1. Evaluacion de residuos industriales asociados a la mineria del
carbon para la sintesis de zeolitas con aplicacion en la
decontaminiacion de drenajes acidos de mina
CARLOS ALBERTO RIOS R.
2. Objetivos
Promover la obtención del máximo
beneficio de los productos obtenidos por
la minería del carbón y la generación de
la mínima cantidad posible de residuos.
El alcance del mismo es llevar a cabo la
síntesis de zeolitas con potencial
aplicación en la descontaminación de
drenajes ácidos de mina, contribuyendo
al mejoramiento del medio ambiente y
de la calidad de vida.
3. Cenizas
Volantes
A escala global, mas de 500
millones de toneladas de
cenizas volantes son
generadas anualmente por
las centrales
termolectricas y su
disposicion en vertederos
representa uno de los
mayores retos y serios
problemas economicos y
medioambientales.
Central termoelectrica
de Rugeley, West
Rugeley,
Midlands (Inglaterra) y
(Inglaterra)
su producto de la
combustion de carbon
4. La combustion de carbon para la produccion de electricidad
suministra alrededor del 40% de la electricidad en Reino Unido y por lo
tanto las cenizas volantes (CV) son un material abundante.
El volumen de CV dispuesto en los vertederos se espera que
aumente dramaticamente en el futuro.
Debido al incremento en los costos de los vertederos y la legislacion
ambiental vigente, el reciclaje de CV para la produccion de materiales
de mayor valor para mitigar la reduccion de recursos y el impacto
ambiental ha venido siendo objeto de interes en anos recientes.
La mayor aplicacion de CV es para la fabricacion de concreto, donde
estas pueden suministrar beneficios tanto tecnologicos como
economicos. Sin embargo, esta aplicacion es limitada dentro de la
demanda de materiales de construccion.
La sintesis de zeolites a partir de CV por varios metodso esta
recibiendo mayor atencion.
5. Keyton Canyon, Rochelle Hills, Wyoming
(Estados Unidos de America)
Afloramientos de clinker natural
(material esteril) cubren extensas
areas de cuencas sedimentarias,
siendo el producto de la
combustion natural de billones de
toneladas de carbon a traves del
reciente pasado geologico.
6. Clinker natural y sus
relaciones de campo
Deposito
carbonifero,
carbonifero, La
Guajira
(Colombia)
7. El grado de alteracion termica producida por la
combustion de mantos de carbon es variable y a nivel
de afloramiento es posible observar rocas alteradas
que varian desde ligeramente cocidas a enteramente
fundidas.
Los tipos de roca en el clinker natural (CN) refleja
los tipos de roca en la sobrecarga y presentan
diferentes grados de dureza, dependiendod el grado
de calentamiento.
El CN es caracterizado como una roca de grano muy
fino, compacta y altamente fracturada, principalmente
de color pardo rojizo debido a la presencia de
hematita.
El CN es esencialmente una mezcla compleja de
fases inorganicas amorfas y cristalinas, con relctos
de materia organica.
9. Que son las zeolitas?
Las zeolitas son aluminosilicatos cristalinos y
porosos con una estructura bien definida.
Las armazones estan compuestas de tetraedros de
[SiO4]4- y [AlO4]5-, formando diferentes estructuras
cristalinas abiertas con carga negativa, la cual es
balanceada por cationes que se mueven libremente a
traves del armazon de la zeolita.
Zeolitas naturales - explotadas alrededor del mundo.
Zeolitas sinteticas - interes comercial o cientifico.
Las zeolitas presentan gran interés
científico y tecnológico, utilizándose en
multitud de procesos
Catalizadores
Adsorbentes
Agentes de intercambio iónico
10. Las zeolitas
contribuyen a un
medio ambiente mas
limpio y seguro de
muchas formas
11. La preparacion de zeolitas sinteticas
a partir de reactivos quimicos como
silice y alumina es costosa.
Por lo tanto, con el fin de reducir
costos, la sintesis de zeolitas debe
realizarse a partir de materias primas
menos costosas, tales como:
Minerales arcillosos
Zeolitas naturales
Vidrios volcanicos
Diatomita
Bauxita
Residuos industriales
13. Cada tecnica analitica tipicamente prueba solo
un aspecto particular del material y, por lo
tanto, es necesario recurrir a una combinacion
de diferentes metodos para obtener una
completa descripcion de las materias primas y
de los productos zeoliticos frecuentemente
complejos, lo cual es importante para una
aplicacion especifica.
