Hydrogeochemical assessment, water treatment and revalorization of dumps, tailings and drainages produced at phalaborwa industrial complex

Resumen

El Complejo Industrial de Phalabordwa, Sudáfrica, está formado por varias minas y fábricas que se benefician del Complejo Ígneo de Phalaborwa (PIC). La actividad industrial en la década de 1950 con la extracción de rocas fosfatadas y Cu. Desde entonces, más de 4500 Mt de residuos sólidos enriquecidos en magnetita, Zr, Ni, Ag, Pt y tierras raras (REE) se han ido acumulando en el área de PIC en forma de relaves y escombreras, así como más de 3 Mm³ de aguas residuales industriales (drenajes de rocas y aguas de procesamiento). Debido a las actividades industriales, la calidad del agua de los acuíferos se ha deteriorado alcanzando hasta 10 g/L de sulfato, particularmente en el entorno de las balsas de fosfoyeso generados por la planta de ácido fosfórico. Los esfuerzos para contener la pluma de contaminación mediante pozos de extracción dieron como resultado un aumento continuo de la contaminación dentro del área industrial, pero ayudaron a controlar la migración de la pluma de contaminación. Este estudio va más allá de la mera evaluación ambiental, se trata de una evaluación integral de los residuos de PIC, que llevó a la revalorización de los residuos mineros alcalinos como potenciales recursos secundarios de REE y como agente de neutralización, y culminó con el diseño de un sistema que se beneficiaría de ambas características de los residuos. El estudio mineralógico y geoquímico de los residuos se realizó bajo la hipótesis de que estos podrían haber preservado o incluso concentrado las REE del yacimiento. La abundancia de minerales de REE (princialmente monacita) y minerales enriquecidos en REE (principalmente fluorapatita, calcita y dolomita) confirmó esta hipótesis e incidió en el potencial económico de los residuos mineros como fuente secundaria de REE. Las REE más rentables, en función de su precio y abundancia son Nd, Dy, Pr y Tb (87% del valor neto). Los relaves son económicamente más atractivos que las escombreras porque el procesamiento mineral ha generado partículas principalmente monominerales enriquecidas en REE. La caracterización medioambiental de los residuos se llevó a cabo con el fin de evaluar su potencial como reactivo neutralizante para el tratamiento pasivo de aguas acidas. Los desechos mineros utilizados para tratar aguas industriales ácidas (AIW) deben cumplir dos características principales: i) alto potencial de neutralización y ii) baja toxicidad. Para evaluar el potencial de neutralización y la toxicidad de los lixiviados que pudieran liberar se llevaron a cabo protocolos basados en regulaciones nacionales internacionales. Los resultados de esta investigación demostraron que ninguno de los residuos mineros tiene el potencial de producir drenaje ácido de roca. También demostró que las carbonatitas y los relaves de la planta de cobre (East Tailing) exhíben el mayor potencial de neutralización (hasta 800 Kg CaCO₃ eq/t). De acuerdo con la Ley Nacional de Gestión Ambiental de Residuos (59/2008) de Sudáfrica, los residuos mineros de PIC se clasfican como residuos de Tipo 3 (no peligrosos). Estos residuos liberaran principalmente elementos no tóxicos como Ca, Mg, SO₄, Na, P, K, Fe. Entre los residuos de PIC, East tailing sería la mejor opción como reactivo alcalino para neutralizar AIW. El conocimiento adquirido en este punto de la investigación sirvió para desarrollar un sistema que podría remediar las aguas extremadamente ácidas de la planta de ácido fósfórico de PIC y sustrato se enriquecería en REE y se convertiriá en un subproducto con valor comercial. Se seleccionó el material de East tailing por su abundancia en minerales de REE y en minerales alcalinos enriquecidos en tierras raras con alto potencial neutralizante (reactor A). Se añadió al sistema un reactor BDAS (Sustrato Alcalino Disperso de carbonato de bario) al reducir la dureza y mejorar aún más la calidad del agua (reactor B). El prototipo a escala de laboratorio fue capaz de remediar el agua extremadamente acida de la planta de ácido fosfórico y, al mismo tiempo, concentrar la REE contenida tanto en el agua como en el sustrato. El agua tratada cumple con los requisitos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) para agua potable en todos los parámetros exepto Ni, Cd y ocasionalmente Ba. El sustrato aumentó la concentración de REE de 1.3 g/Kg hasta 2.1 g/Kg en la zona central del reactor A. La mayoría de las REE precipitaron como fosfato de Ca- Ai- f rico en REE. Mientras que en la columna B se encontraron concentraciones menores de REE, junto con la mayoría de los radionucleidos. Esta tesis proporciona una alternativa ecológica y sostenible para concentrar REE en un enfoque de economía circular, al tiempo que mejora la calidad de las aguas extremadamente ácidas de PIC.