Impactos químico-ambientales de la minería de oro a gran escala
Pres biotec
1. La biotecnología aplicada a los
procesos minero-metalúrgicos
Dr. José Luz González Chávez
Fac. de Química
2. Biotecnología
► Uso de la microbiología, la bioquímica y la ingeniería
con el fin de lograr aplicaciones tecnológicas industriales
provenientes de microorganismos o de células de cultivo
de tejidos y sus partes.
► Explotación industrial del potencial de
microorganismos, células vegetales y animales en
beneficio del hombre, plantas y animales.
3. Áreas de apoyo
► La biotecnología está recibiendo, tanto a
nivel social, como de los gobiernos e
investigadores, una atención especial.
► Estos esfuerzos se han desarrollado sobretodo
en los campos farmacéutico, alimentario, de la
química orgánica y de las enzimas, sin prestar
especial atención al campo de los metales.
4. Difusión-apoyo
El potencial de las transformaciones de metales por
microorganismos, no ha sido promocionado y apoyado de
forma tan clara como las otras áreas de la biotecnología.
► Un número relativamente reducido de investigadores
dedicados a estos temas.
► El conocimiento de los mecanismos de estos procesos
es incompleto. Además se trata de sistemas muy
heterogéneos, con diseño, ingeniería y control difíciles.
5. Tabla periódica y biotecnología
La mayoría de los elementos de la tabla periódica,
por supuesto los metales, son transformados
microbiológicamente, por lo que estos procesos
pueden ser aplicables a escala biotecnológica.
► Biogénesis
► Biolixiviación
► Biocorrosión
► Bioacumulación
7. Participación de los elementos en reacciones que se
producen en la interfase biotecnología-materiales.
8. Biotecnología en procesos
minero-metalúrgicos:
► La biotecnología sólo está siendo aplicada en la
obtención de metales para la extracción de cobre, uranio,
cobalto, oro y plata.
► Se están haciendo esfuerzos importantes para
conseguir su implantación a escala industrial en el
tratamiento de otros minerales.
► Se investigan también otros procesos biotecnológicos
de aplicación en la industria minero-metalúrgica.
9. Procesos biotecnológicos
relacionados con la I. M. M.
► Biodecontaminación
► Biotecnología minera
► Biogénesis
► Biocorrosión
► Generación de drenajes ácidos de minas
10. Biodecontaminación
► Es el conjunto de procesos de eliminación
de contaminantes, orgánicos e inorgánicos,
presentes en suelos, minerales, carbones,
sedimentos o efluentes líquidos, por acción de
microorganismos (bacterias, levaduras,
hongos).
11. Procesos
De acuerdo al modo de acción y a la naturaleza
de los contaminantes:
► Biodegradación
► Bioreducción
► Biolixiviación
► Biofijación o biosorción
13. Bioreducción
► Reducción de compuestos oxidados (nitratos,
óxidos metálicos, sulfatos, etc.) por acción
microbiológica.
14. Biolixiviación
► Extracción de metales contenidos en carbones,
suelos, sedimentos o minerales debida a la
solubilización (oxidación) de éstos por acción
microbiológica.
15. Biofijación o biosorción
► Remoción de contaminantes, generalmente
metálicos, presentes en un líquido sobre
microorganismos vivos o muertos.
► El uso de biomasa ha abierto nuevas
expectativas para la eliminación de los metales
tóxicos de aguas residuales, o para la
recuperación de los metales valiosos.
16. BIOTECNOLOGIA MINERA
► Beneficio de minerales:
Biofloculación y biooxidación.
► Extracción hidrometalúrgica de metales:
Biolixiviación de minerales.
► Remediación de residuos:
Biodegradación y biosorción.
17. Biofloculación
► Modificación de la superficie de un
mineral por acción bacteriana previa a la
concentración para lograr separaciones
por flotación más selectivas.
► También se le llama flotación inducida
por microorganismos.
18. Biooxidación
► Solubilización de los constituyentes del
mineral por acción bacteriana.
► Se remueven los constituyentes del mineral
que interfieren con la extracción convencional
de los valores metálicos.
► La solución se desecha y el residuo se
procesa para obtener metales.
19. Biolixiviación
► Ataque y solubilización de un mineral por
acción bacteriana.
► Se extraen los valores metálicos.
► El residuo se desecha y la solución se
procesa para obtener metales.
21. Caracterísiticas de la biomasa
La biomasa puede tener naturaleza muy
diversa:
► Puede estar viva o muerta, libre o
inmovilizada sobre algún soporte.
► Puede ser unicelular o pluricelular,
tratarse de algún compuesto celular
(diferentes tipos de polímeros) o incluso de
productos de excreción
22. Mecanismos de biosorción
►Transporte activo de los iones metálicos a través de
la pared celular del biosorbente.
►Ingestión de partículas.
►Intercambio iónico, Complejación o quelación.
►Adsorción física.
►Precipitación.
