el impacto ambiental de la actividad minerometalúrgica y la contamianción de las aguas

476 Pages·2002·22.14 MB·Spanish

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona
Departamento de Ingeniería del Terreno y Cartográfica

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE FLUJO Y TRANSPORTE DE CROMO,
NÍQUEL Y MANGANESO EN RESIDUOS DE LA ZONA MINERA DE MOA
(CUBA): INFLUENCIA DEL COMPORTAMIENTO HIDROMECÁNICO

Tesis doctoral presentada por:

Roberto L. Rodríguez-Pacheco

Junio de 2002

Dirigida por:
Dra. Lucila Candela Lledó
Dr. Antonio Lloret Morancho
A David y Anna
ÍNDICE

Agradecimientos I

Resumen III

Abstract VII

Introducción 1

1. Introducción 1
2. Motivación y objetivos 2
2.1. Motivación 4
2.2. Objetivos 5
3. Metodología 7
4. Organización y contenidos de la tesis 8

Capítulo 1. Caracterización de la zona de estudio municipio de Moa 11
(Cuba)

1. Zona de estudio 11
1.1. Ubicación geográfica. 11
1.2. Clima 13
1.3. Marco geológico 16
1.3.1. Tectónica del área de estudio y sismisidad 23
1.4. Yacimientos minerales 25
1.5. Procesos minero-metalúrgicos 29
1.5.1. Minería a cielo abierto 29
1.5.2. Procesos de extracción del níquel y el cobalto 31
1.5.3. Los residuos minero-metalúrgicos 34

Capítulo 2. LOS RESIDUOS MINEROMETALÚGICOS. ESTADO DEL
ARTE 39

2.1.Introducción 39
2.1.1. Origen de los residuos minero-metalúrgicos 41
2.2. Tipos de presas de residuos y formas de vertido 43
2.2.1. Tipos de presas de acuerdo al sistema de cierre utilizado 43
2.2.2. Formas de vertido de los residuos 47
2.3. Propiedades de los residuos minero-metalúrgicos sólidos 50
2.3.1. Principales fases minerales 50
2.3.1.1. Comportamiento geoquímico 51
2.3.2. Propiedades físico–mecánicas 52
2.3.2.1. Licuefacción de los residuos minero-metalúrgicos 54
2.3.2.2. Comportamiento hidromecánico 55
2.4. Impacto ambiental de las actividades minero-metalúrgicas 55
2.4.1. Impacto sobre las masas de agua continentales y marinas 56
2.4.2. Drenajes y lixiviados de aguas ácidas de escombreras y minas
inactivas 59
2.4.2.1. Modelos numéricos 62
Í ndice

2.4.3. Variación de la morfología del terreno 63
2.4.4. Impactos sobre la atmósfera y el suelo 64
2.4.5. Impactos paisajísticos 66
2.4.6. La contaminación ambiental por diferentes formas de energía 67
2.5. Riesgo ambiental por rotura de las presas de residuos 67
2.6. Los residuos mineros en Cuba. Antecedentes 71
2.7. Antecedentes en el estudios de residuos minero-metalúrgico de yacimiento
lateríticos en otras partes del mundo 75

Capítulo 3. Métodos, técnicas y equipos desarrollados 76

3.1 Introducción 76
3.2 Trabajo de campo 76
3.3 Trabajos de laboratorio 81
3.3.1. Características de la fase líquida 81
3.3.2. Características de la fase sólida 82
3.3.3. Ensayos de caracterización geoquímica 85
3.3.3.1. Ensayos Batch 85
3.3.3.2. Secuencia de extracción 85
3.3.4. Parámetros hidráulicos 86
3.3.5. Propiedades mecánicas 87
3.4. Equipos desarrollados para la investigación 89
3.4.1. Bandejas de retracción 89
3.4.2. Equipo para determinar la resistencia a la tracción directa 92
3.4.3. Construcción de columnas de pequeño diámetro para el estudio del
flujo y transporte de solutos en el medio poroso 94
3.4.4. Construcción e instrumentación de una columna para el estudio del
comportamiento hidromecánico de medios porosos 96
3.4.4.1.Prestaciones de la columna 102
3.5. Trabajo de gabinete 104