Fluorescencia de rayos X
Analisis de difraccion de rayos X
Microscopia electronica de barrido
Espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier
Analisis termogravimetrico
Calorimetría diferencial de barrido
Porosimetría de mercurio y área superficial
Resonancia magnetica nuclear
20. Faujasita
Imagen al microscopio
electronico de barrido
Hidroxisodalita (MEB) mostrando la
relacion entre faujasita
y hidroxisodalita
21. Faujasita
Hidroxisodalita
Imagen al MEB
mostrando la
transformacion de
hidroxisodalita en
faujasita obtenida
despues de la
activacion de clinker
natural por el metodo
de fusion
22. Filipsita a partir de
clinker natural
Metodo convencional
(tratamiento
hidrotermal)
T = 100oC
t = 72 h
24. Residuos industriales
Ecosistemas
Reciclaje
Transformacion tecnologica
Tratamiento de efluentes
contaminados
Medio ambiente saludable
25. El funcionamiento y las operaciones de mineria
abandonadas crea un subproduct denominado
Drenaje Acido de Mina
Un problema ambiental
extendido que resulta
La generación de DAM
de la oxidación
y la liberación de
microbiana de la pirita
metales pesados
en presencia de agua y
disueltos es una
aire, formando una
preocupación
solución ácida que
importante que afronta
contiene iones
la industria minera.
metálicos tóxicos.
26. Metodos
Trabajo de campo
Deposito de Cu-Pb-Zn de Parys Mountain, Anglesey (Norte de
Gales)
Muestreo
Aguas de drenaje de superficie (pH y conductividad electrica - CE)
Adsorbentes
CV, CN y zeolitas sinteticas (Faujasita-CV, Faujasita-CN, Filipsita-
CN)
Ensayos de sorcion
Monitoreo de pH y CE durante 24 h
Analisis de aguas
Concentracion de metal – Espectroscopia de plasma acoplado
inductivamente con detector de masa
Concentracion de amonio – Palintest
27. “The Great Opencast” – Deposito de Cu-
Fotografia de especimen de mano de una
Pb-Zn, Parys Mountain, Anglesey, Norte
vena de cuarzo rica en sulfuros.
de Gales.
1 cm
Cuarzo
Pirita
1 cm 20 µm
Fotografia mostrando la ocurrencia de Imagen al MEB y analisis quimico de un
pirita diseminada y otros sulfuros junto cristal cubico de pirita presente en una
con cuarzo. vena de cuarzo con pirita diseminada.
28. Muestreo de
DAM
Aguas de
drenaje Estanques de
precipitacion
superficial pH = 1.97
CE = 4.91 mS/cm
pH = 1.99
CE = 3.89 mS/cm
pH = 1.69
CE = 3.27 mS/cm
Medicion del
pH y CE
29. Reaction por
agitacion
Filtracion
Ensayos de
sorcion
Analisis de aguas
Eficiencia de las
materias primas y los
productos sinteticos,
con respecto a la
retencion de metales
pesados y amonio.
