiola a fiola de 100 mL.

Añadir 1 O mL HCl ce.

¡ Realizar la lectura de los

metales totales por absorción atómica y anotar

Figura 4.5 Diagrama de análisis de metales totales l201

83

4.1.6 Análisis de metales disueltos

Objetivo: Determinar la cantidad de sales metálicas solubles, cuya presencia afecta

al medio acuático.

El análisis de Metales disueltos sigue el siguiente procedimiento:

Filtrar aproximadamente 100 mL de muestra en un equipo de vacio (filtro de 0,45 J.UD)

~ Medir 45 mL de muestra filtrada y horoogenizada

J Trasvasar al vaso de

extracción, afiadir 4 mL HN03 ce y 1 mLHClcc

l Colocar el recipiente en el

sistema de microondas. Condiciones T= 170°C ;

t= 20 minutos

l Llevar la solución digerida a fiola a fiola de 100 mL.

Afíadir 1 O mL HCl ce.

~ Realizar la lectura de los

metales totales por absorción atómica y anotar

Figura 4.6 Diagrama de análisis de metales disueltos [201

84

4.1.7 Análisis de la conductividad

Objetivo: Determinar la concentración aproximada de los iones presentes en el

efluente. Un gran contenido de sales deteriora el medio acuoso debido a la

disminución de la OD.

El análisis de Conductividad sigue el siguiente procedimiento:

Calibración de conductímetro con solución estándar de

conductividad 1413 J!Sicm y 12,88 mS/cm

En muestra de efluente (V= 100 mL ). Medir

conductividad y anotar

Figura 4.7 Diagrama de análisis de la conductividad [201

85

4.1.8 Análisis de los sólidos sedimentables (SS)

Objetivo: Determinar la cantidad de sólidos que se asientan por gravedad en el fondo

de un recipiente forma cónica. Este parámetro se utiliza para conocer el volumen y la

densidad del material sólido que se obtiene en la decantación primaria del agua

residual.

El análisis de sólidos sedimentables sigue el siguiente procedimiento:

Muestra homogenizada Volumen= 1 L

Llenar en el cono Imhoff

Tiempo de reposo 45 minutos

Registrar el volumen de sólidos sedimentables

en el cono

Figura 4.8 Diagrama de análisis de sólidos sedimentables [ZOJ

86

4.1.9 Anátisis de la turbidez

Objetivo: Detenninar la concentración de las partículas suspendidas que enturbian el

liquido. Estas partículas absorben calor de la luz del sol, elevan la temperatura del

agua y reducen así la concentración de oxígeno disuelto en la misma.

El análisis de Turbidez sigue el siguiente procedimiento:

Muestra homogenizada (Volumen = 50 mL)

Calibrar el turbidímetro con soluciones de

turbidez conocida 1000, 100, 1 O, 0.2 NTU

, Medir la turbidez de la muestra y anotar

Figura 4.9 Diagrama de análisis de la turbidez f20J

87

4.1.10 Análisis de la demanda químiea de oxigeno (DQO)

Objetivo: Determinar la cantidad de oxígeno que sustancias reductoras, como la

materia orgánica, presentes en un agua residual necesitan para descomponerse, sin la

intervención de microorganismos.

El análisis de DQO sigue el siguiente procedimiento:

Muestra homogenizada

(Volumen= 50 mL)

Añadir HzS04 ce hastapH=2

Añadir 2,5 mL de muestra acidificada+ 3,5 mL catalizador (ver anexo xx) + 1,5 mL de solución de digestión (ver anexo

xx) en un tuho de reacción

• Llevar al reactor a

T = 150 oc por 2 horas

, Preparar una curva de calibración

con ftalato de hidrogeno de potasio de 50 - 500 ppm. Medir la

concentración de DQO de la muestra en el espectrofotómetro a

600 nm y anotar

Figura 4.1 O Diagrama de análisis del DQO [ZOJ

88

4.2 Descripción de la prueba en jarras para el tratamiento por coagulación

4.2.1 Preparación de soluciones qufmicas

· Se prepara las siguientes soluciones de reactivos en las cantidades necesarias.

Reactivo químico Concentración

Sulfato de ferroso 5%

Hidróxido de sodio 20%

Acido sulfúrico lN

4.2.2 Procedimiento de la prueba de jarras

Las pruebas de jarras con coagulantes requieren un agitador de laboratorio de 6

plazas o aparato para la prueba así como también seis vasos de 600 mL (ver figura

4.11). El procedimiento para llevar a cabo la prueba es:

l. Colocar un vaso de 600 mililitros debajo de cada una de las paletas de agitación.

2. Colocar en cada vaso exactamente 400 mililitros medidos con una probeta

graduada, de una muestra de agua ácida de mina.

3. Anotar en la hoja de datos la cantidad de coagulante que se debe añadir a cada

vaso. Esta cantidad variará de vaso a vaso (Ver Tabla 4.3)

4. Con cada pipeta, añadir el coagulante en cantidades crecientes en vasos sucesivos.

5. Colocar las paletas de agitación dentro de los vasos, arrancar el agitador y operarlo

durante 1 mina 150 rpm con la adición de hidróxido de sodio para aumentar el pH de

la disolución de trabajo hasta lograr un pH =10.

6. Añadir el coagulante FeS04 al S% WN, agitar vigorosamente a 150 rpm durante 1

minuto.

7. Reducir la velocidad de agitación y permitir que la agitación continúe de acuerdo a

las condiciones de operación que se indica en la Tabla 4.3.

8. En las hojas de registro se deben anotar las dosis, tiempo y velocidad de mezclado,

pH y análisis del sobrenadante.

9. Después de permitir que el flóculo se asiente en el fondo durante 30 min., filtrar el

sobrenadante a través de un papel filtro.

10. Filtrar otros 100 a 150 mL de muestra.

11. Determinar la turbiedad, pH, metales totales y disueltos.

~- ' J

; ,' 1\

l

Figura 4.11 Equipo de prueba de jarras

Marca: PHIPPS & BIRD. Modelo: PB-900TM Programmable Jar Tester


89

90

4.3 Descripción del procedimiento para las pruebas de sedimentación

El procedimiento para llevar a cabo la determiilación de las curvas de sedimentación

es:

l. Una vez que transcurre el periodo de agitación, detener el agitador y anotar la

altura de la separación de fases sólida y líquida en el tiempo utilizando una escala

métrica graduada en centímetros y milímetros (ver figura 4.12)

2. Las mediciones se realizan durante 90 minutos totales hasta llegar a la etapa de

compresión, para esto se mide la interfase sólido-líquido desde el fondo del vaso. Se

anota las distancias cada 1 O minutos.

Figura 4.12 Mediciones para la construcción de la curva de sedimentación


91

4.4 Resultados

La muestra del agua que proviene del efluente de la mina Huanzalá (Cía. minera

Santa Luisa). Presenta las siguientes características:

Tabla 4.2 Características del efluente de la mina santa Iuisa.

Parámetro Unidad Valor

pH 2,24

Sólidos totales en suspensión m giL 449

Aceites y grasas m giL 8

Cianuro total m giL <1

Plomo total m giL 1,04

Cobre total m giL 23,72

Zinc total m giL 480

Hierro (Disuelto) m giL 548

Conductividad mS/cm 5,59

Sólidos sedimentables m giL 9

Turbidez NTU 929,4

DQO m giL 120

Los análisis de las aguas tratadas se realizaron utilizando Espectroscopia de

Absorción Atómica (Termo Elemental modelo Solar S-4).

Para realizar el diseño del experimento se uso el programa Minitab para ello se

realizaron una serie de experimentos preeliminares factoriales 2k, involucrando los

principales factores del proceso de tratamiento, las variables de operación que se

modificaron fueron dosis del coagulante (4 a 20 mL), velocidad de agitación (10 a 40

rpm) y el tiempo de agitación (6 a 12 minutos) con objeto de establecer sus

influencias en los procesos ensayados. Se realizaron 17 corridas en el experimento

con distintas variables de operación como se muestra en la Tabla 4.3.

92

Tabla 4.3 Valores asumidos del diseño experimental.

Orden Pt Factores codificados Factores

Corrida Central Bloques decodificados

Do Va~ Ta~ Do Va~ Ta~ 1 1 1 -1 1 -1 4 40 6 2 1 1 -1 -1 -1 4 10 6 3 1 1 1 1 1 20 40 12 4 1 1 -1 -1 1 4 10 12 5 1 1 1 -1 -1 20 10 6 6 1 1 -1 1 -1 4 40 6 7 1 1 1 -1 1 20 10 12 8 1 1 1 1 -1 20 40 6 9 1 1 1 1 -1 20 40 6 10 1 1 1 -1 -1 20 10 6 11 1 1 -1 1 1 4 40 12 12 o 1 o o o 12 25 9 13 1 1 1 1 1 20 40 12 14 1 1 -1 -1 -1 4 10 6 15 1 1 -1 1 1 4 40 12 16 1 1 -1 -1 1 4 10 12 17 1 1 1 -1 1 20 10 12

En la Tabla 4.4 se muestran los resultados de las concentraciones residuales en mg/L

de los metales estudiados luego del proceso de coagulación en los ensayos

experimentales realizados para el tratamiento del efluente de mina.

93

Tabla 4.4 Resultados de las concentraciones residuales del agua tratada contra los

factores del proceso.

Factores Concentración residual del

Orden decodificado agua tratada (mgiL)

corrida Met. Do Vag Tag Pb Cu Zn Fe

Tot

1 4 40 6 0,001 0,016 13,6 2,4 16,017

2 4 10 6 0,003 0,031 0,5 0,1 0,634

3 20 40 12 0,002 0,013 1 0,1 1,115

4 4 10 12 0,002 0,017 1,7 1,1 2,819

5 20 10 6 0,002 0,201 2,7 1,5 4,403

6 4 40 6 0,002 0,018 16,6 6,8 23,42

7 20 10 12 0,002 0,224 31 14,9 46,126

8 20 40 6 0,001 0,118 5,1 4,3 9,519

9 20 40 6 0,001 0,112 8,4 4,8 13,313

10 20 10 6 0,003 0,188 1,9 1,2 3,291

11 4 40 12 0,002 0,003 39 18 57,005

12 12 25 9 0,001 0,014 1 0,1 1,115

13 20 40 12 0,002 0,015 4,4 1,1 5,517

14 4 10 6 0,003 0,032 1,1 0,5 1,635

15 4 40 12 0,002 0,003 33,8 15 48,805

16 4 10 12 0,002 0,02 1,2 1,1 2,322

17 20 10 12 0,003 0,243 27 22,4 49,646

Ahora se evalúa el proceso en la etapa de sedimentación, es decir en la separación

por gravedad de las fases solido-liquido, luego del proceso de coagulación por el

equipo de jarras.

Las curvas de sedimentación se determinaron utilizando una escala métrica graduada

en centímetros y milímetros (ver Figura 4.12), observando la altura de la separación

de fases sólida y líquida en el tiempo.

94

Los factores del proceso son los mismos que se utilizaron en la primera parte del

experimento es decir Do, Vag y el Tag; pero ahora teniendo como respuesta el

tiempo crítico de sedimentación para determinar los valores de las respuestas se

tienen que construir las curvas de sedimentación (ver Figura 4.13).

Se realizaron nueve curvas de sedimentación, los datos de las alturas fueron tomados

del mismo diseño de experimento que se utilizo para las remociones de los metales

pesados con el uso del programa Minitab, involucrando los principales factores del

proceso de tratamiento, Dosis de coagulante, velocidad de agitación y Tiempo de

agitación. A cada curva se le asigno una codificación como se muestra en la

siguiente tabla:

Tabla 4.5 Valores asignados para las curvas de sedimentación

Codificación Factores del proceso

de la curva Do (mL) Vag (rpm) Tag (min)

Pl 4 10 6

P2 20 10 6

P3 4 10 12

P4 20 10 12

PS 4 40 6

P6 20 40 6

P7 4 40 12

PB 20 40 12

pg 12 25 9

En la Tabla 4.6 se muestra los valores obtenidos de la medición de las alturas

tomadas desde la base del vaso hasta la interfase sólido- líquido (ver figura 4.12),

durante el proceso de sedimentación por 90 minutos para cada uno de los

experimentos realizados:

95

Tabla 4.6 Valores para las alturas de la separación de las fases en el tiempo

tiempo Hl(cm}

(min) HZ(cm) H3 (cm) H4(cm) HS (cm) H6(cm} H7(cm) H8 (cm) H9(cm)

o 7,4 7,5 7,6 7,4 7,4 7,5 7,6 7,4 7,4

10 5,1 5,2 5,3 4,3 5,9 5,5 6,1 4,9 5,5

20 3,8 3,9 4,1 3 4,7 4,1 4,5 3,2 3,9

30 3,5 3,6 3,7 2,8 3,9 3,5 3,8 2,9 3,2

40 3,3 3,2 3,5 2,6 3,6 3,2 3,5 2,7 3

so 3,1 3 3,4 2,4 3,4 3 3,4 2,6 2,8

60 3 3 3,3 2,3 3,3 2,7 3,4 2,6 2,7

70 3 2,9 3,1 2,1 3,1 2,5 3,2 2,5 2,6

90 3 2,8 3,1 2,1 3,1 2,5 3,2 2,5 2,6

En la Figura 4.13 se muestran las curvas de sedimentación, la cual muestra las aturas

medidas desde el fondo de vaso hasta la interfase sólido- líquido en función del

tiempo.