►Atrapamiento de partículas por órganos o por
metabolitos extracelulares.
23. Otros procesos biológicos
► Biogénesis o biomineralización.
Es la formación de minerales en suelos
a partir de sus componentes por acción
bacteriana
► Biocorrosión.
Es la degradación de metales y
materiales por acción bacteriana.
25. Generación de drenajes ácidos de
mina
► Debido a las condiciones de humedad,
temperatura, pH, disposición de residuos de
explotación minera, y sobretodo a la presencia de
microorganismos, la meteorización de los residuos
mineros de sulfuros metálicos abandonados puede
generar sulfatos metálicos solubles y ácido
sulfúrico.
27. Residuos mineros
► El problema ambiental de generación de
residuos no se limita a los aspectos derivados de
la confinación, como el volumen de ocupación, o
los riesgos de contención, etc.
► El problema añadido a la generación de
residuos, y en particular a los de la industria
minera, es la transformación de los mismos y la
problemática adicional que esto conlleva.
28. Meteorización de residuos
mineros
► Los residuos de los procesos mineros y metalúrgicos,
una vez vertidos, quedan expuestos a las cambiantes
condiciones ambientales.
► La acción del agua, el oxígeno, las bacterias, la
temperatura, etc, sobre estos residuos, y las
transformaciones a las que ello da lugar, constituye lo que
se conoce con el nombre de meteorización o weathering.
29. Meteorización de un mineral
sulfurado
► Cuando el residuo que se abandona es un
mineral sulfurado sometido a la acción del
oxígeno y del agua, éste será “lixiviado”, y
la consecuencia inmediata será la
generación de aguas ácidas.
30. Exposición de materiales
piríticos
► Como consecuencia de la explotación de
los yacimientos mineros de carbón,
sulfuros metálicos, uranio y otros, grandes
cantidades de materiales piríticos quedan
expuestos a la meteorización.
31. Pirita, FeS2
► El principal compuesto implicado en la
generación de acidez es la pirita.
► Causa problemas ambientales tanto cuando se
encuentra asociada a la materia prima (sufuros
polimetálicos y carbones), como cuando se
encuentra asociada a los residuos de mina.
32. DAMs
► Ciertas bacterias catalizan el proceso de generación de
DAM provocando un incremento en la velocidad global
del proceso.
► El papel de las bacterias es catalizar la transferencia
electrónica entre el oxígeno y la pirita en las reacciones:
FeS2 + 7/2 O2 + H2O → Fe2+ + 2 SO42- + 2 H+
FeS2 + 15/8 O2 + 13/2 Fe3+ + 17/4 H2O →
15/2 Fe2+ + 2 SO42- + 17/2 H+
33. ► También pueden acelerar la reacción:
FeS2 + 7/2 O2 + H2O → Fe2+ + 2 SO42- +
2 H+
durante la oxidación natural de la pirita.
34. Tratamiento de aguas ácidas
► Ha sido el sistema más utilizado hasta
la fecha. Puede ser activo (neutralización
y precipitación) o pasivo (humedales o
wetlands).
35. Tratamiento ácido
►Objetivo: Eliminar la acidez, precipitar los
metales pesados y recuperar cualquier sustancia
perjudicial en forma de sólido en suspensión.
► Reactivos: Bases que neutralizan la acidez,
precipitan los metales como hidróxidos y retiran
aniones como arseniatos y antimoniatos en
forma de compuestos insolubles cuando el pH es
neutro, como carbonato e hidróxido de calcio.
36. Neutralización
H2SO4 + CaCO3 + H2O = CaSO4.2H2O + CO2
H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4.2H2O
-El producto formado es yeso el cual tiene una gran
tendencia a la sobresaturación en solución acuosa y
a la formación de adherencias en las conducciones.
37. Precipitación
► Estabilidad de los precipitados y condiciones
de eliminación y almacenamiento, especialmente
de hidróxidos metálicos, de sulfuros y de
arseniatos.
38. Humedales o wetlands
► La vegetación, el suelo sumergido y los
microorganismos contribuyen a mejorar la calidad del
agua al pasar por ellos. En algunos humedales el pH está
tamponado y la acidez y los metales pesados en solución
se reducen apreciablemente al pasar.
► Son sistemas en desarrollo y por tanto poco aplicados a
escala industrial.
39. Métodos de obtención de metales
en el Siglo XX
► Explotación por minería subterránea y a cielo
abierto
► Concentración de menas por flotación
► Fusión de concentrados
40. Tecnologías
Convencionales
► Separaciones físicas
► Química a alta temperatura
42. Disolución bacteriana
Durante miles de años se biolixivió cobre de
minerales de baja ley, sin darse cuenta que esta
extracción es imposible sin la presencia de una
bacteria que crece en las minas
43. Uso de técnicas biológicas en
ingeniería minera
► Creciente complejidad y empobrecimiento de los
minerales
► Agotamiento de las reservas de minerales
oxidados
► Aumento en los costos de producción
► Severas legislaciones anti-contaminantes
44. Microorganismos biolixiviantes
► Mesófilos (20 – 40 °C): Thiobacillus (Tf y Tt) y
Leptospirillium (Lf ).