Capítulo 4. Modelos de flujo y transporte de solutos en los medios porosos.
Ensayos en columnas 107

4.1. Generalidades de los modelos de flujo y transporte de solutos 107
4.1.1. Acoplamiento químico del transporte del soluto 107
4.1.2. Definición del equilibrio de adsorción 108
4.1.3. Método de resolución 109
4.2. Modelos de equilibrio local 111
4.2.1. Modelos unicomponentes 111
4.2.2. Modelos multicomponentes 112
4.2.3. Aplicabilidad del equilibrio local en el flujo y transporte de solutos 112
4.3. Modelos de flujo y transporte con cinética de transferencia de masa 113
4.3.1. Descripción de los modelos de flujo y transporte de solutos en
condiciones de no equilibrio 115
4.3.1.1. Modelos químicos o modelo de dos sitios (two site models) 116
4.3.1.2. Modelos físicos o modelos de dos regiones (two region
models) 119
4.4. Estudios de flujo y transporte de soluto en condiciones de no equilibrio 121
4.5. Estimación de los parámetros de los modelos de flujo y transporte de dos sitios
Í ndice

y dos regiones. Significado de estos e influencia sobre las curvas de llegadas de
los solutos 123

Capítulo 5. Hidrología superficial y subterránea 131

5.1. Introducción 131
5.2. Hidrología superficial 131
5.2.1. Características físico-químicas de las aguas superficiales 132
5.2.2. Análisis de la contaminación de las aguas superficiales por los
residuos mineros 137
5.2.3. Calidad de las aguas superficiales 140
5.3. Hidrología subterránea 140
5.3.1. Inventario de puntos de agua 141
5.3.2. Acuífero de las rocas ultramáficas 142
5.3.2.1. Características geométricas 143
5.3.2.2. Superficie piezométrica 144
5.3.2.3. Parámetros hidráulicos 144
5.3.3. Acuífero aluvial 146
5.3.3.1. Características geométricas 146
5.3.3.2. Superficie piezométrica 147
5.3.3.3. Parámetros hidráulicos 148
5.3.4. Funcionamiento hidrogeológico 149
5.3.4.1. Recarga 149
5.3.4.2. Descarga 149
5.3.4.3. Balance 150
5.3.5. Características físico-químicas de las aguas subterráneas 151
5.3.6. Clasificación de las aguas subterráneas 157
5.3.7. Análisis de la contaminación de las aguas subterráneas 158
5.3.7.1. Metales pesados, hierro, magnesio y sulfato en las aguas
subterráneas de las rocas ultramáficas: fondo geoquímico
natural 159
5.3.7.2. Contaminación de las aguas subterráneas del acuífero aluvial 160
5.3.7.3. Origen de los metales presentes en las aguas subterráneas 167
5.3.8. Calidad de las aguas de los acuíferos aluvial y el acuífero de las
rocas ultramáficas 171
5.3.9. Cálculo de la mezclas de agua en el acuífero aluvial 172
5.3.9.1. Métodos químicos ambientales 173
5.3.9.2. Cálculo de la mezcla de agua en el acuífero aluvial mediante
un modelo hidrogeoquímico 175
5.4. Hidrogeoquímica de las aguas subterráneas 177
5.4.1. Relaciones iónicas 177
5.4.2. Interacción agua roca: modelo hidrogeoquímico 178
5.4.3. Índice de saturación 180
5.5. Conclusiones 182

Capítulo 6. Características de los residuos metalúrgicos sólidos de la
industria cubana del níquel en Moa 185

6.1. Introducción 185
6.2. Característica de los depósitos de estériles 187
Í ndice

6.3. Características físico–mecánicas 194
6.3.1. Propiedades físicas básicas 194
6.3.2. Ensayos edométricos 196
6.3.3. Ensayos de compresión simple 197
6.3.4. Resistencia a tracción 199
6.3.5. Ensayos de corte directo 201
6.3.6. Ensayos triaxiales 201
6.3.6.1. Ensayos triaxiales en condiciones no drenadas 201
6.3.6.2. Ensayos triaxiales cíclicos en condiciones no drenadas 203
6.4. Comportamiento hidromecánico 204
6.4.1. Curva de retención 204
6.4.2. Cambio de volumen debido a cambios de succión 206
6.4.3. Permeabilidad 209
6.5. Formación de grietas por desecación 210
6.6. Influencia de las grietas de desecación sobre la permeabilidad de los
residuos mineros 217
6.7. Conclusiones 221