Curvas de sedimentación 8

7 -+-Pl

6 -P2

§s _._P3 -·~ 4 ~P4 e

~3 ~PS ., 2 =O=P6

1 =t=P7

o =PB

.O 20 40 60 80 100 =P9 tiempo {min)

Figura 4.13 Curvas de sedimentación

96

En la Tabla 4. 7 se muestran los ensayos experimentales realizados para el

tratamiento del agua de mina teniendo como respuesta el tiempo crítico de

sedimentación.

Para que el tiempo crítico de sedimentación sea óptimo en el proceso de

sedimentación su valor tiene que ser el menor posible esto quiere decir que en un

menor tiempo la fase de sedimentación alcanza la etapa de compresión.

Gráficamente se tomo el punto en dónde la curva de sedimentación empieza a

convertirse asintótic~ a este punto se le denomina tiempo crítico de sedimentación.

Observamos la Figura 4.15, para la curva Pl, de esta Gráfica trazamos una línea

horizontal, e interceptamos el punto en donde la curva empieza a convertirse en

asintóti~ para esta curva Pl el tiempo crítico es 50 min.

8

7

6

ca S ü ~ 4 ! "' 3

2

1

o

r--l-

~

o

- ¡-1-"1 --rz-a r- -·f• ' f--

1 --

r= -- --

20

tlo!d ~~fl a ~a:: la -

-

--

-¡-

,____

r-- - - :-- .

-!

+- 1

- -t- -- r-• 1

+- -40 Tc=SO 60

tiempo

'

1

-

!__ 1--

:-...-· e tE ~\i a11Ut= -+-

-1

' -

=e

-

80 100

Figura 4.14 Trazado del tiempo crítico para la curva Pl

-P1

Con base en estos resultados obtenidos se determinó el tiempo crítico de

sedimentación para los demás factores del proceso asumido como se muestra en la

siguiente tabla.

Tabla 4.7 Resultados del tiempo crítico de sedimentación contra los factores del

proceso

T c:rftico Do(ml) Vag(rpm) Tag(min)

(m in)

4 40 6 66

4 10 6 50

20 40 12 64

4 10 12 66

20 10 6 64

4 40 6 64

20 10 12 68

20 40 6 68

20 40 6 70

20 10 6 66

4 40 12 68

12 25 9 68

20 40 12 64

4 10 6 52

4 40 12 70

4 10 12 68

20 10 12 66

97

98

5

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En este capítulo se analiza el efecto de las variables del proceso de coagulación con

sulfato ferroso aplicándose la parte estadística mediante Diagramas de Pareto,

gráficas de probabilidades y efectos principales para identificar que variable es la de

mayor significancia en la remoción de los metales estudiados, también se realiza el

análisis para determinar el punto óptimo en el cual el proceso de coagulación tiene

mayor eficiencia en la remoción de los metales aplicando gráficas de interacciones,

cubos, contornos y superficies.

De los resultados obtenidos en la parte experimental de la caracterización del

efluente de la mina Cía. Santa Luisa unidad de Huanzalá (ver tabla 4.2), se observa

que el principal problema es la contaminación por metales pesados, por ello el

estudio se basa en encontrar las mejores condiciones empleando el diseño de

experimentos por proceso de coagulación empleando el sulfato ferroso para la

remoción de los contaminantes y así el efluente de la mina pueda cumplir con el DS

010-2010 MINAM (ver Tabla 5.1). Donde se observa los valores con los que

comienza el efluente y hasta que punto se tiene que realizar la remoción de los

metales para cumplir con los límites máximos permisibles.

99

Tabla 5.1 Decreto supremo 010-2010-MINAM

Parámetro Unidad Límite en Límite para el Agua de cualquier promedio mina momento anual

pH m giL 5-9 6-9 2,24 Sólidos totales en m giL 50 25 449

suspensión Aceites y grasas m giL 20 16 8

Cianuro total m giL 1 0,8 <1 Arsénico total mg/L 0,1 0,08 -Cadmio total mg/L 0,05 0,04 -

Cromo hexavalente m giL 0,1 0,08 -Cobre total m giL 0,5 0,4 23,72

Hierro (Disuelto) mg/L 2 1,6 548 Plomo total m giL 0,2 0,16 1,04

Mercurio total mg/L 0,002 0,0016 -Zinc total m giL 1,5 1,2 480

Se utiliza el equipo de prueba de jarras, en el que se plantean diferentes condiciones

de operación para la remoción de los metales pesados (Pb, Cu, Zn, Fe), los factores

considerados para este proceso son: Dosis de Coagulante (Do), Velocidad de

agitación (Vag) y Tiempo de agitación (Tag).

Para este experimento se evaluaron 2 medidas de respuesta:

• En esta primera parte del estudio se tiene como respuesta el porcentaje de

remoción de los metales pesados (Pb, Cu, Zn, Fe), primero en forma

individual y luego se realiza una comparación con los metales totales como

un solo contaminante. Las remociones para el Pb, Cu, Zn y Fe se calcularon a

partir de sus valores iniciales mostrados en la tabla 5.1, lográndose

porcentajes de remoción del agua tratada dentro de los límites permitidos por

el Decreto Supremo 010-2010 MINAM. (Tabla 5.1), dependiendo esto de la

variación de los factores del proceso para cada metal.

• Como segunda medida de respuesta se tomo el tiempo crítico de

sedimentación, es decir, el tiempo en el que la fase sedimentada alcanza la

etapa de compresión el cual fue hallado de la curva de sedimentación altura

interface solido-liquido vs tiempo (ver Figura 4.13)

100

etapa de compresión el cual fue hallado de la curva de sedimentación altura

interface solido-liquido vs tiempo (ver Figura 4.13)

En la Tabla 5.2 se presentan los valores que toman las dos respuestas (remoción de

metales y tiempo crítico de sedimentación) para cada factor del proceso que ha sido

evaluado en el experimento.

Tabla 5.2 Evaluación de las respuestas del experimento frente a los factores del

proceso

Factores Tiempo critico

Orden decodificado Remoción de metales (%,) de

corrida sedimentación

Do Vag Tag Pb Cu Zn Fe Met. (mio) Tot

1 4 40 6 99,904 99,933 97,167 99,562 98,479 32 2 4 10 6 99,712 99,869 99,896 99,982 99,940 22 3 20 40 12 99,808 99,945 99,792 99,982 99,894 26 4 4 10 12 99,808 99,928 99,646 99,799 99,732 25 5 20 10 6 99,808 99,153 99,438 99,726 99,582 24 6 4 40 6 99,808 99,924 96,542 98,759 97,775 34 7 20 10 12 99,808 99,056 93,542 97,281 95,619 23 8 20 40 6 99,904 99,503 98,938 99,215 99,096 30 9 20 40 6 99,904 99,528 98,250 99,124 98,735 32 lO 20 10 6 99,712 99,207 99,604 99,781 99,687 25 11 4 40 12 99,808 99,987 91,875 96,715 94,585 34 12 12 25 9 99,904 99,941 99,792 99,982 99,894 31 13 20 40 12 99,808 99,937 99,083 99,799 99,476 28 14 4 10 6 99,712 99,865 99,646 99,909 99,845 20 15 4 40 12 99,808 99,987 92,958 97,263 95,364 32 16 4 10 12 99,808 99,916 99,750 99,799 99,779 23 17 20 10 12 99,712 98,976 94,375 95,912 95,284 24

Se realizan estudios de correlación del porcentaje de remoción contra los factores del

tratamiento (dosificación del coagulante, velocidad de agitación y tiempo de

agitación) encontrándose buena correlación entre los datos los cuales son

representados para cada metal estudiado de esta investigación. Para hallar esta

correlación se utilizo un ajuste factorial utilizando el programa Minitab, en el cual se

determina para cada metal cuales son las mejores condiciones experimentales, para

101

obtener una respuesta óptima en la remoción la cual cumpla con los límites

pennitidos del DS 010·2010 MINAM.

También se realiza un estudio de correlación teniendo como respuesta el tiempo

crítico de sedimentación, para determinar las condiciones experimentales para

obtener un proceso de sedimentación óptimo cuando se utiliza como coagulante el

sulfato ferroso en el efluente minero.

En la Tabla 5.3 se observa cual es el aporte de cada metal a la contaminación total de

metales pesados expresados en porcentaje.

Tabla 5.3 Concentración de metales en la muestra de agua ácida

Metal Concentración en la % metal en la muestra

muestra (ppm)

Pb 1,04 0,1

Cu 23,72 2,3

Zn 480 45,6

Fe 548 52

Met. Tot 1052,76 lOO

Esto es importante en el análisis que se realiza ya que se hace un estudio del efecto

de cada metal en las variables de operación, y al final se compara el efecto de estas

variables con el contenido de metales totales.

La condición principal para llevar a cabo el experimento fue llevar el efluente a tratar

a pH = 1 O con una solución de hidróxido de sodio al 1 O %~ este valor fue elegido

debido a que el coagulante en este rango de pH forma el hidróxido ferroso, este se

oxida en presencia de oxígeno disuelto o ambiental, a hidróxido férrico insoluble que

forma un flóculo gelatinoso y voluminoso de color pardo rojizo, que luego sedimenta

arrastrando los contaminantes· metálicos.

Formación del hidróxido ferroso:

102

Formación del hidróxido férrico:

Otra razón importante para trabajar en este rango de pH es que los contaminantes

metálicos del efluente de mina (Pb, Cu, Zn, Fe) forman hidróxidos insolubles los

cuales sedimentan con mayor facilidad en el proceso de coagulación.

Pb2+ + 20H" ~ Pb(OH)ú

Cu2+ + 20H-~ Cu(OH)ú

Zn2+ + 20H-~ Zn(OH)2i

Fe3+ + 30H-~ Fe(OH)3i

Kps Pb(Oflñ = 1,2 xl0-15

Kps Cu(OHh = 2,2 xlO "20

Kps Zn(OH)2 = 1,2 xi0-17

Kps Fe(OH)3 = 4,0 xi0-38

Teniendo en cuenta los valores de los Kps, el hidróxido férrico es el que precipita

primero, además de estar en mayor cantidad que los otros hidróxidos metálicos

presentes (ver Tabla 5.3).

En este caso como la dosis del coagulante excede el producto de solubilidad del

hidróxido metálico Fe(OH)3, se produce una precipitación rápida del hidróxido

gelatinoso que explica el fenómeno de remoción tanto de la turbidez como de los

metales contaminantes, en este caso, las partículas coloidales y los hidróxidos

metálicos que se encuentran en menor proporción son envueltas y físicamente

arrastradas por el precipitado de hierro. Como se muestra en la siguiente figura

Figura 5.1 Captura en un precipitado de hidróxido férrico

Los resultados de los estudios de correlación para cada metal estudiado se muestran

en el ítem 5.1.

103

S.l Ajuste factorial para el plomo

En esta sección realizamos el análisis de cómo afecta la variación de los factores del

proceso (Do, Vag, Tag), teniendo como respuesta a la remoción del plomo.

Para un experimento de tres variables como este, el modelo completo incluye los

efectos principales Do, Vag y Tag; las interacciones de segundo nivel Do*Vag,

Do*Tag y Vag*Tag y la interacción de tercer nivel Do*Vag*Tag estos son los siete

efectos que se han calculado a continuación:

Tabla 5.4 Efectos y coeficientes estimados para el Plomo

Termino Efecto Coef SECoef T p

Constante 99,8017 0,01041 9588,06 0,00 Do 0,012 0,006 0,01041 0,58 0,58 Vag 0,0841 0,0421 0,01041 4,04 0,004 Tag -0,012 -0,006 0,01041 -0,58 0,58

Do*Vag 0,012 0,006 0,01041 0,58 0,58 Do*Tag -0,0361 -0,018 0,01041 -1,73 0,122 Vag*Tag -0,0601 -0,03 0,01041 -2,89 0,02

Do*Vag*Tag 0,012 0,006 0,01041 0,58 0,58

s·= 0,0416358 R-cuadr= 81,25% R-cuadr(ajustado) = 62,50%

El valor de los efectos es calculado como el cambio total que ocurre cuando el factor

es movido del nivel -1 al nivel + 1, un cambio de dos unidades.

El coeficiente es el cambio total que ocurre con un cambio de una unidad, en un

factorial de dos niveles como el planteado en este experimento el coeficiente es la

mitad del efecto calculado.

De la Tabla 5.4 el P (P valor) <0,05 indica que son significativas la variable Vag y la

interacción Vag*Tag sobre la remoción del plomo en la muestra de agua ácida

104

El análisis de Pareto de minitab (ver Figura 5.2) muestra la magnitud del efecto

atribuido a cada factor e interacción, en el grafico se observa que para el factor Vag y

la interacción Vag*Tag su magnitud esta mas allá de la línea roja, lo cual indica que

es significativa para el proceso cuando se tiene como respuesta la remoción del

plomo con el alpha= 0,05.