Aplicabilidad de
intercambiadores
ionicos de bajo costo
para el tratamiento de
30. Cinetica de la reaccion de neutralizacion
neutralizacion
5 10
9
4 8
7
EC (mS/cm)
3 6
pH
5
2 4
3
1
a CV
CN 2
b CV
CN
Faujasita-CV Faujasita-CV
Faujasita-CN 1 Faujasita-CN
Filipsita-CN Filipsita-CN
0 0
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Contact time (min) Contact time (min)
Variacion de (a) pH y (b) CE en funcion del tiempo
durante las pruebas de sorcion
Condiciones iniciales:
iniciales:
pH = 1.96
CE = 3.77 mS/cm
Dosis de adsorbente = 0.25 g
Volumen de DAM = 20 ml
31. Variacion de la concentracion de Ni, Cr, Pb y As en funcion del
tiempo durante los ensayos de sorcion
0.6 1.0
Ni 0.9 Cr
0.5
Cr concentration (ppm)
0.8
Ni concentration (ppm)
0.7
0.4
0.6
0.3 0.5
CV
0.4 CN
0.2 Faujasita-CV
0.3
FaujasitA-CN
0.2 Filipsita-CN
0.1
0.1
0.0 0.0
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Contact time (min) Contact time (min)
2.5 5.0
Pb As
As concentration (ppm)
2.0 4.0
Pb concentration (ppm)
1.5 3.0
1.0 2.0
0.5 1.0
0.0 0.0
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Contact time (min) Contact time (min)
32. Variacion de la concentracion de Cu, Zn, Fe y NH4+ en funcion
del tiempo durante los ensayos de sorcion
70.0 80.0
60.0
Cu Zn
Cu concentration (ppm)
Zn concentration (ppm)
60.0
50.0
40.0
40.0
30.0 CV
CN
Faujasita-CV
20.0 FaujasitA-CN
20.0
Filipsita-CN
10.0
0.0 0.0
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Contact time (min) Contact time (min)
1400.0 8.0
1200.0
Fe 7.0 NH4+
NH4 concentration (mg/l)
Fe concentration (ppm)
6.0
1000.0
5.0
800.0
4.0
600.0
3.0
400.0
2.0
+
200.0 1.0
0.0 0.0
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Contact time (min) Contact time (min)
33. Diagramas Ficklin mostrando la
suma de concentraciones de HA-EM, high acid, extreme metal MA-EM, moderate acid, extreme metal NN-EM, near neutral, extreme metal
HA-HM, high acid, high metal MA-HM, moderate acid, high metal NN-HM, near neutral, high metal
metales pesados en en el DAM HA-LM, high acid, low metal MA-LM, moderate acid, low metal NN-LM, near neutral, low metal
tratado.
34. Variacion de (a) pH y EC y (b) concentracion de amonio en funcion
del tiempo usando faujasita-CN como adsorbente.
12 3.5
11 a b
Concentration of NH4 (mg/l)
EC
3.0
10
pH
pH and EC (mS/cm)
9
+
2.5
8
7 2.0
6
5 1.5
4
1.0
3
2
0.5
1
0 0.0
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Contact time (min) Contact time (min)
Condiciones iniciales:
pH = 1.96
CE = 3.77 mS/cm
Dosis de adsorbente = 1 g
Volumen de DAM = 20 ml
35. Variacion de la concentracion de metales pesados en funcion del
tiempo usando faujasita-CN como adsorbente.
1 5
Concentration of Pb, As (ppm)
Concentration of Ni, Cr (ppm)
4
Condiciones iniciales:
3 pH = 1.96
CE = 3.77 mS/cm
2
Dosis de adsorbente = 1 g
Cr Volumen de DAM = 20 ml
1
Ni As
Pb
0 0
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Contact time (min) Contact time (min)
80 1400
Concentration of Cu, Zn (ppm)
1300
Concentration of Fe (ppm)
70 1200
1100
60
1000
50 900
800
40 700
600
30 500
400
20
300
Zn 200 Fe
10
Cu 100
0 0
0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300
Contact time (min) Contact time (min)
36. Diagrama Ficklin mostrando el efecto de la
cantidad de faujasita en el tratamiento de DAM.
100000
NCF
Faujasita-CN
Cu+Pb+Zn+Cr+Ni+As+Fe (ppm)
10000
HA-EM MA-EM NN-EM
1000
DAM
100
10 HA-HM MA-HM NN-HM
1
HA-LM MA-LM NN-LM
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
pH
37. Conclusiones
La sintesis de materiales zeoliticos a partir de sub-productos
del carbon en formas apropiadas para su aplicacion
industrial es de gran importancia, principalmente como
intercambiadores ionicos, adsorbentes y catalisis.
Los productos sinteticos tienen un gran potencial para ser
desarrollados como adsorbentes eficientes de bajo costos
con aplicacion en la solucion de problemas ambientales,
particularmente en el tratamiento de aguas residuales.
La transformacion de residuos asociados a la industria del
carbon en zeolitas contribuye a la mitigacion de problemas
ambientales y convierte estos sub-productos del carbon en
materiales atrativos y de gran utilidad.