Capítulo 7. Movilidad de los metales Mn(II), Ni(II) y Cr(VI) en residuos
mineros Ensayos de laboratorio 225

7.1. Adsorción y desorción de metales (Mn, Ni y Cr) 225
7.1.1 Introducción 225
7.1.2. Material 226
7.1.3. Ensayos de adsorción - desorción de los metales pesados en los
residuos mineros 227
7.1.4. Metodología de los experimentos Batch 228
7.1.5. Isoterma de adsorción y desorción del manganeso (MnII)) 232
7.1.6. Isoterma de adsorción y desorción del níquel (NiII) 235
7.1.7. Isoterma de adsorción y desorción del cromo (CrVI) 240
7.1.8 Discusión de los resultados de los ensayos Batch 242
7.1.9. Adsorción instantánea en un sistema cerrado (ensayos Batch) 248
7.1.10. Comparación de la capacidad de adsorción de los residuos con otros
materiales y suelos naturales 249
7.2. Ensayos de flujo y transporte de solutos en columna de residuos en el
laboratorio 255
7.2.1. Introducción 255
7.2.3. Materiales y método 256
7.2.3.1. Montaje de las columnas 258
7.2.4. Ensayos de transporte de soluto con flujo estacionario 259
7.2.5. Interpretación de los resultados del ensayo de flujo con el trazador
pentafluobenzoato sódico (PFBA) 262
7.2.6. Análisis de los ensayos de flujo y transporte de los metales en las
columnas de residuo 266
7.2.6.1. Ensayos de flujo y transporte con adsorción y desorción de
Ni(II) 266
7.2.6.2. Ensayos de flujo y transporte con adsorción y desorción de
Mn(II) 268
7.2.6.3. Ensayos de flujo y transporte con adsorción y desorción de
(CrVI) 270
Í ndice

7.2.7. Discusión de los resultados de los ensayos de flujo y transporte con
adsorción y desorción de Cr(VI), Ni((II) y Mn(II) 271
7.2.8. Ensayos de flujo y transporte con adsorción y desorción de los tres
metales simultáneamente 273
7.2.9. Ensayo de flujo y transporte con adsorción y desorción de Ni y Mn 277
7.2.10. Análisis semicuantitativo de la concentración de los metales en
muestras del residuo ACL del ensayo de flujo y transporte 278
7.3. Influencia del pH en el proceso de adsorción 281
7.3.1. Materiales y métodos de ensayos de flujo con adsorción de metales
(Cr(VI), Ni(II), Mn(II)) a diferentes pH 282
7.3.2. Adsorción de Cr(VI) en un ensayo de flujo y transporte a través del
residuo ACL para diferentes pH 284
7.3.3. Adsorción de Ni(II) en ensayos de flujo y transporte en el residuo
ACL para diferentes pH 286
7.3.4. Adsorción de Mn(II) en ensayos de flujo y transporte en el residuo
ACL para diferentes pH 287
7.4. Influencia de la concentración inicial de soluto en la solución acuosa sobre
el proceso de adsorción en el residuo ACL 288
7.5. Comparación de la capacidad de adsorción del residuo ACL con una
zeolita (Clinoptilolita) 290
7.6. Conclusiones 293

Capítulo 8. Modelación del proceso de sorción en los ensayos de flujo y
transporte en columnas 299

