Por: José Rau Álvarez, Patrizia Pereyra Anaya y Maribel Guzmán Córdova, Pontificia Universidad Católica del Perú.

Resumen

Las actividades mineras generan residuos que pueden impactar el medio ambiente y la salud humana. En Perú, la industria minera es una importante contribuyente al crecimiento económico del país, pero también genera una cantidad considerable de residuos. Este estudio investiga la geopolimerización de los relaves mineros de una mina de cobre a cielo abierto en Cajamarca, ubicada en el norte de Perú, como una solución sostenible para la gestión de residuos. Se requirió un pretratamiento para remover el azufre de los relaves, el cual se realizó mediante flotación utilizando un colector Xantato Z6 y un espumante MIBC de pH neutro. Los resultados demuestran que los relaves mineros pueden ser desulfurados y geopolimerizados con una composición óptima de una relación SiO₂/Al₂O₃ de 1, una relación SiO₂/Na₂O de 4 y una concentración de solución alcalina de 10 M. El geopolímero presenta un buen comportamiento fluido y una resistencia a la compresión media de 8.81 MPa, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones respetuosas con el medio ambiente en la industria minera. Este estudio presenta una solución sostenible para el uso de los relaves mineros, lo que puede reducir significativamente los residuos al tiempo que proporciona una alternativa a los materiales de construcción tradicionales.

Introducción

La minería es una de las industrias más importantes a nivel global, pero también conlleva desafíos ambientales significativos debido a la generación de grandes cantidades de relaves. Estos residuos, compuestos principalmente por partículas finas y sustancias tóxicas, pueden representar un riesgo para el medio ambiente y la salud humana si no se gestionan adecuadamente. Perú es un importante productor de minerales, y la industria minera es un contribuyente fundamental para la economía del país. Sin embargo, los relaves pueden ser un peligro ambiental importante y se han relacionado con una serie de desastres ambientales. Por lo tanto, es crucial buscar soluciones innovadoras y sostenibles para el manejo de los relaves.

En 2019, ocurrió un incidente en una presa de relaves en una mina ubicada en la región de Áncash, provocando la ruptura de la presa y la liberación de una gran cantidad de relaves en el río Santa. Como resultado, el río fue contaminado y se produjo la muerte de peces y otras especies acuáticas, además de causar daños a las áreas de cultivo y al suministro de agua potable (ANA, 2019).

Este es un ejemplo de los desastres ambientales que han causado los relaves en el Perú. La industria minera es una fuente importante de ingresos, pero también es una fuente de potencial contaminación ambiental. Además de los peligros ambientales, los relaves también pueden representar un riesgo para la salud de las personas que viven cerca de las operaciones mineras. Los relaves pueden contener metales pesados y otras toxinas que pueden causar problemas de salud.

En este contexto, el desarrollo de geopolímeros como base de relaves mineros se presenta como una opción prometedora. Los geopolímeros son materiales de construcción obtenidos a partir de la reacción química de materiales ricos en sílice y aluminio con soluciones alcalinas. Estos materiales ofrecen numerosas ventajas en comparación con las alternativas convencionales, como el cemento Portland, y su aplicación en el manejo de relaves mineros presenta beneficios significativos.

Los geopolímeros brindan beneficios significativos con relación a la estabilización de los relaves mineros. Al formar una matriz sólida, los geopolímeros evitan la erosión y dispersión de los relaves, reduciendo el riesgo de contaminación del medio ambiente. Además, mejoran la resistencia y durabilidad de los relaves, lo que permite su utilización para construir infraestructuras y soportar cargas a largo plazo. También destacan por su capacidad para reducir las emisiones de CO₂ en comparación con el cemento Portland, lo que contribuye a la sostenibilidad de la industria minera.

Además, la utilización de geopolímeros implica aprovechar los residuos industriales. Los relaves mineros pueden ser considerados como residuos de la actividad minera, pero al utilizar geopolímeros como base, se pueden emplear materiales residuales y subproductos de otras industrias, como cenizas volantes, escorias siderúrgicas o cenizas de biomasa. Esto no solo reduce la cantidad de residuos que deben ser depositados, sino que también promueve la Economía Circular y la valorización de estos materiales.