B

Pareto Chart of the Standardized Effects (response is Plomo, Alpha = ,05)

2,306

BC ~:--''"_-~ ·- .·.:·:?_.:-:·--,- >,':.~: ::_,"_ .. :·"·--"-- ... ~- .;

e .-, ____ ""--

o 1 2 3 Standardlzed Effect

Factor Narre A Do B Yag e Tag

4

Figura 5.2 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el plomo

De la Figura 5.3 la hipótesis nula, para cualquier anova es que los factores no tienen

ningún efecto es decir que toda la variación es causada por error aleatorio. Si esto es

verdad un diagrama de probabilidad normal de los efectos será una línea recta cuanto

más lejano este cualquier efecto de la línea recta, es menos probable que la variación

atribuida a este efecto pueda provenir de la variación aleatoria, por ello de la Gráfica

de probabilidades (ver Figura 5.3) observamos que los efectos Vag y Vag*Tag son

significativos para el nivel de alpha = 0,05 seleccionado, además de confirmarse los

resultados obtenidos del análisis de Pareto.

99.

95

90

80 70

t! 60

~ 50

l. 40 30

20

10

S

1

Normal Probability Plot of the Standardlzed Effects (response is Plomo, Alpha =,OS)

ElfectType

105

1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 t 1 1 1 1 1 1 1 1 J • Not Significant __ J---~---~--~L---L--_L ___ L ___ L ___ L---L~--~---~---L---L--~---·

1 1 1 1 1 1 1 1 1 r 1 1 1 1 1 • Significant

1 1 1 1 1 1 1 1 1 ! 1 1 1 1 1

---f---+---+---+---+---+---t----t----t-- -~--+--+--+--+---11a- Factor Narre l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

__ J---~---~---L---L--_L ___ L ___ L__ L---L---L---L---L---L--~---: : : : : [ : :• ~ : : ¡ : l 1

--~---~---~---~---~---~---~---' ---~---~---~---~---~---~--~---

A Do B Vag e Tag

[ : ¡ : : : ¡ :. : : : : : i : -¡---~---~---,---~---y---r- --r---r---~---r---r---r---r---,---·

l 1 1 1 1 1 j 1 1 1 ' 1 1 1 1 --¡----r---T---¡----1·---T--- ·---¡·--r---¡----,....---r----r----¡---¡---

1 1 1 1 1 1 ! 1 1 t 1 1 1 1 1 -4-- -+---+---+--- -!~- --+- - .... -- -!---- t- ---J- ---1----1--- -!---- -1------!- --.

1 1 1 1 1 e1 r 1 t 1 1 1 1 1 1 _J ___ J ___ J ___ L ___ L ___ . ___ L ___ L ___ L ___ L ___ L ___ L ___ L---L--~---1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r 1 1 1 1 1 1 • 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

---1.---..l.---+----1-----l.. --J----~---f.- ___ .¡.. ___ ~---l----l----1----1----1---· ¡ 1 1 1 1 1 1 1 1 l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 j 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 1

--i·-oc~---t---1·- --t---t---¡---¡---¡---¡---¡----¡---¡---¡--"4---· 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

_J ___ ~ ___ J __ L---L~--~---L---L---L---L---L---L---L---L--~---· 1 1 1 ! 1 1 1 1 1 l J 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ' l 1 1 1 1 1 r 1 1 ' 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 1 ' 1 1

-3 -2 ~1 o 1 2 3 4 Standardized Effect

Figura 5.3 Gráfico de probabilidad nonnal de los efectos estandarizados para el

plomo.

De la Gráfica de efectos principales (ver Figura 5.4) podemos observar que la

respuesta es mejor a Vag altas, no hay una diferencia significativa en la cantidad de

coagulante dosificado o el tiempo de agitación de la muestra tratada.

99,90

99,85

o 99,80 E o ii: 99,75 111-o e 10 Q1 99,90 :E

99,85

99,80

99,75

Main Effects Plot (data means) for Plomo

Do Vag o D

/ ... / 4 12 20 10 25 40

Tag D

6 9 12

Figura 5.4 Gráfica de efectos principales para el plomo

106

PointType -.- Corner

- Center

De la Tabla 5.4 y de las Gráficas de Pareto, probabilidad de efectos estandarizados y

de efectos principales, se deduce que la variable de mayor significancia en el proceso

de remoción del plomo por coagulación con el sulfato ferroso es la velocidad de

agitación 01 ag), a mayor Vag la respuesta en la remoción del plomo aumenta.

Teniendo en cuenta que el efluente ácido de mina esta a pH=2, el plomo se encuentra

como el catión Pb +Z estable en la solución, el cual a un pH >9 se forma el precipitado

de color blanco, a pH> 12 se hidroliza (ver Figura 3.7), es por ello que el efluente es

tratado a pH= 1 O.

De la Tabla 4.2 se observa que la contaminación por plomo es baja 1,04 ppm,

además de la Tabla 5.3, se observa que el plomo aporta con el 0,1 % a la

contaminación de metales pesados totales en el efluente ácido, por lo que se tendrá

una muy pequeña cantidad del hidróxido de plomo formado en comparación con el

hidróxido férrico el cual proviene del sulfato ferroso y es responsable de la

formación de los flóculos en el proceso de coagulación, es por ello que la principal

variable del proceso de remoción es la Vag, ya que con una rápida agitación se

107

favorece una dispersión homogénea del coagulante adicionado y promueve

colisiones rápidas entre las partículas coloidales por lo tanto mejora el proceso de

floculación, formándose una serie de floculos de hidróxido férrico que arrastran al

contaminante metálico plomo el cual se encuentra en una mínima cantidad como

hidróxido de plomo.

Do

Interaction Plot (data means) for Plomo 10 25 40

¡;¡

~~

/ /

/ /

Vag

6 9 12

o

<>---

~ ---<>

o <>--_

------------o

.-----------Tag

99,92.-----------. Do Point Type

--e- 4 Corner - o- - 12 Center

99'84 --~- 20 Corner

99,76

99,92 r--------, Vag Point Type

--e- 10 Corner

99,84 - o- - 25 Center --4>--- 40 Corner

99,76

Figura 5.5 Gráfica de interacción para el plomo

Aunque solamente la interacción Vag*Tag era significativa, todos los factores fueron

incluidos para demostrar como lucen los diagramas de interacciones (figura 5.5).

Si las pendientes son opuestas la interacción es significativa, si son paralelas la

interacción no es significativa.

La interacción de Vag*Tag es la única estadísticamente significativa este grafico

muestra que las líneas no son paralelas pero no divergen muestran que en tiempos

más cortos a una mayor agitación el porcentaje de remoción es más alto.

Cuando la interacción es significativa en este caso Vag*Tag los mejores niveles se

escogen de la Gráfica de interacciones (Figura 5.5), por lo cual para una respuesta

mayor en la remoción es mejor trabajar a Vag = 40 rpm; Tag = 6 min, lo cual se

108

comprueba de la Gráfica de efectos principales (Figura 5.4), en la cual también se

observa que se obtienen mejores resultados a una dosificación mayor lo cual no

puede afirmarse ya que la diferencia no es muy significativa, por ello se sigue con el

análisis.

De la Gráfica de cubos observamos que Do = 20 m.L, nos da una mejor respuesta que

en 4, por ello seleccionamos Do = 20 mL, de las Gráficas interacciones Vag = 40

rpm; Tag = 6 min; ello también se comprueba de esta Gráfica ya que se observa la

mejor respuesta de remoción con esos factores hallados.

Cube Plot (data means) for Plomo

e Cent.erpoint • Factnrial Point

40

E!l

199,9038 1

Vag

Tag

10 4 20

Do

Figura 5.6 Gráfica de cubos para el plomo

De la Tabla 4.2 y la Tabla 5.1 se determina que para que el porcentaje de remoción

cumpla con las normas legales tiene que ser mayor al 84.62 % de la Gráfica de cubos

observamos que todos los puntos cumplen con esta condición.

En la Tabla 5.5 se observa que las interacciones que dan mejores resultados en la

remoción del plomo son cuando los factores toman los siguientes valores Do = 20

mL, Vag = 40 rpm y Tag = 6 minutos, tanto para interacciones de dos o los tres

factores.

109

Tabla 5.5 Medias de mínimos cuadrados para el Plomo

Media Error estándar

de la media Do 4 99,8 0,01472 20 99,81 0,01472

Vag 10 99,76 0,01472 40 99,84 0,01472

Tag 6 99,81 0,01472 12 99,8 0,01472

Do*Vag 410 99,76 0,02082

2010 99,76 0,02082 440 99,83 0,02082

2040 99,86 0,02082 Do*Tag

4 6 99,78 0,02082 20 6 99,83 0,02082 412 99,81 0,02082

2012 99,78 0,02082 Vag*Tag

10 6 99,74 0,02082 40 6 99,88 0,02082 10 12 99,78 0,02082 4012 99,81 0,02082

Do*Vag*Tag 410 6 99,71 0,02944

2010 6 99,76 0,02944 440 6 99,86 0,02944

2040 6 99,9 0,02944 41012 99,81 0,02944

2010 12 99,76 0,02944 44012 99,81 0,02944

20 40 12 99,81 0,02944

Media para punto central = 99,90

110

De la primera Gráfica de contornos para la interacción Vag*Do se puede observar

que cuando van aumentando los valores de la Vag y Do, la respuesta es mayor. De la

Gráfica para la interacción Tag*Do no puede decirse con precisión como varia la

respuesta en función de estos factores ya que el cambio no es muy significativo. En

la Gráfica de contornos para la interacción Tag*Vag, se observa que cuando el

tiempo es menor a una Vag mayor la respuesta es la mejor, por lo tanto para obtener

una r~oción optima en el proceso se tiene que trabajar con los valores más altos de

Vag y Do en el menor Tag propuesto en el experimento.

Contour Plots of Plomo

40 12,0

10,5 30

9,0

20 7,5

10 6,0 5 10 15 20 S 10 15 20

12,0

10,5

9,0

7,5

Figura 5. 7 Gráfica de contornos para el plomo

Plomo ~ < 99,75 • 99,75 - 99,80 • 99,80 - 99,85 • 99,85 - 99,90 • > 99,90

HotdValues Do 4 Vag 10 Tag 6

De la Gráfica de superficies (Figura 5.8) se pueden obtener las mismas conclusiones

que de las Gráficas de contorno que la respuesta optima de remoción se obtiene a

Vag = 40 rpm, Do= 20 mL y Tag = 6 minutos, lo cual concuerda con el análisis

realizado de las Gráficas de efecto, interacciones y de cubos.

99,90

Plomo 99,8580 99,

99,75

99,85

Plomo99,80

99,75

99,70 15""~--,-1..-

Surface Plots of Plomo

99,81

Plomo 99•78

99,75

99,72

Figura 5.8 Gráfica de superficies para el plomo

111

HoldValues Do 4 Vag 10 Tag 6

Del análisis realizado para el plomo puede observarse que el proceso de coagulación

con el sulfato ferroso es efectivo ya que indistintamente de los valores que tomen las

variables del proceso, la respuesta de remoción cumple con el DS 010-2010

MINAM, siendo la variable que afecta más al proceso la V ag.

112

5.2 Aiuste factorial para el ~obre


proceso (Do, Vag, Tag), teniendo como respuesta solo a la remoción del cobre.





Tabla 5.6 Efectos y coeficientes estimados para el Cobre

Termino Efecto Coef SECoef T p

Constante 99,6696 0,006368 15652,76 0,00 Do -0,5133 -0,2566 0,006368 -40,3 0,00 Vag 0,3468 0,1734 0,006368 27,23 0,00 Tag 0,0938 0,0469 0,006368 7,37 0,00

Do*Vag 0,2835 0,1418 0,006368 22,26 0,00 Do*Tag 0,0369 0,0184 0,006368 2,9 0,02 Vag*Tag 0,1486 0,0743 0,006368 11,67 0,00

Do*Vag*Tag 0,1465 0,0733 0,006368 11,5 0,00

S= 0,0254702 R-Sq = 99,76% R-Sq(adj) = 99,52%






De la Tabla 5.6 el P (P valor) <0,05 indica que todas las variables e interacciones

son significativas sobre la respuesta remoción del cobre en la muestra de agua ácida

El análisis de Pareto de minitab (ver Figura 5.9) se muestra la magnitud del efecto

atribuido a cada factor e interacción, en el grafico se observa que la mayoría de los

factores e interacciones están por encima de la línea roja como el factor Do, Vag; las

interacciones Do*Vag, Vag*Tag y Do*Vag*Tag, lo cual indica que todas ellas son

113

significativas del proceso cuando se tiene como respuesta la remoción del cobre con

el alpha= 0,05.

ABC '· '::

e

AC

o

Pareto Chart of the Standardized Effects (response is Cobre, Alpha = ,OS)

10 20 30 Standardized Effect

Factor Narre A 1))

B Vag e Thg

40

Figura 5.9 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el cobre

De la Figura 5.1 O la hipótesis nula, para cualquier ano va es que los factores no tienen





de probabilidades observamos que todos los efectos e interacciones son significativos

para el nivel de alpha = 0,05 seleccionado, además de confirmarse los resultados

obtenidos del análisis de Pareto.