8.1. Introducción 299
8.2. Selección de los modelos 301
8.3. Modelos matemáticos 303
8.3.1. Modelo en condiciones de equilibrio 303
8.3.2 Modelos en condiciones de no equilibrio (modelo de dos sitios) 304
8.4. Estimación ó determinación de los parámetros del modelo 306
8.4.1. Determinación de K y R para los modelos de dos sitios 308
L
8.4.2. Determinación del valor de D, P, w y β 310
8.5. Análisis de los resultados del ajuste de las curvas de paso del
Pentaflurobenzoato (PFBA) 312
8.6. Modelación de la curva de llegada de los ensayos de flujo y transporte de
los tres metales 314
8.6.1. El ensayo de flujo y transporte del Ni(II) con procesos de
adsorción y desorción 315
8.6.2. El ensayo de flujo y transporte del Mn(II) con procesos de
adsorción y desorción 317
8.6.3. El ensayo de flujo y transporte del Cr(VI) con procesos de
adsorción y desorción 318

8.6.4. Discusión de los resultados de modelización de los ensayos de
320
flujo y transporte con metales
323
8.7. Conclusiones
Í ndice

Capítulo 9. Influencia del comportamiento hidromecánico de los residuos
minero-metalúrgicos en el flujo y transporte de solutos 327

9.1. Introducción 327
9.1.1. Procedimiento de ensayo de los residuos mineros en columnas 328
9.2. Llenado de la columna, saturación y medida de la permeabilidad 329
9.2.1. Llenado de la columna 329
9.3. Resultados de las medidas efectuadas durante el proceso de montaje de la
columna por capas 332
9.3.1. Evaporación 332
9.3.2. Retracción 334
9.3.3. Ensayo de saturación 342
9.3.4. Ensayo de permeabilidad 351
9.4. Ensayos de flujo y transporte de solutos en columna de residuos 353
9.4.1. Ensayo de flujo y transporte con el trazador PFBA 353
9.4.2. Ensayo de flujo y transporte de Ni 355
9.4.3. Ensayo de flujo y transporte con un trazador fosforescente
(fluoresceína sódica) 359
9.5. Modelación de los resultados de los ensayos de flujo y transporte 362
9.5.1. Modelación de los ensayos con el trazador PFBA 362
9.5.2. Modelación de los ensayos de flujo y transporte con el Ni 363
9.5. Conclusiones 365

Capítulo 10. Conclusiones generales y líneas de investigación futura 369

10.1. Equipos experimentales 369
10.2. Hidrología superficial y subterránea 370
10.3. Características hidromecánicas de los residuos minero-metalúrgicos sólidos 372
10.4. Ensayos de adsorción y desorción de Ni, Cr y Mn en los residuos mineros.
Ensayos Batch y de flujo y transporte 373
10.5. Resultados de la modelación numérica del flujo y el transporte de solutos 375
10.6. Comportamiento hidromecánico de los residuos ACL y su influencia en el
flujo y transporte de solutos 377
10.7. Conclusión general 379
10.8. Riesgo ambiental de los residuos 379
10.9. Futuras lineas de investigación 380
10.9.1. De aplicación inmediata 381
10.9.2. Futuras líneas de investigación a desarrollar 381

Referencias 383

Anejo 1. Datos hidroquímicos 407
Anejo 2. Ensayos Batch y secuencia de extracción 419
Anejo 3. Isotermas de adsorción 433
Anejo 4. Calibraciones 437
Lista de símbolos 443
Listado de figuras 447
Listado de tablas 455
Listado de fotos 459
Agradecimientos I
Agradecimientos

La realización de esta tesis doctoral no habría sido posible sin el apoyo y confianza depositados en mi
por mis dos directores Profesores Lucila Candela y Antonio Lloret a los cuales quiero agradecer el
excelente apoyo brindado en todos estos años y su preocupación por los aspectos personales y
humanos que trae aparejado la realización de una tesis doctoral alejado de la familia y del país de
origen.

Al Departamento de Ingeniería del Terreno por haber puesto a mi disposición la infraestructura y
bienes materiales indispensables para realizar la investigación y a los profesores (Drs. A. Ledesma, J.
Suriol, E. Alonso, A. Gens, J. Carrera, E. Custodio, S. Olivella, A. Josa, J. Corominas y X. Sánchez)
por la cooperación brindada durante la realización de la tesis y al personal de administración Eva. M.
Martínez y secretaria Mari C. Esteban.