► Termófilos moderados (40 – 55 °C): Sulfobacillus
(S. thermosulfidooxidans).
► Termófilos extremos (> 55 °C): Sulfolobus
acidanus (S. acidocaldarius y S. brierleyi),
Metallosphaera y Sulfurococcus.
45. Tiobacillus ferrooxidans
(quimiolitoautrotófica, acidófila y mesófila)
► Fuente de energía: Fe(II) y S(II-) de minerales
► Fuente de carbono: CO2 del aire
► pH de crecimiento: 1.0 - 6.0 (2.0 - 2.5)
► Intervalo de temperatura: 2 - 40 °C (28 – 35 °C)
► Reproducción: fisión binaria
► Poblaciones: 10E9 - 10E10 células/mL
46. Requerimentos energéticos
•Elementos Esenciales
–Carbón, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre.
•Fuentes de energía
–Materiales inorgánicos y CO2 del aire como fuente de carborno.
•Función metabólica
–Oxidación de especies reducidas de azufre (S2- y/o S0), de fierro
(Fe2+ ) o de ambos.
48. Mecanismos
► Directo: Ataque enzimático, el contacto físico entre
bacteria y mineral es necesario
► Indirecto: Ataque químico por productos del
metabolismo (Fe3+/ H+), el papel de la bacteria es
regenerar este medio oxidante
► Mixto o cooperativo: Ambos mecanismos se llevan a
cabo simultáneamente.
49. Ventajas
► Ausencia de emisiones de SO2.
► Obtención de permisos ecológicos en tiempos más cortos.
► Explotación de la zona en menor tiempo.
► Se generan productos estables.
► Costos y tiempo menores para legalizar los desechos.
► Costos de capital y operación menores.
► Utilización de equipos sencillos.
► Fácil separación de subproductos.
► Bajo consumo de reactivos.
► Gran versatilidad.
50. Desventajas
► Cinéticas aún lentas dependiendo del material y del
método empleado.
► Dificultad para implantar la técnica a partir de los
procesos en funcionamiento.
► Muy poco margen disponible de maniobra para la
implantación y adaptación de nuevos procesos en la
industria extractiva.
51. Proyectos de biolixiviación de
cobre
► Biolixiviación de cobre en jales
► Biolixiviación de cobre en minerales
► Biolixiviación de cobre en concentrados
► Biolixiviación de concentrados de cobre
catalizada por Ag+.
53. Para mejorar la biolixiviación de los concentrados de flotación de cobre,
se ha probado la adición de varios iones al medio lixiviante.
Estos iones pueden modificar el mecanismo de disolución electróquímica
o las propiedades conductoras del sulfuro metálico cuando ellos
están fijos sobre la superficie del sulfuro.
De estos cationes la plata ha sido el más efectivo en la lixiviación
química y microbiológica de la calcopirita
El efecto positivo de los iones de plata ha sido atribuido a la formación
transitoria de un sulfuro de plata sobre la superficie de la calcopirita
que permite la formación de pares galvánicos.
Adicionalmente, este sulfuro de plata es oxidado a Ag + y Sº por un exceso de Fe3+
Iniciando una vez más el ciclo de reacciones de acuerdo al siguiente esquema:
CuFeS2 + 4 Ag+ ⇔ 2 Ag2S + Cu2+ + Fe2+ (1)
2 Ag2S + 4 Fe3+ ⇔ 4 Ag+ + 4 Fe2+ + 2 Sº (2)
54. El efecto de la plata se incrementa por la presencia de
bacterias ferro y tio oxidantes tales como Acidithiobacillus
ferrooxidans.
Estos microorganismos oxidan a los iones ferrosos y al
azufre elemental formados en las reacciones (1) y (2),
manteniendo así una relación Fe3+/Fe2+ favorable para proveer
Ag+ de manera continua y oxidando la capa de azufre elemental
formada sobre la superficie de la calcopirita sin causar
pasivación:
bacteria
Fe 2+
→ Fe3+ + e- (3)
bacteria
2 S° + 2 H2O + 3 O2 → 2 H2SO4 (4)
55. 100
80
Uninoculated with silver @ 35°C
Uninoculated with silver @ 68°C
Inoculated @ 35°C
Copper extraction (%)
60
Inoculated @ 68°C
Inoculated with silver @ 35°C
Inoculated with silver @ 68°C
40 Silver conditioning @ 35°C and
inoculated @ 68°C
20
0
0 2 4 6 8 10 12 14
Time (Days)
56. 3.5
b)
68°C
3.0
68°C - 35°C
68°C - 68°C
2.5
Condit ioning
2.0 Electrochem ical st age
t est
i (mA.cm )
-2
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
0 200 400 600 800 1000
Potential (mV vs Ag/AgCl)