Normal Probability Plot of the Standardized Effects (response is Cobre, Alpha = ,05)

99~~~--~--~--~~~~--~--~--~------------------~ 1

114

EffectType 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

• Not Significant

9s --~---~---~---~---~----~---~---~---~ ---~---r---r---t---t---t-, 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

90 ---+--+--+--+--+--+--+--+--+ --+---1----f----t---t--B¡--1 1 1 1 1 1 l 1 1 1 1 1 1 1 1

so __ j ___ j ___ j ___ j ____ :_ ___ l_ ___ l_ ___ L ___ ~ ___ L ___ L_ __ L ___ L_ __ i_ __ L l l l l i i i i l l l ¡ ¡lilA~ i

70 --~---~---~---~---~----~---~---~---1 ---~---~---~---~---L---L.

t! 60 --~---~---~---~---~----!----~---~---~----~---~~-~---+---+---+· § 50 ---~---~-----~----1-----i----l-----l-----~--- ----~---~•-ABc---i----\----+-cu 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 A. 403o --4----:---4----:---¡----:----:----¡--- ~---:--.-c~---¡---¡---¡---¡-

----{----{---i----:----1----~---:----r--- ~---r---t----r---+---+---+· 20 __ J ___ J ___ J ____ :_ __ j ____ L_ ___ L_ ___ l_ __ U~A~ __ L ___ L_ __ L __ l ___ l_

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 t 1 r 1 1 r 1 1 1 1 1 1 1 1 1 J 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

10 --~-Pr--¡---¡---¡----:----:----:----:----¡---:----¡---¡---t---¡---¡-1 1 1 1 1 l ¡ 1 1 1 1 1 1 J 1

S --~---~---~---~---~----~---~---~---~---~---t---t---t---t---t· : ¡ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l 1

1 i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 [ 1 1 l 1 1 1 1 1

1~_,~~~--~~~~!--~Jr-~1---rJ --~J~-rJ--~J---+J--~!---+! ___ :~-;J! -40 -30 -20 -10 o 10 20 30

Standardlzed Effect

• Slgnlficant

Factor Narre A Do B Vag e Tag


cobre

De la Gráfica de efectos principales (Figura 5.11) podemos observar que la respuesta

es mejor y se obtiene mayores porcentajes de remoción cuando las dosificación del

coagulante es menor a · Vag altas, no hay una diferencia muy significativa en el

tiempo de agitación de la muestra tratada, con respecto a los otros factores.

115

Main Effects Plot (data means) for Cobre

Do Vag PointType 100,0 ......--Comer []

--EJ-- Center

99,8

99,6

~ o 99,4 u 'a 4 12 20 10 25 40 e: 1i ca 100,0 CD 2 o

99,8

99,6

99,4 6 9 12

Figura 5.11 Gráfica de efectos principales para el cobre

De la Tabla 5.6 observamos que todas las variables son significativas por igual, pero

cuando analizamos las Gráficas de Pareto, probabilidad de efectos estandarizados y

efectos principales se observa que las variables de mayor significancia son la

dosificación (Do) y la velocidad de agitación (V ag), a menor Do y mayor V ag la

respuesta en la remoción del cobre es mejor.

Teniendo en cuenta que el efluente ácido de mina esta a pH=2, por lo que el cobre se

encuentra como el catión Cu +l estable en la solución ácida, el cual a un pH > 5,5 se

forma el precipitado Cu(OH)2, el cual se disuelve en medios muy básicos pH> 12

formándose la especie soluble Cual· (ver Figura 3.8), es por ello que el efluente es

tratado a pH= 1 O.

De la Tabla 4.2 se observa que la contaminación por cobre es baja 23,72 ppm en

comparación por los metales totales, además de la Tabla 5.3, se observa que el cobre

aporta con el 2,3 % a la contaminación de metales pesados totales en el efluente

ácido, por lo que se tendrá una pequefía cantidad del hidróxido de cobre formado en

comparación con el hidróxido férrico el cual proviene del sulfato ferroso y es

116

responsable de la formación de los flóculos en el proceso de coagulación, es por ello

que la principal variable del proceso de remoción es la Vag, ya que con una rápida

agitación se favorece una dispersión homogénea del coagulante adicionado y

promueve colisiones rápidas entre las partículas coloidales por lo tanto mejora el

proceso de floculación, formándose una serie de floculos de hidróxido férrico que

arrastran al contaminante metálico cobre el cual se encuentra en una mínima cantidad

como hidróxido de cobre.

Bajas dosis de coagulante favorecen al proceso de remoción ya que los metales son

arrastrados junto con las partículas por el mecanismo de captura en el hidróxido

férrico o captura por barrido si las concentraciones del coagulante son mayores es

posible que se produzca la reestabilización de las partículas coloidales ya que el

exceso de coagulante es absorbido en la superficie de la partícula, produciendo una

carga invertida a la carga original, por lo que las fuerzas de repulsión vuelven a

tomar relevancia y no se formen flóculos. ,es por ello que la Do es una variable

significativa en el proceso de remoción.

Do

Interaction Plot (data means) for Cobre

10 25 40 6 9 12 .---.'----....Jn'----:'-e'----;.---•'----....JJJ'----....J•-,_ 100'0 .-----Do-P-o-int_T_yp_e---,

----------<> <>----99,5

-e- 4 Comer - a- - 12 Cen!Er --<>--- 20 Comer

'--------~~----~~~o~o.---------. -~-------<> Vag Point Type

<>_,--- -e- 10 Comer - a- - 25 Center

Vag .. • 99,5 --<>--- 40 Comer

,__ _____ ___,... 99,0

Tag

Figura 5.12 Gráfica de interacción para el cobre

117

En la Figura 5.12 observaremos como lucen los diagramas de interacciones, si las

pendientes son opuestas la interacción es significativa, si son paralelas la interacción

no es significativa.

La interacción Do*Vag es estadísticamente significativa este grafico muestra que a

menor dosificación agitándolo a una mayor velocidad el porcentaje de remoción es

más alto.

La interacción de Vag*Tag es también estadísticamente significativa este grafico

muestran que en tiempos más largos a una mayor agitación el porcentaje de remoción

es más alto.

De la interacción Do*Tag se observa que son líneas paralelas por lo cual no es

significativa, lo cual se puede corroborar del grafico de Pareto.

Cuando las interacciones son significativas en este caso Do*Vag y Vag*Tag los

mejores niveles se escogen de la Gráfica de interacciones (figura 5.12), por lo cual

para una respuesta mayor en la remoción es mejor trabajar a Do = 4 mL; Vag = 40

rpm; Tag = 12 min, lo cual se comprueba de la Gráfica de efectos principales (Figura

5.11).

De la Gráfica de cubos observamos que a Do = 4 mL; Vag = 40 rpm; Tag = 12 min,

nos da una mejor respuesta lo cual coincide con el análisis realizado anteriormente en

los gráficos de interacciones y efectos principales.

118

Cube Plot (data means) for Cobre

e. Centerpoint 199,9874 1 199.9410 1 • Factorial Point

40

$

199,9410 1

Vag

Tag

10 6 4 20

Do

Figura 5.13 Gráfica de cubos para el cobre



observamos que todos los puntos cumplen con esta condición.


remoción del cobre son cuando los factores toman los siguientes valores Do = 4 mL,

Vag = 40 rpm y Tag = 12 minutos, tanto para los tres factores como para las

interacciones de dos o tres factores.

119

Tabla 5. 7 Medias de mínimos cuadrados para el cobre

Media Error estándar de

la media Do 4 99,93 0,009005 20 99,41 0,009005

Vag 10 99,5 0,009005 40 99,84 0,009005

Tag 6 99,62 0,009005 12 99,72 0,009005

Do*Vag 410 99,89 0,012735

2010 99,1 0,012735 440 99,96 0,012735

2040 99,73 0,012735 Do*Tag

4 6 99,9 0,012735 20 6 99,35 0,012735 412 99,95 0,012735

2012 99,48 0,012735 Vag*Tag

10 6 99,52 0,012735 40 6 99,72 0,012735 10 12 99,47 0,012735 4012 99,96 0,012735

Do*Vag*Tag 410 6 99,87 0,01801

2010 6 99,18 0,01801 440 6 99,93 0,01801

2040 6 99,52 0,01801 41012 99,92 0,01801

20 10 12 99,02 0,01801 44012 99,99 0,01801

204012 99,94 0,01801

Media para pWlto central = 99,94

120

De la primera Gráfica de contornos para la interacción V ag*Do se puede observar el

factor que predomina es la Do, ya que cuando disminuye este factor la respuesta es

mayor, no dependiendo del valor que pueda tomar la V ag. De la Gráfica para la

interacción Tag*Do se observa el mismo comportamiento que en la primera cuando

la Do es menor se obtiene una mayor respuesta no dependiendo del valor que tome

Tag. En la Gráfica de contornos para la interacción Tag*Vag, la respuesta es

prácticamente la misma en cualquier punto, salvo cuando ambos factores toman su

valor máximo en este caso la respuesta es mayor, por lo tanto para obtener una

remoción optima en el proceso se tiene que trabajar con los valores más altos de Vag

y Tag a una menor Do propuesto en el experimento.

Contour Plots of Cobre

12,0 Cobre e < 99,2

10,5 • 99,2- 99,4 • 99,4- 99,6 • 99,6- 99,8

9,0 • 99,8- 100,0 • > 100,0 7,5

HoldValues Do 4

6,0 S 10 15 20 Vag 10

Tag 6

Figura 5.14 Gráfica de contornos para el cobre

121

De la Gráfica de superficies se pueden obtener las mismas conclusiones que de las

Gráficas de contorno que la respuesta optima de remoción se obtiene a Do = 4 mL,

Vag = 40 rpm y Tag = 12 minutos, lo cual concuerda con el análisis realizado de las

Gráficas de efecto, interacciones y de cubos.

99,8 Cobre 99,6

99,4 99,2

Cobre 99,95

99,90

Surface Plots of Cobre

99,75 Cobre 99,50

99,25

99,00

Figura 5.15 Gráfica de superficies para el cobre

HoldValues [b 4 Vag 10 Tag 6

Del análisis realizado para el cobre puede observarse que el proceso de coagulación

con el sulfato ferroso es efectivo ya que indistintamente de los valores que tomen las

variables del proceso, la respuesta de remoción cumple con el DS 010-2010

MINAM, teniendo como variables principales del proceso a la Vag y la Do.

122

5.3 Ajuste factorial para el zinc

En esta sec~ión realizamos el análisis de cómo afecta la variación de los factores del

proceso (Do, Vag, Tag), teniendo como respuesta a la remoción del zinc.





Tabla 5.8 Efectos y coeficientes estiniados para el zinc

Term Effect Coef SE Coef T p

Constant 97,531 0,1141 854,61 0,000 Do 0,693 0,346 0,1141 3,03 0,016 Vag -1,411 -0,706 0,1141 -6,18 0,000 Tag -2,307 -1,154 0,1141 -10,11 0,000

Do*Vag 3,687 1,844 0,1141 16,16 0,000 Do*Tag -0,052 -0,026 0,1141 -0,23 0,825 Vag*Tag 0,510 0,255 0,1141 2,24 0,056

Do*Vag*Tag 2,693 1,346 0,1141 11,80 0,000

S= 0,456495 R-cuadr = 98,63% R-cuadr(ajustado) = 97,27%






De la Tabla 5.8 el P (P valor) <0,05 indica que son significativas casi todas las

variables a excepción de las interacciones Do*Tag y V ag*Tag sobre la respuesta

remoción del zinc en la muestra de agua ácida.

El análisis de Pareto de minitab (Figura 5.16) muestra la magnitud del efecto

atribuido a cada factor e interacción, en el grafico se observa que para las

interacciones Do*Vag, Do*Vag*Tag y los factores Tag, Vag, Do sus magnitudes

123

están mas allá de la línea roja, lo cual indica que todas ellas son significativas del

proceso cuando se tiene como respuesta la remoción del zinc con el alpha= 0,05.

Pareto Chart of the Standardized Effects (response is Zinc, Alpha = ,05)

4 6 8 10 12 14 16 Standardized Effect

Factor Name A Do B Vag e Tag

18

Figura 5.16 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el zinc






de probabilidades observamos que los efectos para las interacciones Do*Vag,

Do*Vag*Tag y los factores Tag, Vag son significativos para el nivel de alpha = 0,05

seleccionado, además de confirmarse los resultados obtenidos del análisis de

Pareto.

99

95

90

80 70

\1 60

~ 50 cu 40 D.

30 20

10

5

t

Normal Probability Plot of the Standardized Effects (response is Zinc, Alpha = ,OS)

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

----1-----'-----L----.I.. ____ J. ___ -..1-----L----L ____ ,L _____ ¡_ ___ _¡ _____ l 1 1 1 1 1 1 1 . 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r 1 1

---~-----:----+----+----+-- -+---+---+----+-----!----+--~ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ___ .J ____ _¡ _____ L ____ J.. ____ J. ___ .J _____ L ____ L ____ J _____ J ____ _¡ ____ _

! ! ! : : : : : : •J,\BC : : --~----~-----~----~----~----~-----~----~----L----~----~-----

1 ¡ l ¡ : l11A l l l ¡ l ¡ ---~----~-----r----T----~ ---,-----r----r----r----,----~-----r

---~----~---- -~---- ~---- ' ____ ~-----l-----~----+----~----~-----' 1 1 t 1 1 1 l 1 1 1 1

---~----~-----~----+---- -~--~-----~----~----~----4----~-----1 1 1 1 1 1 1 l 1 1 1

---~----~-----r----+--- -1----~-----r----f----+----i----~-----~ 1 1 •BI 1 1 1 1 1 1 1 1 1

--~----~-----~----L----~----~-----~----~----L----~----~----~ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 j 1 1 1 1 J J

---~-c--¡-----¡----t- --t----¡-----¡----¡----t----¡----¡-----; 1 1 1 1 f ! 1 1 1 1 1 1

__ J----~-----L----L- --~----J-----L----L----~----~----~----~ 1 1 ! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1 1 1 1 [ 1 1 1 1 1 1 1 1

! ! 1 ! ! ! 1 ! ! ! !