El objetivo general de este estudio es determinar la geopolimerización de un relave de mina de cobre ubicado en el norte del Perú, a través de la caracterización química, mineralógica y física del material, la determinación de la mezcla adecuada para la geopolimerización, y la realización de pruebas mecánicas y de estabilidad química al cemento geopolímero resultante. Además, se busca estudiar la viabilidad económica de la geopolimerización y explorar posibles mercados para su aplicación.

En primer lugar, se llevará a cabo la caracterización química, mineralógica y física del relave de la mina de cobre. Se realizarán análisis detallados para identificar los componentes presentes en el relave, así como su composición mineralógica y propiedades físicas. El siguiente paso consiste en determinar la mezcla adecuada para la geopolimerización. Se realizarán pruebas y experimentos con diferentes combinaciones de materiales, buscando obtener una mezcla óptima que proporcione buenas propiedades al geopolímero. Finalmente, se llevarán a cabo pruebas mecánicas para evaluar la resistencia a la compresión simple. Además, se realizará un ensayo de estabilidad química utilizando la espectroscopia de absorción atómica para analizar la resistencia del cemento geopolímero a la degradación y alteraciones químicas.

Además de los objetivos técnicos, se busca estudiar la viabilidad económica de la geopolimerización del relave. Esto incluirá el análisis de costos asociados a la producción de cemento geopolímero, la evaluación de posibles beneficios económicos y la exploración de mercados potenciales para su aplicación. El objetivo es determinar la viabilidad comercial de la tecnología de geopolimerización en relación con el relave de mina de cobre y su potencial para generar oportunidades económicas sostenibles en la región.

El alcance del proyecto se limita a la investigación y desarrollo de la tecnología de geopolímeros a base de relaves de mina, con el fin de proporcionar una solución innovadora y sostenible para la gestión de estos residuos. La implementación práctica a gran escala y la aplicación comercial de la tecnología quedan fuera del alcance de este proyecto, pero se podrán identificar recomendaciones y directrices para futuras etapas de implementación.

La metodología del proyecto de investigación de geopolímeros, basada en el estándar ASTM C109 para ensayar briquetas de 5x5x5 cm, consta de varios pasos. Primero, se preparará la mezcla de geopolímeros utilizando los materiales adecuados y se moldearán las briquetas con las dimensiones especificadas. Luego, estas se someterán a un proceso de curado controlado antes de realizar ensayos mecánicos, siguiendo el procedimiento ASTM C109, para determinar su resistencia a la compresión. Los resultados serán analizados y comparados con los criterios establecidos en el proyecto.

Objetivos

Objetivo general

ν Determinar el proceso, componentes y proporciones del arreglo de la mezcla adecuados para la conversión de relave en cemento geopolimerizado.

Objetivos específicos

ν Caracterizar química, mineralógica y físicamente el relave de la empresa.

ν Determinar el proceso, componentes y proporciones del arreglo de la mezcla adecuados para la geopolimerización.

ν Encapsular los minerales sulfurados, arsenicales y pesados dentro de la estructura del geopolímero.

ν Determinar los parámetros óptimos para la producción del cemento geopolímero.

ν Ensayar el cemento geopolímero a pruebas mecánicas.

ν Ensayar el cemento geopolímero a estabilidad química mediante espectroscopia de absorción atómica.

ν Ensayar el cemento geopolímero a pruebas de radiación.

Fundamento conceptual

Geopolímeros

Los geopolímeros son materiales compuestos por aluminosilicatos enlazados en una red tridimensional que se forman a baja temperatura. Estos materiales poseen buenas propiedades, como resistencia al calor, resistencia a la compresión y bajos requerimientos de energía para su producción, así como una baja emisión de CO₂ y la capacidad de encapsular metales pesados (Provis et al., 2015).

