Mobilization and natural attenuation of arsenic in acid mine drainage ( AMD )

Resumen

L’anomenat drenatge àcid de mina (AMD) ve generat per l’oxidació de sulfurs i és causa major de contaminació d’aigües a nivell mundial. L’arsènic és un del princiapls contaminants laconcentració del qual pot assolir centenars de mgL-1, és a dir, de 5 a 6 ordres de magnitud més gran que el límit de potabilitat per a l’aigua (10?g L-1) establert per la UE en 1998. En aquesta tesi, s’estudia l’impacte de la mobilització de l’arsènic al llarg de descàrregues de drenatge àcid de mina. L’oxidació de sulfurs que contenen arsènic (tal com l’arsenopirita (AsFeS), la pirita rica en arsènic (FeS2) o la marcassita (FeS2) és una de les principals fonts d’alliberament d’arsènic a l’aigua. En la primera part de la tesi, s’ha estudiat la cinètica de dissolució de l’arsenopirita i de la marcassita a pHs àcids i neutre, utilitzant reactors de flux continu, i s’han valorat els efectes del pH, de l’oxigen dissolt i de la temperatura en la dissolució d’ambdós sulfurs. A partir de les velocitats en estat estacionari establertes, es proposen les respectives lleis de dissolució que tenen en compte el lleu i el fort efecte del pH i de l’oxigen dissolt, respectivament, en llur dissolució. La incorporació d’aquestes lleis cinètiques en les bases de dades del codis geoquímics i de transport reactitu permeten fer prediccions molt més realistes. L’impacte mediambiental causat per l’arsènic alliberat a les aigües depèn de la seva atenuació natural. El principal procés que controla el destí i la mobilitat de l’arsènic aquós és l’adsorció de l’arsenat en fases de ferro precipitades. Per tant, cal tenir en compte el paper que juga l’estat d’oxidació de l’arsènic. En la segona part de la tesi, shan estudiat tant l’oxidació de l’arsènic com l’adsorció de l’arsènic. L’oxidació s’estudia en condicions abiòtiques i biòtiques a pH i composició típics d’aigües àcides de mina, fent servir experiments de tipus batch. S’hi mostra com en condicions biòtiques tenen lloc simultàniament l’oxidació de Fe(II) a Fe (III) i d’arsenit a arsenat, de manera que mentre els bacteris governen la primera, el contingut de Fe(III) domina la segona. En condicions abiòtiques, l’oxidació d’arsenit a arsenat en presència de Fe(III) és lenta, tot i que augmenta augmentant la presència de Fe(III) i de clorur amb llum de dia. L’adsorció d’arsènic en llocs d’AMD, i per tant l’atenuació d’arsènic, ocorre mitjançant l’adsorció d’arsenat en precipitats formats per oxi-hidròxids i oxi-hidròxid-sulfats de ferro (principalment schwertmannita (Fe8O8(OH)5.5(SO4)1.25), K-jarosita (KFe3(SO4)2(OH)6) i goetita (FeOOH)). S’han estudiat les capacitats d’adsorció de la jarosita i de la goetita i s’han comparat amb la de la schwertmannita. Amb aquest propòsit es van fer experiments de tipus batch a pH molt àcid i amb mostres sintetitzades de K-jarosita i de goetita. Sense la competència d’altres anions, la capacitat de la jarosita per eliminar arsenat és més alta que la de la goetita. També s’ha vist que la força iònica té un escàs efecte en l’adsorció d’ambdós minerals, però que la presència de sulfat, que és l’anió més abundant en aigües àcides de mina, minva llurs capacitas d’adsorció. Cal conèixer bé els mecanismes dominants que controlen el contingut d’arsènic en les aigües, no només en condicions de laboratori, sinó també en les condicions de camp. Per tant, en la tercera part de la tesi s’han estudiat el processos d’atenuació de l’arsènic en un sistema natural. Amb aquest objetiu s’han caracterizat exhaustivament l’aigua i els sediments del rieron provinent de la mina abandonada Tinto Santa Rosa, situada a la Faixa Pirítica Ibèrica (IPB). La característica dominant de l’aigua del rierol és un descens del pH aigües avall que va acompanyat d’un decreixement sistemàtic de les concentracions de ferro ferrós i de ferro total, d’arsenit i d’arsenat, així com d’arsènic total. A més a més, els sediments de llit mostren contiguts alts d’arsènic. Els principals mecanismes que dominen el destí i la mobilitat de l’arsènic en aquestes aigües de camp són l’oxidació del ferro i de l’arsènic i la precipitatió de compostos de Fe(III) que adsorbeixen l’arsenat. S’ha proposat un model unidimensional de trasnport reactiu, utilitzant el codi PHREEQC, per explicar i quantificar els processos mencionats que han estat estudiats en condicions de laboratori.