-10 -5 O S 10 1S Standardlzed Effect

EffectType • Not Significant • Slgnlficant

Factor Narre A Do 8 vag e Tag

124

Figura 5.17 Gráfico de probabilidad normal de los efectos estandarizados para el zinc

De la Gráfica de efectos principales (ver Figura 5.18) podemos observar que la

respuesta es mejor a Vag bajas y Tag cortos, no hay una diferencia significativa en la

cantidad de coagulante dosificado en la muestra tratada.

125

Main Effects Plot {data means) for Zinc

100 Do Vag PolntType

D D -corner

99 -a-- Center

98

~ 97

Ñ 96 .... o 4 12 20 10 25 40 1:

Ta i 100 D

. 99

98

97

96 6 9 12

Figura 5.18 Gráfica de efectos principales para el zinc

De la Tabla 5.8 observamos que todas las variables son significativas por igual, pero

cuando analizamos las Gráficas de Pareto, probabilidad de efectos estandarizados y

efectos principales se observa que las variables de mayor significancia son el tiempo

de agitación (Tag) y la velocidad de agitación (Vag), a menor Tag y menor Vag la

respuesta en la remoción del zinc es mejor.

Teniendo en cuenta que el efluente ácido de mina se encuentra a un pH=2, por lo que

el Zinc se encuentra como el catión zn+2 estable en solución ácida, el cual a un pH =

7,5 comienza a precipitar el Zn(OH)z de color blanco, a pH> 11,5 se hidroliza (ver

Figura 3.9), es por ello que el efluente es tratado a pH= 1 O.

De la Tabla 4.2 se observa que la contaminación por zinc es alta 480 ppm, además de

la Tabla 5.3, se observa que el zinc aporta con el 45,6 % a la contaminación de

metales pesados totales en el efluente ácido, por lo que se tendrá una cantidad

considerable del hidróxido de zinc formado, además del hidróxido férrico el cual

proviene del sulfato ferroso y es responsable de la formación de los flóculos en el

proceso de coagulación, para poder realizar un análisis de lo que sucede en el

proceso de coagulación del zinc debemos de considerar lo siguiente:

Zn2+ + 20H-~ Zn(OH)ú

Fe3+ + 30H-~ Fe(OH)3~

Kps Zn(OH)2 = 1,2 xi0-17

Kps Fe(OH)3 = 4,0 xi0-38

126

Teniendo en cuenta los valores de los Kps, el hidróxido férrico es el que precipita

primero, además de estar en mayor cantidad que el hidróxido de zinc, ambos

hidróxidos son insolubles por lo que sedimentan con mayor facilidad en el proceso

de coagulación.

Al haber una gran cantidad de precipitado es necesario que la agitación sea la más

baja posible para no romper los flóculos que han sido formados esto en el menor

tiempo del proceso de coagulación, ya que un excesivo tiempo de mezcla puede

llevar a la rotura de los flóculos ya formados, resultando, como consecuencia de ello,

una perdida en la eficiencia del proceso todo ello favorece a la remoción optima del

zinc.

Interaction Plot (data means) for Zinc 10 25 40 6 9 12

o o 100,0 Do Polnt Type

~~Á> <:>., - 4 Corner

~ ~'' ' - o- - 12 Center ,~

,~~ ' 97,5 --<>--- 20 Corner Do <:¡¡~' "$

95,0

~ 100,0

Vag PointType - 10 Corner -o-- 25 Center

97,5 --<>--- 40 Corner Vag '-, ''-,,,<>

95,0

Tag

Figura 5.19 Gráfica de interacción para el zinc

Aunque solamente la interacción Do*Vag era significativa, todos los factores fueron

incluidos para demostrar como lucen los diagramas de interacciones (ver Figura

127

5.19). Si las pendientes son opuestas la interacción es significativa, si son paralelas

la interacción no es significativa.


menor dosificación agitándolo a una velocidad mínima el porcentaje de remoción es

más alto.


muestran que en tiempos más cortos a una agitación menor el porcentaje de remoción

es más alto.



Cuando la interacción es significativa en este caso Do*Vag los mejores niveles se

escogen de la Gráfica de interacciones (Figura 5.19), por lo cual para una respuesta

mayor en la remoción es mejor trabajar a Do = 4 mL; Vag = 1 O rpm, lo cual se

comprueba de la Gráfica de efectos principales (Figura 5.18), en la cual también se

observa que se obtienen mejores resultados a una velocidad de agitación menor en un

tiempo más corto.

De la Gráfica de cubos observamos que Do = 4 mL, nos da una mejor respuesta que

en 20, por ello seleccionamos Do = 4 mL, de las Gráficas interacciones Vag = 1 O

rpm; Tag = 6 min; ello también se comprueba de esta Gráfica ya que se observa la

mejor respuesta de remoción con esos factores hallados.

128

Cube Plot (data means) for Zinc

e Centerpoint • Factorial Point

40

EB 199,7920 1

Vag

Tag

10 4 20

Do

Figura 5.20 Gráfica de cubo para el zinc



se observa que el único punto que cumple con el DS 010-2010 MINAM es justo el

que da los mejores resultados en cuanto a la remoción Do = 4mL, Vag = 1 O rpm y

Tag = 6 minutos.


remoción del zinc son cuando los factores toman los siguientes valores Do = 4 mL,

Vag = 10 rpm y Tag = 6 minutos, tanto para interacciones de dos o los tres

factores.

129

Tabla 5.9 Medias de mínimos cuadrados para el zinc

Media Error estándar de la media

Do 4 97,18 0,1614

20 97,88 0,1614 Vag 10 98,24 0,1614 40 96,83 0,1614

Tag 6 98,68 0,1614 12 96,38 0,1614

Do*Vag 410 99,73 0,2282

2010 96,74 0,2282

440 94,64 0,2282

2040 99,02 0,2282

Do*Tag 4 6 98,31 0,2282

20 6 99,06 0,2282

412 96,06 0,2282 2012 96,70 0,2282

Vag*Tag 10 6 99,65 0,2282 40 6 97,72 0,2282 10 12 96,83 0,2282 4012 95,93 0,2282

Do*Vag*Tag 410 6 99,83 0,3228

2010 6 99,52 0,3228 440 6 96,85 0,3228

2040 6 98,59 0,3228 41012 99,70 0,3228

20 10 12 93,96 0,3228 44012 92,42 0,3228

20 4012 99,44 0,3228

Media para punto central= 99,79

130

De la primera Gráfica de contornos para la interacción V ag*Do se puede observar el

factor que predomina es la V ag, ya que cuando disminuye este factor la respuesta es

mayor, no dependiendo del valor que pueda tomar la Do. De la Gráfica para la

interacción Tag*Do se observa que cuando la Do y el Tag son los menores se obtiene

una mayor respuesta. En la Gráfica de contornos para la interacción Tag*Vag, el

factor que predomina es la Vag ya que cuando esta disminuye la respuesta aumenta

no dependiendo del valor que tome el Tag, por lo tanto para obtener una remoción

optima en el proceso se tiene que trabajar con los valores más bajos de Vag y Tag a

una menor Do propuesto en el experimento.

Contour Plots of Zinc

S 15 20

10 20 30 40

Figura 5.21 Gráfica de contornos para el zinc

Zinc • < 93 • 93- 94 • 94- 95 .95-96 .96· 97 .97-98 .98- 99 • > 99


131



Vag = 10 rpm y Tag = 6 minutos, lo cual concuerda con el análisis realizado de las


100

Zinc 99

98

'17

Surface Plots of Zinc

100

Zinc 98

96

94

Figura 5.22 Gráfica de superficies para el zinc

Hold Values Do 4 Vag 10 Tag 6

Del análisis realizado para el zinc puede observarse que el proceso de coagulación

con el sulfato ferroso es efectivo cuando los factores son Do = 4 mL, Vag = 1 O rpm y

Tag =6 minutos en este momento la respuesta de remoción cumple con el DS 010-

2010 MINAM, teniendo como factores principales del proceso de coagulación para

el zinc al Tag y a la V ag.

132

5.4 Aiuste factorial para el hierro


proceso (Do, V ag, Tag), teniendo como respuesta a la remoción del hierro.



Do*Tag y V ag*Tag y la interacción de tercer nivel Do*Vag*Tag estos son los siete


Tabla 5.1 O Efectos y coeficientes estimados para el hierro

Termino Efecto Coef SE Coef T p

Constante 98,9131 0,1058 934,60 o Do -0,1209 -0,0604 0,1058 -0,57 0,584 Vag -0,2213 -0,1106 0,1058 -1,05 0,326 Tag -1,1884 -0,5942 0,1058 -5,61 0,001


Do*Vag*Tag 1,4758 0,7379 0,1058 6,97 0,000 CtPt 1,0687 0,4364 2,45 0,040







De la Tabla 5.10 el P (P valor) <0,05 indica que son significativa la variable Tag y

las interacciones Do*Vag, Vag*Tag y Do*Vag*Tag sobre la respuesta remoción del

plomo en la muestra de agua ácida



interacciones Do*Vag y Do*Vag*Tag y el factor Tag sus magnitudes estan mas alla

133

de la línea roja, lo cual indica que son significativas para el proceso cuando se tiene

como respuesta la remoción del hierro con el alpha= 0,05.

ABC

e

BC

B

A

AC

o 1

Pareto Chart of the Standardized Effects (response is Hierro, Alpha = ,05)

2,306

- ,... ' ' ~ d • • "";• ' •••• ~~ • ·'•

- ,<· •' '. ·~- ~-' "'

2 3 4 5 6 7 Standardized Effect

Factor Nane A Do e vag e Tag

8

Figura 5.23 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el hierro

De la Figura 5.24la hipótesis nula, para cualquier anova es que los factores no tienen



más lejano este cualquier efecto de la linea recta, es menos probable que la variación


de probabilidades observamos que las interacciones DoVag y DoVag*Tag y el factor

Tag son significativos para el nivel de alpha = 0,05 seleccionado, además de

confirmarse los resultados obtenidos del análisis de Pareto.

99

95

90

80 70

~ 60 § so :. 40

30 20

10

S

1

134

Normal Probability Plot of the Standardized Effects (response is Hierro, Alpha = ,OS)

1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

J-----L----L----~----~-----L----L ---~---~J-----L----L----~---1 1 1 1 1 l 1 1 1 1 1 1

Effed:Type • Not Significant • Slgnlficant

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1----+----t-----t----+----:-----' ----t----+---+----1-----lf AB Factor Narre 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 1 ¡ 1 1 1 1 1 1 1

A r.o J-----L----L----~----J _____ L ___ -L----~----~-----L----L----~---1 l i l l l l i l i i •A~ J-----~----~----~----~-----~----L----~----~-----~----L----~---

B Vag e Tag

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ., 1 1 1 1 r----,-----,----,----.,-----,. ---,----,----.,-----r----,----T--· r 1 ' ' 1 ' t 1 t , '· , 1-----r-----~~---- 'i----...,---- --- --r----'1'----;- ----r----r-- ---r--' 1 1 f 1 1 l 1 1 1 1 1 -----~----~----+----~--- -~----~----~----~-----~----~----*--

' 1 1 1 1 e r 1 1 1 r 1 1

,-----r----t-----+----l-- --(----t-----+----l-----r----t-----+--· '-----L----~----1-___ J~ ___ L ____ L ____ l ____ J _____ L ____ L ____ j __ _ 1 1 1 ·1 1 1 1 1 f 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 f 1 1 1 1 1 r 1 1 1 1 1 1 1 , --·-e:-----¡----¡----·,-----¡----¡----¡---- i -----¡----r----¡--· 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ¡ t 1

J-----~----L----~--- J-----L-~--L----~----~-----L----L----~---1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r 1 1 1 1 1 r 1 1 1 a r 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l 1 1 1 E 1 ~ 1 1 ! ! 1 l 1 ! ! 1

-5,0 -2,5 0,0 2,5 5,0 7,5 Standardized Effect


hierro

De la Gráfica de efectos principales (Figura 5 .25}, podemos observar que la

respuesta es mejor a Tag cortos, no hay una diferencia significativa en la cantidad de

coagulante dosificado o en la velocidad de agitación de la muestra tratada.

135

Main Effects Plot (data means} for Hierro

Do Vag PointType 100,0 D D ---e- Corner

-a--- Center

99,5

99,0 .. ~

~ 98,5 CP %! '5 4 12 20 10 25 40 e Tag lg 100,0 D CP %

99,5

~ 99,0

~ 98,5

6 9 12

Figura 5.25 Gráfica de efectos principales para el hierro

La Tabla 5.10 indica que la variable más significativa en el proceso de remoción del

hierro por coagulación con el sulfato ferroso es el tiempo de agitación (Tag), a menor

Tag la respuesta en la remoción del hierro es mejor.

Teniendo en cuenta que el efluente ácido de mina se encuentra a un pH=2, por lo que

el hierro se encuentra como el catión Fe+2 estable en la solución, el cual a un pH >9

se forma el precipitado de color amarillento-rojizo (ver Figura 3.6), es por ello que el

efluente es tratado a pH= 10.