El término "geopolímero" fue propuesto por primera vez por Joseph Davidovits en 1978, quien realizó investigaciones en la década de 1970 en busca de un nuevo material resistente al calor para aplicaciones estructurales (J. Davidovits, 1991). Los geopolímeros son muy similares a las zeolitas naturales. Son esencialmente una familia de aluminosilicatos que se caracterizan por la activación alcalina, lo cual policondensa materiales ricos en aluminio y silicio en un "cemento" polimérico (A. Fermandez-Gimenez et al., 2006).

Para la síntesis de los geopolímeros, se necesitan principalmente dos componentes: la materia prima rica en aluminosilicatos y una solución alcalina que actúe como disolvente para los aluminosilicatos. Estos se policondensan en nuevas redes tridimensionales y finalmente solidifican (Lloyd y Rangan, 2010). La principal ventaja de los geopolímeros es la producción de materiales cerámicos cocidos o curados a baja temperatura (<100°C) (J. Davidovits, 1991). Otra propiedad importante mencionada por Davidovits (1991) es que, al igual que las zeolitas naturales, los geopolímeros también tienen una gran capacidad para inmovilizar metales pesados en su red tridimensional.

Materia prima

Las materias primas utilizadas en la producción de geopolímeros son aquellas ricas en silicio y aluminio. Por lo general, las arcillas se emplean para la síntesis de geopolímeros. Sin embargo, en investigaciones recientes se han utilizado materiales reciclados de la industria y la construcción para formar geopolímeros. Algunos ejemplos de estos materiales reciclados son las cenizas volantes, los relaves de mina y la escoria de fundición de hierro (Mehta y Siddique, 2016).

Activador alcalino

El activador alcalino es principalmente una disolución de sales alcalinas en agua destilada. Por lo general, se utiliza hidróxido de sodio o hidróxido de potasio como agente alcalino (Lampris et al., 2009). El silicato de sodio, también conocido como vidrio líquido, junto con hidróxido de sodio o hidróxido de potasio, también se utiliza como agente alcalino (Lloyd y Rangan, 2010). Estas soluciones tienen altos contenidos de iones hidróxido (OH-), que reaccionan con los aluminosilicatos de la materia prima.

Geopolimerización

Fernández-Jiménez (2005) estableció que hay dos fases en el proceso de geopolimerización. La primera es la disolución de la materia prima en la solución alcalina para formar un gel de aluminio y silicio en la superficie de las partículas. La segunda es la policondensación para formar la red tridimensional de óxido de silicio y aluminio del polímero. La disolución de los aluminosilicatos de la materia prima en la solución alcalina forma tetraedros de SiO₄ y AlO₄, y posteriormente, la adición química de iones alcalinos produce un material polimérico con enlaces Si-O-Al-O (---). Pacheco-Torgal et al. (2008) mencionan que solo los materiales con Si-Al pueden ser utilizados como materia prima para los geopolímeros.

Arcillas como el caolín y metacaolín son buenas fuentes de geopolímeros.

Los agregados, el tiempo y la temperatura de curado, el tipo de activador y la materia prima son factores importantes en el resultado final. Por lo tanto, no existe una receta definida en la síntesis de geopolímeros utilizada en la literatura. Zhang et al. (2014) han estudiado diferentes parámetros para obtener un buen punto de partida en la síntesis de geopolímeros. Han investigado el efecto de la composición de la materia prima, la solución alcalina, el tiempo de curado, la temperatura de curado y su efecto en las propiedades del producto final.

Zhang et al. (2014) encontraron que el tiempo de curado tiene un efecto significativo en la resistencia a la compresión de los geopolímeros a base de cenizas volantes. Los geopolímeros muestran el mayor incremento de resistencia a la compresión hasta los 180 días, lo que indica que a largo plazo un aumento de la resistencia es beneficioso para la industria de la construcción. También encontraron que una relación Si/Al de 2 presenta buenas propiedades mecánicas, lo cual puede ser un buen punto de partida para otros materiales distintos a las cenizas volantes. En conclusión, el estudio de las propiedades de los geopolímeros es extremadamente complejo y requiere de muchas investigaciones para acotar los rangos de parámetros y predecir las propiedades de los geopolímeros.