Mi más profundo agradecimiento al personal del laboratorio José Álvarez, Fernando Cortés, Enrrique
y especialmente a Tomás Pérez, que ha contribuido de manera significativa en la fabricación de los
equipos experimentales.

Al personal del Laboratorio de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Girona (Dras. M.
Hidalgo y V. Salvadó) por su paciencia con mis “grandes” conocimientos de química y su
contribución en la realización de varios experimentos en su departamento y al personal del laboratorio
(Mónica, Sonia, Carolina, Roger, Marta, Eva, Gemma y Laura).

A la Dra. A. Cortés de la Facultad de Farmacia, Universidad de Barcelona por su apoyo en la
realización de varios análisis en el laboratorio de la Unidad de Edafología.

Al Departamento de Cristalografía, Mineralogía y Depósitos Minerales, Facultad de Geología,
Universidad de Barcelona y especialmente a los Drs. J. Proenza y J.C. Melgarejo por el apoyo en la
realización de los estudios de mineralogía.

Al personal de CSIC por la realización de ensayos de mineralogía, roca total y ensayos geoquímicos
en sus laboratorios y especialmente a los Drs. I. Queralt y C. Ayora por las discusiones sostenidas
sobre geoquímica y mineralogía.

Al personal de la Escuela Universitaria de Manresa (Drs. J. M. Mata, X. de Las Heras, J.M. Casas, J.
Castany) y al personal de administración Llúcia por haberme recibido y aceptado en su departamento.
Agradecimientos II
Al Departamento de Geología del Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa, Cuba, por el soporte
brindado, la cooperación y facilidades para obtener la información disponible.

Al Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos de la Provincia de Holguín y en especial al
Departamento de Hidrogeología por la cooperación y apoyo en la información disponible para poder
desarrollar la tesis.

A la Industria Cubana del Níquel por su cooperación y facilidades brindadas para desarrollar el
muestreo de los materiales y la cooperación en la entrega de la información existente.

A mis amigos en Cuba (B. Riverón, J. Carménate, J. Batista, R. Díaz, J.A. Pons, Joel Batista, J. Tool y
C. De Miguel) en el ISMM y A. Pérez y A. Rodríguez de La Empresa Nacional de Investigaciones
Aplicadas (ENIA) de Holguín, por su apoyo incondicional y constante ánimo para que realizara la
tesis.

A mis amigos en Barcelona, Rebeca, Joa, Claudia, Espi, Núria, Ramón, Salvador, Víctor, Alberto,
Cristina, Jorge, Dolors, Albert, M. José y Joaquín, Vanessa, Toni, Mireia, Xavi, Olga, Ramón,
Sussana, Raul, Esther, Jordi, Dani, Eva, Josepa, Jordi, Lídia, Xavi, Marina, Santi y Cris por el soporte
que me han brindado durante estos años.

A todos los compañeros de doctorado (Oldecop, Luciano, Clemente, Mauricio, Marcelo, Jordi,
Salvatore, Alexandra, Carlos, Carlos, Marcel, Leonardo, Moya, Rius, Cati, Wolf, Annick) que han
pasado por el Departamento de Ingeniería del Terreno en estos años y han hecho de éste un lugar
agradable para trabajar, a pesar de lo “ingrato” pero satisfactorio que resulta el trabajo del laboratorio.

A mi familia en Cuba (David, Vivian, Ramiro, Reynaldo, Yaumara) y en Barcelona (Anna, Victòria,
Albert, Èrika, Josep, Marina, Damián, Mercè, Marc, Tomàs, Pere, M. Àngels y Josep), por el apoyo y
animación constante.

A la Fundación Centro Internacional de Hidrogeología Subterránea y en especial a Margarita, Raquel
y al director del Curso Internacional de Hidrogeología Subterránea E. Batista.

Agradezco el apoyo financiero realizado por la Agencia Española de Cooperación Internacional
(AECI) para la realización de los cursos de doctorado. Al Comissionat per a Universitats i Recerca de
la Generalitat de Catalunya y a la Vicerrectoría de Investigación de la UPC, especialmente al Dr. A.
Marí, pues sin su soporte habría sido muy difícil la culminación de esta tesis.