De la Tabla 4.2 se observa que la contaminación por hierro es_ alta 548 ppm, además

de la Tabla 5.3, se observa que el hierro aporta con el 52% a la contaminación de

metales pesados totales en el efluente ácido , debido a ello se forma gran cantidad de este

precipitado, a ello se debe adicionar el precipitado férrico producido por el coagulante

sulfato ferroso, cabe resaltar que la cantidad de hierro que se tenía en un inicio en el efluente

no era suficiente como para producir la cantidad necesaria de hidróxido férrico que pueda

formar los flóculos que sean capaces de arrastrar los contaminantes metálicos así como a las

partículas coloidales que generan la turbidez, es por ello que se tiene que adicionar el

coagulante sulfato ferroso, para que se de la captura por barrido.

136

Debido a la gran cantidad de hidróxido férrico presente en la solución como flóculos

que arrastran a los contaminantes, el tiempo de agitación debe de ser el menor

posible, ya que un excesivo tiempo de mezcla puede llevar a la rotura de los flóculos

ya formados, resultando, como consecuencia de ello, una perdida en la eficiencia del

proceso, es por ello que la principal variable del proceso de remoción es el Tag.

Do

Interaction Plot (data means) for Hierro 10 25 40 6 9

o o 12

100 Do Peint Type ---.- 4 Cerner - o- - 12 Center

99 --~- 20 Cerner

L---------~~~----~o~-----t~Ho~----------~ Vag Peint Type

---.- 10 Cerner - o- - 25 Center

Vag 99 --~- 40 Cerner

¡___ __________ ..}- 98

Tag

Figura 5.26 Gráfica de interacción para el hierro


incluidos para demostrar como lucen los diagramas de interacciones (Figura 5.26)

Si las pendientes son opuestas la interacción es significativa, sí son paralelas la

interacción no es significativa.

La interacción Do*Vag es estadísticamente significativa el grafico muestra que a


más alto.

La interacción de Vag*Tag también estadísticamente significativa el grafico

muestran que en tiempos cortos a una agitación menor el porcentaje de remoción es

más alto.

137

La interacción de Vag*Tag también estadísticamente significativa el grafico

muestran que en tiempos cortos a una agitación menor el porcentaje de remoción es

más alto.


significativa, lo cual se puede corroborar del gra:fico de Pareto.


escogen de la Gráfica de interacciones, por lo cual para una respuesta mayor en la

remoción es mejor trabajar a Do= 4 mL; Vag = 10 rpm, lo cual se comprueba de la

Gráfica de efectos principales, en la cual también se observa que se obtienen mejores

resultados a una velocidad de agitación menor.

De la Gráfica de cubos (ver Figura 5.27) observamos que Do= 4 mL, nos da una

mejor respuesta que en 20, por ello seleccionamos Do = 4 mL, de las Gráficas

interacciones Vag = 1 O rpm; Tag = 6 min; ello también se comprueba de esta Gráfica

ya que se observa la mejor respuesta de remoción con esos factores hallados.

Cube Plot (data means) for Hierro

e Centerpolnt • Factorial Point

40

Vag

10 4

Do

Figura 5.27 Gráfica de cubos para el hierro

138


cumpla con las normas legales tiene que ser mayor al99.71 %de la Gráfica de cubos

se observa que los puntos que cumple con el DS 010-2010 MlNAM son los

mostrados en la Tabla 5.11.

Tabla 5.11 valores de los factores que cumplen con la norma

Do(mL) Vag(rpm) Tag (minutos)

4 10 6

4 10 12

10 10 6


remoción del hierro son cuando los factores toman los siguientes valores Do = 4 mL,

Vag = 10 rpm y Tag = 6 minutos, tanto para interacciones de dos o los tres

factores.

139

Tabla 5.12 Medias de mínimos cuadrados para hierro


la media Do 4 98,97 0,1497 20 98,85 0,1497

Vag 10 99,02 0,1497 40 98,80 0,1497

Tag 6 99,51 0,1497 12 98,32 0,1497

Do*Vag 410 99,87 0,2117

2010 98,18 0,2117 440 98,07 0,2117

2040 99,53 0,2117 Do*Tag

4 6 99,55 0,2117 20 6 99,46 0,2117 412 98,39 0,2117

2012 98,24 0,2117 Vag*Tag

10 6 99,85 0,2117 40 6 99,17 0,2117 1012 98,20 0,2117 4012 98,44 0,2117

Do*Vag*Tag 410 6 99,95 0,2993

2010 6 99,75 0,2993 440 6 99,16 0,2993

2040 6 99,17 0,2993 41012 99,80 0,2993

20 10 12 96,60 0,2993

44012 96,99 0,2993 204012 99,89 0,2993


140

De la primera Gráfica de contornos para la interacción Vag*Do se puede observar el

factor que predomina es la Vag, ya que cuando disminuye este factor la respuesta es



una mayor respuesta. En la Gráfica de contornos para la interacción Tag*Vag, se

observa que cuando el Tag y la V ag son los menores se obtiene una mayor respuesta,

por lo tanto para obtener una remoción optima en el proceso se tiene que trabajar con

los valores más bajos de Vag y Tag a una menor Do propuesto en el experimento.

Contour Plots of Hierro

12,0 Hierro

• < 97,0

10,5 • 97,0- 97,5 • 97,5- 98,0 • 98,0- 98,5

9,0 • 98,5- 99,0 • 99,0- 99,5

7,5 • 99,5- 100,0

• > 100,0 6,0

S 10 15 20 Hold Values Do 4 Vag 10 Tag 6

Figura 5.28 Gráfica de contornos para el hierro.

141



Vag = 1 O rpm y Tag = 6 minutos, lo cual concuerda con el análisis realizado de las


Hklrro 99,6

99,2

100

Hierro 99

98

'11

Surface Plots of Hierro

lOO

99 Hierro

98

'11

Figura 5.29 Gráfica de superficies para el hierro.


Del análisis realizado para el hierro puede observarse que el proceso de coagulación

con el sulfato ferroso es efectivo cuando los factores toman los valores de la Tabla

5.11, en ese momento la respuesta de remoción cumple con el DS 010-2010

MINAM, teniendo en cuenta que la respuesta optima para el proceso de remoción es

cuando los factores son Do = 4 mL, Vag = 1 O rpm y Tag, , siendo el factor principal

del proceso de coagulación para el hierro el Tag.

142

S.S Ajuste factorial para los metales totales

Primero debemos de tener en cuenta que el efluente ácido de mina se encuentra a un

pH=2, por lo que los metales estudiados se encuentra como cationes estables en la

solución, los cuales a un pH >9 empiezan a precipitar en sus respectivos hidróxidos.


proceso (Do, Vag, Tag), teniendo como respuesta a la remoción de los metales en

conjunto, es decir cómo un total para ello simplemente se realizo la suma de sus

masas (Pb, Cu, Zn, Fe) con esto se realizara una comparación con el análisis que se

realizo para cada metal en los estudios anteriores.





Tabla 5.13 Efectos y coeficientes estimados para los metales totales

Termino Efecto Coef SECoef T p Constante 98,3050 0,0771 1275,44 o

Do 0,2350 0,1175 0,0771 1,52 0,166 Vag -0,7550 -0,3775 0,0771 -4,90 0,001 Tag -1,6775 -0,8387 0,0771 -10,88 0,000


Do*Vag*Tag 1,9925 0,9963 0,0771 12,93 0,000 CtPt 1,5850 0,3178 4,99 0,001


De la Tabla 5.13 el P (P valor) <0,05 indica que son significativas casi todas las

variables e interacciones a excepción de la Do y Do*Tag sobre la respuesta

remoción de los metales totales en la muestra de agua ácida.

143



interacciones Do*Vag y Do*Vag*Tag y los factores Tag y Vag sus magnitudes

están más allá de la línea roja, lo cual indica que son significativas para el proceso

cuando se tiene como respuesta la remoción de los metales totales con el alpha=

0,05.

AB

ABC

e

e B CP ... BC

A

AC

o 2

Pareto Chart of the Standardized Effects (response is Met. Tot, Alpha = ,05)

4 6 8 10 12 14 16 Standardized Effect

Factor Name A Do B Vag e Tag

18

Figura 5.30 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para metales totales

De la Figura 5.31la hipótesis nula, para cualquier anova es que los factores no tienen





de probabilidades observamos que las interacciones Do*Vag y DoVag*Tag y los

factores Tag y Vag son significativos para el nivel de alpha = 0,05 seleccionado,

además de confirmarse los resultados obtenidos del análisis de Pareto.

99

95

90

80

70 ~ 60

~ 50 ID 40 Q.

30

20

10

S

1

Normal Probability Plot of the Standardized Effects (response is Met. Tot, Alpha = ,05)

1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 f 1 1 J 1 1 1

----~----~----L---~----L--.-L---J----L----L---J----L---~----~· t 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r 1

----~----+----r---~----t----t---1----+----t---~----t-~A~---+ 1 1 1 1 1 1 1 ! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

----~----~----L---~----L --L---~----L----L---~----L---~----~-l l l : J : l 1 J :¡JJABq ¡ : ----~----~----~---~----k ---~---4----~----~---~----L---~----~-

r : : : : : • a:~ : : : : : : ----,----,----r---,----¡----r---,----y----r---,----r---,----,. -- --~--- ... ~---~~~--~-- --. -~~· -:----~---- ~--~-~---~-- ~ -~ ---~~-- ... ~

1 1 r 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -- ---1--- -+----!--- ·- -f---- +---- _,_-- --t----+----1-----+ --- -~------1- -- -+-

1 1 1 1 1 j i 1 1 1 J 1

-----:----+----:----l--- +----r----1----+----:----i----t-----:-----t ____ J ____ l----~~--J__ _l ____ L ___ J ____ l ____ L ___ J ____ L ___ j ____ l

1 1 1 1 1 1 J 1 1 1 ! 1 1 1 ' 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 J 1 1 J 1 1 1 1 1 1 1 1 1

~--.-~---t----:----~1-- -¡----:----1----¡----¡---¡----¡----¡----¡ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 r 1 r r

---~----i----L---J-~--L----L---~----~----L---~----L---~----~-1 1 1 1 1 J 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ! 1 1 1 l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

! ! ! ! ! ! ' ! ! 1 ! ! 1

-10 -5 O S 10 15 20 standardized Effect

EffectType

• Not Significant • Signitlcant

Factor Na n-e A Do 6 Yag e Tag

Figura 5.31 Gráfico de probabilidad normal de los efectos estandarizados para

metales totales

144

De la Gráfica de efectos principales (Figura 5.32) podemos observar que la respuesta

es mejor a Tag cortos, no hay una diferencia significativa en la cantidad de

coagulante dosificado o en la velocidad de agitación de la muestra tratada.

100

99

99

98

.. 4

6

Main Effec:ts Plot (data means) for Met. Tot

Do Vag o o

..... ---- --------. 20 10 25 40

9 12

PolntType --.- Corner -w-- Center

Figura 5.32 Gráfica de efectos principales para los metales totales

145

De la Tabla 5.13, las Gráficas de Pareto, probabilidad de efectos estandarizados y

efectos principales se observa que las variables de mayor significancia son el tiempo

de agitación (Tag) y la velocidad de agitación (Vag), a menor Tag y menor Vag la

respuesta en la remoción del zinc es mejor.

Recordemos que la solución es tratada a pH=l O, por lo que los metales estudiados se

encuentran como precipitados formando su respectivo hidróxido, realizando una

comparación con los estudios de los metales anteriores se observa que estas Gráficas

coinciden con las del Zn y el Fe, teniendo como principal variable al tiempo de

agitación esto quiere decir que debido a la alta concentración de estos metales en el

agua ácida, se forma una gran cantidad del precipitado por ello es necesario que la

agitación sea la más baja posible para no romper los flóculos que han sido formados

esto en el menor tiempo del proceso de coagulación, todo ello favorece a la remoción

de los metales totales.

146


incluidos para demostrar como lucen los diagramas de interacciones (ver Figura

5.33). Si las pendientes son opuestas la interacción es significativa, si son paralelas

la interacción no es significativa.

Interaction Plot (data means) for Met. Tot 10 25 40 6 9 12

Q D 99,9 Do Point Type /~

' - 4 Corner

, ,.,. - o- - 12 Center .,..,. 98,7

Do ,-"' , --+--- 20 Corner

<!7~ ,

97,5

~ 99,9 Vag Polnt Type - 10 Corner 98,7 -o-- 25 Center

Vag ,, --+--- 40 Comer -............ _ ........ 97,5

Tag

Figura 5.33 Gráfica de interacción para metales totales



más alto.


muestran que en tiempos más cortos a una agitación menor el porcentaje de remoción

es más alto.





remoción es mejor trabajar a Do= 4 mL; Vag = 10 rpm, lo cual se comprueba de la

147

Gráfica de efectos principales, en la cual también se observa que se obtienen mejores

resultados a una velocidad de agitación menor.

De la Gráfica de cubos (ver Figura 5.34) observamos que Do= 4 mL, nos da una

mejor respuesta que en 20, por ello seleccionamos Do = 4 mL, de las Gráficas

interacciones Vag = 10 rpm; Tag = 6 min; ello también se comprueba de esta Gráfica

ya que se observa la mejor respuesta de remoción con esos factores hallados.