Uno de los parámetros más estudiados por los investigadores es la relación Si/Al. Sinha et al. (2013) determinaron que al aumentar la relación Si/Al y agregar sodio, se incrementa la resistencia a la compresión.

Desarrollo y colección de datos

Preparación de muestras

Se recopilaron cinco muestras de relaves de una mina de oro y cobre del norte de Perú, cada una de ellas con aproximadamente un 25% de sólidos. La pulpa se sedimentó por gravedad para el proceso de secado, separando el agua sobrenadante de los relaves finos. La parte líquida se descartó debido a su bajo contenido de sólidos, mientras que la parte sólida se colocó en bandejas grandes con un peso aproximado de 14 kg para su posterior secado en un horno a una temperatura de alrededor de 50°C (Cook &, 1991). Debido a restricciones externas y logísticas, la cantidad de relaves en las primeras cuatro muestras fueron limitadas, con solo 5 kg de relaves secos cada una, mientras que la quinta muestra se obtuvo 150 kg de relave seco.

Gravedad específica

Para determinar la gravedad específica, se utilizaron tres picnómetros de vidrio de 50 ml. La muestra se tamizó a través del ASTM de malla 200 y se pulverizó el peso retenido hasta que el 95% de la muestra pasara a través del tamiz. Luego, los picnómetros se secaron en un horno a 110 °C y se registró el peso del picnómetro seco, el picnómetro lleno de agua destilada, el picnómetro con la muestra mineral y el picnómetro con el mineral y agua. Finalmente, se registraron todos los pesos.

Análisis granulométrico

Se pesaron 250 g de muestra para proceder con el tamizado en húmedo utilizando tamices ASTM de malla 200, malla 230 y malla 450. Los pesos retenidos en cada tamiz se colocaron luego para secar en bandejas a una temperatura de 55 °C. Después de que las muestras se secaron, el peso retenido en el tamiz de malla 200 se tamizó a través de un conjunto de tamices ASTM de malla 30, malla 40, malla 50, malla 70, malla 100, malla 140 y malla 200. Finalmente, se pesaron los pesos retenidos en cada tamiz y se registraron los datos.

Pruebas mineralógicas y químicas

Para obtener la composición mineralógica y química, y comprender las reacciones geoquímicas involucradas en la preparación del cemento geopolimérico, se aplicaron cuatro pruebas fundamentales a las cinco muestras de relaves.

Difracción de rayos X (XRD). Se seleccionaron 80 mg de material para cada muestra. Los análisis de XRD se realizaron con el equipo DRX Bruker modelo D8 Discover con radiación de cobre (CuKα= 0.15418 nm), corriente de 40 mA y voltaje de aceleración de 40 kV con un detector Lynxeye con selectividad de energía. El análisis se realizó en un rango de ángulos (2θ) de 5 a 80 grados en incrementos de 0.02 grados y un tiempo por paso de 1 segundo. Por razones de visualización, los resultados se presentan solo en el rango de 5 a 70 grados. Para calcular la composición de las fases cristalinas y las amorfas, se aplicó el método de Relación de Intensidad de Referencia (RIR). La concentración mínima para este método es del 1% en peso. Esta técnica analítica permitió identificar las principales especies minerales: cuarzo, moscovita, pirita, albita, anortita y caolinita.

Fluorescencia de rayos X (XRF). Se seleccionó un gramo de material para cada muestra. Los análisis de XRF se realizaron con el espectrómetro de rayos X de dispersión de longitud de onda S8 Tiger de la marca Bruker (WDXRF) con un ánodo de rodio (Rh), corriente continua de 170 mA, voltaje de aceleración de 60 kV y colimadores con ángulo de apertura de 0.23° y 0.46°. Además de los cristales analizadores, se utilizaron PET, LIF (200), LIF (220) y XS-55, y dos tipos de detectores: contador de centelleo y proporcional de flujo. El análisis y determinación de la composición química se realizaron utilizando el programa Quantexpress, que realiza un ajuste "sin estándares". El modelo de evaluación fue por óxidos y el tiempo de medición fue de aproximadamente 17 minutos para cada muestra.