Cuba Plot (data means) for Met. Tot


40

Vag

10 4 20

Do

Figura 5.34 Gráfica de cubos para los metales totales

En la Tabla ·5.14 se observa que las interacciones que dan mejores resultados en la

remoción de los metales totales son cuando los factores toman los siguientes valores

Do= 4 mL, Vag = 10 rpm y Tag = 6 minutos, tanto para interacciones de dos o

los tres factores.

148

Tabla 5.14 Medias de mínimos cuadrados para los metales totales


la media Do 4 98,19 0,1090

20 98,42 0,1090 Vag 10 98,68 0,1090 40 97,93 0,1090

Tag 6 99,14 0,1090 12 97,47 0,1090

Do*Vag 410 99,82 0,1542

2010 97,54 0,1542 440 96,55 0,1542

2040 99,30 0,1542 Do*Tag

46 99,01 0,1542 20 6 99,28 0,1542 412 97,37 0,1542

2012 97,57 0,1542 Vag*Tag

10 6 99,76 0,1542 40 6 98,53 0,1542 10 12 98,60 0,1542 4012 97,33 0,1542

Do*Vag*T_~

410 6 99,89 0,2180 2010 6 99,64 0,2180 440 6 98,13 0,2180

2040 6 98,92 0,2180 41012 99,76 0,2180

201012 95,45 0,2180

44012 94,98 0,2180 20 40 12 99,69 0,2180


149

De la primera Gráfica de contornos para la interacción Vag*Do se puede observar el

factor que predomina es la Vag, ya que cuando disminuye este factor la respuesta es



una mayor respuesta. En la Gráfica de contornos para la interacción Tag*Vag, se

observa que cuando el Tag y la Vag son los menores se obtiene una mayor respuesta,

por lo tanto para obtener una remoción optima en el proceso se tiene que trabajar con

los valores más bajos de Vag y Tag a una menor Do propuesto en el experimento.

Contour Plots of Met. Tot

40 12,0

10,S 30

9,0

. . . . . ·~

Met Tot D < 96 .96-97 .97-98 ·98-99 • >99

20 7,S HoldValues

Do 4

10 6,0 S 10 1S 20 S 10 . 1S 20

Vag 10 Tag 6

12,0

10,5

9,0

7,S

6,0 10 20 30 40

Figura 5.35 Gráfica de contornos para los metales totales

De la observación de las Gráficas de contornos, se pone de manifiesto que para el

menor tiempo de mezcla ensayado ( 6 minutos) se consigue la mayor eliminación de

metales, sin embargo al elevar el tieinpo de mezclas puede llevar a la rotura de los

flóculos ya formados resultando como consecuencia de ello una perdida en la

eficacia del proceso por ello el tiempo de mezclas de 6 minutos es el más idóneo.

150



Vag = 1 O rpm y Tag = 6 minutos, lo cual concuerda con el análisis realizado de las


100,0

99,5 Met. Tot

99,0

98,5

100,0

Mtlt..Tot 97,5

95,0

Surface Plots of Met. Tot

Met. Tot 97,5

Figura 5.36 Gráfica de superficies para los metales totales


Del análisis realizado para los metales totales puede observarse que coincide con el

análisis que se realizo para el cada metal por separado en especial con los metales

que se encuentran en mayor cantidad como el Zn y el Fe esto quiere decir que la

remoción depende principalmente del metal que se encuentre en mayor cantidad ya

que de este se forma el precipitado el cual interactúa principalmente con el tlóculo

formado, la respuesta optima para el proceso de remoción de los metales totales es

cuando los factores son Do = 4 mL, Vag = 1 O rpm y Tag, lo cual coincide con el

análisis que se realizo para cada metal , teniendo como factores principales del

proceso de coagulación para los metales totales al Tag y a la V ag.

151

5.6. Tiempo critico de sedimentación

Se realizaron estudios de correlación del tiempo crítico de sedimentación contra los

factores del tratamiento (dosificación del coagulante, velocidad de agitación y tiempo

de agitación) encontrándose buena correlación entre los datos. Para hallar esta

correlación se utilizo el programa Minitab utilizando los datos de la Tabla 4.7.

Los resultados del estudio teniendo como respuesta del proceso al tiempo crítico de

sedimentación se detallan a continuación:

Primero realizamos el análisis de cómo afecta la variación de los factores del proceso

(Do, Vag, Tag), teniendo como respuesta al tiempo crítico de sedimentación, es

decir, el tiempo en el que la fase sedimentada alcanza la etapa de compresión, para

un experimento de tres variables como este, el modelo completo incluye los efectos

principales Do, Vag y Tag; las interacciones de segundo nivel Do*Vag, Do*Tag y

Vag*Tag y la interacción de tercer nivel Do*Vag*Tag estos son los siete efectos que

se han calculado a continuación:

Tabla 5.15 Efectos y coeficientes estimados para el tiempo crítico de sedimentación

Termino Efedo Coef SECoef T p

Constante 64,625 0,3307 195,41 o Do 3,250 1,625 0,3307 4,91 0,001 Vag 4,250 2,125 0,3307 6,43 0,000 Tag 4,250 2,125 0,3307 6,43 0,000

Do*Vag -3,750 -1,875 0,3307 -5,67 0,000 Do*Tag -5,750 -2,875 0,3307 -8,69 0,000 Vag*Tag -4,750 -2,375 0,3307 -7,18 0,000

Do*Vag*Tag 1,250 -0,625 0,3307 1,89 0,095 CtPt 3,375 1,3636 2,48 0,038


De la Tabla 5.15 el P (P valor) <0,05 indica que casi todas las variables e

interacciones son significativas a excepción de Do*Vag*Tag sobre la respuesta

tiempo crítico de sedimentación en la muestra de agua ácida.

152

El análisis de Pareto de minitab (ver figura 5.3 7) se muestra la magnitud del efecto

atribuido a cada factor e interacción, en el grafico se observa que la mayoría de los

factores e interacciones están por encima de la linea roja como el factor Do, Vag y

Tag; las interacciones Do*Vag, Vag*Tag y Do*Vag*Tag, lo cual indica que todas

ellas son significativas del proceso cuando se tiene como respuesta la remoción del

cobre con el alpha= 0,05.

~ GJ ...

AC ... ·3.'~

BC

e

B

AB

A

Pareto Chart of the Standardized Effects (response is T crítico, Alpha == ,OS)

2,306

' . '·.~' ' ' ' \ .. _',

<.." '\ ··; • ·-· ".

. ' ·~ ' ' . .

' .. , ~ ~- ~ .. :'. .

ABC ··- · --- c.-

o 1 2 3 4 S 6 7 8 standarclized Effed:

Factor Narre A Do B vag e Tag

9

Figura 5.37 Diagrama de Pareto de efectos estandarizados para el tiempo crítico de

sedimentación



verdad un diagrama de probabilidad normal de los efectos será una linea recta cuanto

más lejano este cualquier efecto de la linea recta, es menos probable que la variación


de probabilidades observamos que todos los efectos e interacciones son significativos

para el nivel de alpha = 0,05 seleccionado, además de confirmarse los resultados

obtenidos del análisis de Pareto.

153

Normal Probability Plot of the Standardized Effects (response ls T crftico, Alpha = ,OS)

99~~--~--~--~---~~--~--~--;---~--~---r.~--~~--~--~-, 1 1 1 1 1 1

1 1 1 ! 1 1 1. 1 1 1 1 1 1 1

95 ~----¡---i----r---1----~---t----¡----~---t --~----~---t---~---

EffectType

• Not s lgnificant • Signlficant

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

90 -t-----t---+---t-----t---+---t----{---+---.'---~---+---t---~·-C- Factor Narre 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l 1

A Do 80 -L---2---~----L---2----L ___ L ___ J ____ L ___ L---~----L---L---~---

: l l l l l l l l l l l l i•B 70 _,_ ___ ..¡ ___ _, ____ ,_ ___ ..¡ ____ I----J-----1----l- __ J_ ___ ..¡ ____ ,_ ___ J_ ____ , ___ _

1!f 60 -~---4----!----~---4----!----+---4----! ---+---~----~---~~--~---~ 50 -~---~ ---~----~---~ ----i-----t----~----~--- -.:----~----:--- --t----~---- 1 1 1 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1 1 ~ 40 ¡----:---l----¡-i~B----¡---¡---¡----¡---¡---¡----¡---¡---¡---

30 -t-----{---i----t-----¡----~---t---1-- -~---t---~----~---t---~---·

B Vag e Tag

20 _L ___ J_ __ J~~L-_J ____ :__ ___ L __ _¡_ ___ :__ ___ L __ J ____ :__ ___ L __ J ___ _ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ¡ 1 1 1 1 r 1 1 1 ' 1 t r 1 1 1

10 -¡---.-Ac¡----¡----:----¡---¡---·, ----¡---¡---¡----¡---¡---¡---' t 1 r 1 r 1 1 1 r r 1 1 1

S -¡----1---i----L----¡---+----¡--- ·-1----r-----t---i----:----t---i---· 1 1 1 1 r t 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 i 1 ! l ! ! ! ! 1 1 1 ! !

-10,0 -7,5 -5,0 -2,5 0,0 2,5 5,0 Standardized Effect


tiempo critico de sedimentación.

154

Main Effects Plot (data means) for T crítico Do V, PointType

68 D D ---- Corner -a-- Center

66

8 '64

= '6 62

1-4 12 20 10 25 40 'S

~ e m 68 o ID ::e:

66

64

62 6 9 12

Figura 5.39 Gráfica de efectos principales para el tiempo crítico de sedimentación

De la Tabla 5.20, las gráficas de Pareto, probabilidad de efectos estandarizados y

efectos principales se observa que las tres variables son de igual significancia la

dosificación (Do), velocidad de agitación (V ag) y el tiempo de agitación (Tag),

cuando estas tres variables toman el menor valor, la respuesta en el tiempo crítico de

sedimentación es el menor posible en el proceso de sedimentación.

Los flóculos formados en la etapa de coagulación empiezan a decantar en la etapa de

sedimentación, para que el. tiempo crítico de sedimentación sea el menor posible es

necesario que estos flóculos estén bien formados y puedan decantar sin ningún

problema para ello es necesario que en la etapa de coagulación haya sido formado en

las mejores condiciones en los anteriores estudios donde se tuvo como respuesta la

remoción de los metales se discutió que era necesario para que el proceso sea óptimo

que las tres variables del proceso tomaran los valores mínimos, la dosificación debe

ser la menor posible para no formar un exceso de flóculos ya que se comprobó que

con la cantidad mínima del sulfato ferroso adicionada es suficiente para arrastrar

todos los contaminantes presentes en el efluente ácido, la velocidad de agitación

155

debe ser la menor posible para no romper los flóculos que han sido formados, el

tiempo de agitación debe de ser el menor posible, ya que un excesivo tiempo de

mezcla puede llevar a la rotura de los flóculos ya formados, todo ello influye en el

proceso de sedimentación ya que una cantidad menor de flóculos bien formados

sedimentan en menor tiempo haciendo el proceso más óptimo.

Interaction Plot (data means) for T critico 10 25 40 6 9

D D

7 <>-------

Vag

12 68 Do PolntType

---.-- 4 Comer

64 - o- - 12 Center __ ...__ 20 Comer

60

68 Vag Polnt Type ---.-- 10 Comer

64 - o- - 25 Center __ ...__ 40 Comer

60

Figura 5.40 Gráfica de interacción para el tiempo crítico de sedimentación.

Ahora observamos la Figura 5.40, si las pendientes son opuestas la interacción es

significativa, si son paralelas la interacción no es significativa


menor dosificación agitándolo a una velocidad mínima el tiempo crítico es el menor

en el proceso de sedimentación.


muestran que en tiempos más cortos a una agitación menor el tiempo crítico es el

menor en el proceso de sedimentación.

156

De la interacción Do*Tag se observa que es estadísticamente significativa este

grafico muestra que a menor dosificación agitándolo en el menor tiempo el tiempo

crítico es el menor en el proceso de sedimentación



remoción es mejor trabajar a Do= 4 mL; Vag = 10 rpm y Tag= 6 min, lo cual se

comprueba de la Gráfica de efectos principales (ver figura 5.39), en la cual también

se observa que se obtienen mejores resultados cuando las variables asumen los

valores más bajos.

De la Gráfica de cubos (ver figura 5.41) observamos que cuando los factores toman

los siguientes valores: Do= 4 mL, Vag = 10 rpm y Tag = 6 min; nos da una mejor

respuesta ya que el tiempo crítico de sedimentación es el menor posible en el disefio

experimental planteado.

Cube Plot (data means) for T cñtico

40 1 1 1

1 t6sl

Vag ~------------

51 10

4

/ 1

1

Do 20

12

Tag

6

Figura 5.41 Gráfica de cubos para el tiempo crítico de sedimentación


157

En las tres Gráficas de contornos (Figura 5.42) se observa el mismo comportamiento

cuando ambos factores que intervienen en la interacción de la gráfica toman los

valores· más bajos planteados en el experimento se obtiene una mejor respuesta ya

que el tiempo crítico de sedimentación toma los valores más bajos, con ello

corroboramos lo analizado en la Gráfica de cubos se obtiene una mejor respuesta

cuando los factores toman los siguientes valores: Do = 4 mL, Vag = 1 O rpm y Tag = 6min.

12,0

10,5

9,0

7,5

6,0

Contour Plots of T critico

¡ ;

S 10 15 20

1 .

L·¡

' ' '

-----··1 10 20 30 40

1 . .. 1 •• ; ... ~ .. . ... " -····-- -

1 1 . . '

·~L·• ·: • 1 . . ' .

5 10 15 20

Figura 5.42 Gráfica de contornos para el tiempo crítico de sedimentación

Toítico Q <52 • 52- 56 • 56- 60 • 60- 64 ·64- 68 • > 68


De cara al diseño de un sedimentador se analizo la velocidad de agitación sobre el

tiempo crítico, determinándose que a una velocidad de agitación menor los coágulos

formados a esta velocidad sedimentan en menor tiempo; ocupando un menor

volumen y originando un mayor volumen de líquido claro. Se estudio también la

influencia del tiempo de mezcla sobre el tiempo crítico de sedimentación,

poniéndose de manifiesto que en un tiempo de mezcla bajo 6 minutos es el óptimo

para llevar a cabo el proceso de coagulación, ya que favorece la formación de

158

coágulos fuertes (de tamaño adecuado) y resistentes a la agitación, resultando un

liquido clarificado de buenas características.

Con este tiempo se consigue que los coágulos arrastren gran cantidad de metales con

una velocidad de sedimentación aceptable.

159

7

CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados mostrados, se establecen las siguientes conclusiones:

l. En función del análisis que se realizo por medio del minitab, teniendo como

respuesta la mayor la remoción de los metales, se logró encontrar:

la) El punto con las mejores condiciones para el tratamiento de remoción de los

iones metálicos Pb+2, Cu+2

, zn+2, Fe+3 en el efluente minero son:

Do = 4 mL; V ag = 1 O rpm; Tag = 6 minutos

lb) Teniendo como respuesta el menor tiempo crítico de sedimentación, se logró

encontrar un punto con las mejores condiciones para el tratamiento del agua de mina:

Do = 4 mL; Vag = 1 O rpm; Tag = 6 minutos

Por tanto el punto con las mejores condiciones que se hallo para este diseño de

experimento en el proceso de coagulación es con las siguientes condiciones:

Do= 4 mL; Vag = 10 rpm; Tag = 6 minutos

Ya que favorecen a un proceso de remoción de metales óptimo, a un tiempo crítico

de sedimentación menor.

2. Se lograron concentraciones residuales en el agua tratada que satisfacen el DS

010-2010 MINAM de límites máximos permisibles para la descarga de efluentes

líquidos de actividades mineras.

160

En la tabla 5.16 se muestran las características del agua residual tratada, se muestra

la concentración mínima alcanzada en el punto óptimo para el tratamiento del agua y

los límites máximos permisibles del DS 010-2010 MINAM.

Tabla 5.16 Concentración del agua tratada y lo permitido por el DS 010-2010

Valores alcanzados en el Características del agua

tratamiento con sulfato Permitidos por el DS 010-

tratada 2010 (mg!L) ferroso (mg!L)

Pb 0.003 0.2

Cu 0.032 0.5

Zn 0.8 1.5

Fe 0.3 2

pH 8 5-9

8

RECOMENDACIONES

161

l. Evaluar la viabilidad del proceso de remoción utilizando el sulfato ferroso como

coagulante a nivel escala para utilizarlo en la industria, empleando las condiciones

óptimas halladas en este estudio.

2. Realizar pruebas con efluentes de otras industrias para reducir sus contaminantes

empleando el disefio experimental y el análisis que se ha llevado a cabo en el

presente estudio para hallar las condiciones óptimas para su tratamiento.

162

BIBLIOGRAFÍA

[1] Andía Cárdenas, Y o landa. Tratamiento de agua: Coagulación y floculación. Evaluación de plantas y Desarrollo tecnológico. Sedapal. Lima. 2000. p. 8-28

[2] Soto, A. Coagulación y floculación de contaminantes del agua. Revista: Ciencia abierta Vol. 15. Universidad de Chile. Disponible en: http:/ /cabierta.uchi1e.cllrevista/15/home.html.

[3) Gómez Puente, Alejandro. Remoción de materia orgánica por Coagulación -Floculación. Universidad Nacional de Colombia. Manizales. 2005. p. 13-46

[4] Vargas, Lidia. Barrenechea, Ada. Tratamiento de agua para consumo humano. Plantas de filtración rápida. Manual I: Teoría. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. Lima. 2004. p. 177-198

[5] AguiJar, M. Tratamiento Físico-químico de aguas residuales Coagulaciónfloculación. Universidad de Murcia. Servicio de publicaciones. 2002. p. 41-42

[6] Rodríguez Salcedo, Carlos. Uso y control del proceso de coagulación en plantas de tratamiento de agua potable. Universidad de Sucre. 2008. p. 43-53

[7] Gilarranz, Redondo. Hemández, Calvo. Operación de flujos de fluidos: Sedimentación. Universidad Autónoma de Madrid. Área de ingeniería química. p. 1-4 Disponible en: http:/ /www.uam.es/personal _pdilciencias/mgilarra!Fluid/Sedimentacion%202006-2007.pdf

[8] I. Martín, R. Salcedo. Mecánica de fluidos tema 5: Operaciones separación sólido- fluido. Universidad de Alicante. 2011. p. 5

[9] Cortés Ruíz, Velasco. Procesos de extracción y concentración de minerales. Universidad Nacional Autónoma de México. 2010. p. 10. Disponible en: http://galeon.com/quimica3ccb!MINEROMET /Sepycon.pdf

[10] Santander, M. Paiva, M. Tratamiento de riles del sector minero-metalúrgico y reutilización de las aguas. Universidad de Atacama. Revista de la facultad de ingeniería. 2011. p. 11-15

[11] Zumaran Farfán, Jesús. Barbosa Filho. Predicción del potencial de drenaje ácido de mina en relaves mineros. Centro de Tecnología Mineral, CETEM-Met.-Brasil. Revista el Ingeniero de Minas Edición N° 27. Rio de Janeiro. 2004. p. 24-27

[12] Skousen, J. Simmons, J. Acid-base accounting to predict pot-mining drainage quality on surface mines. Journal Environmental Quality 2002 Tomo 6 cap. (31 ). p. 2034-2044

163

[13] Carlos J. Pérez, Honores. Gestión del riesgo en medio ambiente drenaje ácido de Roca (DAR). CJP - Ingenieros Asociados Servicios de Ingeniería y Consultoría Octubre 2003. p. 1-6

[14] Osvaldo Aduvire. Drenaje Ácido de Min~ generación y Tratamiento. Instituto Geológico y Minero de España Dirección de Recursos Minerales y Geoambiente Madrid 2006. p. 6-29

[15] Aduvire, O. y Aduvire, H. "Aguas Ácidas de mina: Caracterización, mineralogía y microbiología. Revista INGEOPRES 141 España 2005. p. 52-62

[16] Cravotta, C. Rose, A. Frequency distribution ofthe pH of coal mine drainage in Pennsylvania Contamination from hard-rock mining. waste-resources USA, Vol. 1, sección D. p. 313-325

[ 17] Burriel Martí. Química analítica cualitativa. Thomson editores Spain. 18° edición, 5° impresión. 2008.

[18] Higueras, Pablo. Minería y medio ambiente. Departamento de Ingeniería Geológica y Minera. Universidad de Castilla-La Mancha, Almadén (Ciudad Real), España. Disponible en: http://www.uclm.es/users!higueras!MAM!Index.htm

[19] Robert Moran. Impactos ambientales en la minería, algunas notas sobre su costo económico. Asociación Interamericana para la Defensa del Ambiente (AIDA). Disponible en: http://www.aida-americas.org/es/mineria#Recursos _Ambientales _y_ T _ cnicos

[20] American Public Health Association (APHA), 2005. Eaton, A.D, Clesceri, L.S, Rice, E.W, and Greenberg, A.E (eds), Standard Methods for the Examination of Water and W astewater. 21 st ed, American Water Works Association, Water Pollution Control Federation. Washington, DC.

164

GLOSARIO

Área de revegetación: Zona donde se devuelve el equilibrio o restaura la cubierta vegetal ya que sus formaciones vegetales originales están degradadas o alteradas.

Bulk.: Cuando la especie útil se presenta en fracción menor del mineral y la especie esteril son de gran volumen.

Coalescencia: Es el proceso en el que dos dominios de fase de composición esencialmente idéntica entran en contacto para formar un dominio de fase mayor.

Colectores: Son sustancias orgánicas que se adsorben en la superficie del mineral, confiriéndole características de repelencia al agua (hid.rofobicidad).

Concentrado Bulk: Concentrado que contiene más de un metal con valor comercial.

Cono inhoff: Recipiente cónico transparente, generalmente de 1 litro de capácidad y graduado cerca de su cúspide, utilizado para la determinación del volumen de materias decantables en las aguas.

165

Cuneta: Zanja o canal dispuestos a los lados de las vías de circulación para recoger y evacuar las aguas de lluvia.

p---.---:.¡ .. !.'. ¡·''-1 ' !;'"".

~-· ',

Dispersante: es un aditivo que se utiliza para lograr que un soluto tenga distribución y dispersión en un disolvente.

Dique: Es un muro que se utiliza para evitar el paso del agua, puede ser natural o artificial, por lo general de tierra y paralelo al curso de un río o al borde del mar.

Dique rio grande- Y anacocha

166

Embalse: Un embalse es una acumulación artificial de agua en un ambiente natural. Es producto de una acción humana ejecutada para acopiar agua para fines de su uso y/o consumo.

Embalse Huaytará -Huancavelica

Ensamblaje de equipo de filtración: el armado del equipo de filtración es como se muestra en la siguiente figura.

Bomba de vacio

" Espesador: es un aparato de separación continua de sólido-líquido, en el que los sólidos en suspensión se dejan decantar, produciendo un rebose de agua clarificada y un lodo concentrado en la descarga.

Espumante: Son agentes tensoactivos que se adicionan a objeto de: estabilizar la espuma, disminuir la tensión superficial del agua, mejorar la cinética de interacción burbuja - partícula, disminuir el fenómeno de unión de dos o más burbujas ( coalescencia)

Estatores o deflectores: Los deflectores de las jarras son pequeñas paletas verticales añadidas a los lados de la jarra de mezclado para mejorar la eficiencia de la mezcla.

167

Evitan que se forme un vórtice en el centro del depósito, que no es la forma más efectiva de mezclado. Los deflectores de las jarras son generalmente paletas planas que se colocan de manera uniforme en los lados de las jarras.

Estériles o residuos: Es todo material sin valor económico extraído para permitir la explotación del mineral útil.

Filtraciones: son aquellas causadas por la penetración directa de agua en el interior de las construcciones a través de los muros.

Galería: Una galería es una excavación en forma de túnel generalmente de suave pendiente y sección apreciable (1,5 a 2 metros de alto por 0,6 a 1,2 metros de ancho), con un nivel de agua libre que discurre por su fondo.

Meteorización: Se llama meteorización a la desintegración y descomposición de una roca en la superficie de la tie1Ta, o en su defecto, próxima a la misma, como resultado de la exposición a agentes atmosféricos y con participación de agentes biológicos.

Modificadores: Pueden ser activadores, depresores o modificadores de pH, se usan para intensificar o reducir la acción de los colectores sobre la superficie del material.

Muros pantalla: constituyen un tipo de cimentación profunda, que actúa como un muro de contención y brinda muchas ventajas por ahorro de costes y mayor desarrollo en superficies.

Preparación del catalizador para el análisis de DQO: añádanse A~S04, a H2S04 concentrado en la proporción de 5.5 g de Ag2S04/ Kg de H2S04. Déjese reposar 1 o 2 días para disolver A~S04.

168

Preparación de la solución de digestión para el análisis de DQO: añadir a unos 500 mL de agua destilada, 10.216 g de K2Cr201, 167 mL de H2S04 concentrado y 33.3 g de HgS04. Disolver, enfriar a temperatura ambiente y diluir hasta 1000 mL.

Pozo: Se designa con el término de pozo al orificio o túnel de disposición vertical que se perforará en la tierra hasta una determinada profundidad para conseguir aquello que se está buscando, generalmente, suele ser una reserva de agua subterránea.

Pulpa: Es una mezcla de una porción constituida de sólidos (minerales molidos) el cual· debe tener un tamaño de grano casi uniforme y la otra constituida por un liquido, que generalmente es el agua.

Shagnum o Typhas: Son plantas acuáticas que se utilizan en los sistemas de depmación de aguas residuales en las distintas actividades industriales, mineras y domesticas.

Surgencias: ascenso de las aguas subsuperficiales hacia la capa superficial, es inducida por la acción de los vientos que soplan paralelos a la costa, que en combinación con la rotación de la tierra.

Tanque de relave: Depósito donde se almacena los desechos tóxicos subproductos de procesos mineros y concentración de minerales, (mezcla de tierra, minerales, agua y rocas). Estos contienen altas concentraciones de químicos y elementos que alteran el medio ambiente, en estos depósitos lentamente los contaminantes se van decantando en el fondo y el agua es recuperada o evaporada.

Zanja de drenaje: Cuando el nivel freático es poco profundo y los materiales están meteorizados y/o no consolidados, la captación del agua se puede hacer mediante zanjas colectoras que llegan al nivel de saturación. Se realizan con máquinas retroexcavadoras hasta profundidades de 3-1 O metros y se rellenan de gravas a través de las cuales se puede evacuar el agua por gravedad dándole al fondo una pequefia inclinación. Es frecuente que en la zanja se instale también una tubería filtrante con orificios apropiados al material granular que la rodea

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