Análisis Ácido-Base (ABA). Los análisis de predicción de drenaje ácido de mina (DAM) se llevaron a cabo siguiendo el procedimiento propuesto por Skousen (2002). Se colocaron 2 g de muestra pulverizada en un matraz cónico de 250 mL y se añadieron 90 mL de agua destilada. Al comienzo del ensayo, se añadió entre 1-3 ml de HCl 1 N estandarizado. Luego, se colocó el matraz en un agitador. Después de 2 horas, se añadió una segunda cantidad de ácido. Después de 24 horas, se añadió agua destilada para alcanzar un volumen de aproximadamente 125 mL. Luego, se registró el pH antes de comenzar la neutralización hasta 8.3 mediante la adición de una solución estandarizada de NaOH 0.5 N o 0.1 N.

Análisis radiométrico. Se realizaron pruebas en muestras de relaves para evaluar su riesgo radiológico derivado de la exposición a radionucleidos naturales mediante la tasa de exhalación de radón y la espectrometría gamma. Para evaluar la tasa de exhalación de masa de radón, se utilizó un instrumento RAD7 mediante el método de cámara cerrada en una cámara de acumulación de acero inoxidable con una prueba de estanqueidad verificada adecuadamente. Dado que las mediciones se realizaron en un corto periodo (menos de un día), es posible descartar el impacto de fugas y difusión inversa.

El análisis radiométrico se llevó a cabo utilizando la espectrometría gamma con un detector de centelleo NaI(Tl) de 3x3" para determinar las concentraciones de actividad (CA) de los radionucleidos naturales 40K, 226Ra y 232Th (en Bq/kg). Se analizaron cinco muestras de relaves, que se colocaron en recipientes cilíndricos herméticos para evitar la fuga de radón, y se almacenaron durante un periodo de 28 días para alcanzar el equilibrio secular.

Las concentraciones de actividad, CA, de las cinco muestras de relaves se determinaron utilizando un foto pico (consultar ecuación 1) (ASTM, 2020):

donde:

ε = eficiencia absoluta de detección de los recuentos del espectrómetro de rayos gamma por desintegración a la energía de interés,

λ = constante de desintegración para el isótopo de interés, d-1,

R_net = tasa de recuento neta del foto pico de interés,

I = fracción gamma, gammas por desintegración, para esa energía de rayos gamma,

t = tiempo transcurrido desde la recolección de la muestra hasta el punto medio del tiempo de conteo de la muestra, días, y

m = masa de la alícuota de muestra, kg.

Pruebas de lixiviación. Se analizaron seis muestras de relaves geopolimerizados y una muestra de relaves (100%) mediante lixiviación en equilibrio, de acuerdo con la norma NEN 7341 (1995). Las muestras se pulverizaron y secaron a 40 °C durante 24 horas. Una porción se colocó en un matraz Erlenmeyer, y se agregó agua destilada en una proporción líquido-sólido de 10:1 (L/S = 10:1). La muestra se agitó a temperatura ambiente, y la solución resultante se filtró y analizó utilizando espectroscopía de absorción atómica.

Flotación

Para el ensayo, se utilizaron los reactivos carbono activado, colector (xantato Z-6) y espumante (metil isobutil carbinol MIBC). Las condiciones fueron las siguientes: tiempo de acondicionamiento de 5 minutos, tiempo de flotación de 15 minutos, velocidad del rotor de 1,500 rpm, capacidad de la celda de 1 kg de muestra y pH ~7, se agregó cal solo si era necesario. El equipo utilizado fue una celda de flotación de espuma Denver.

Geopolimerización

El experimento de geopolímero basado en relaves mineros involucró varios parámetros. Primero, se basó en el análisis químico y el análisis de FRx de la muestra de relaves. Estos se utilizaron para determinar la relación molar de Si/Al que se utilizaría en el geopolímero. En este caso, la relación se estableció entre 1 y 5. Para aumentar la concentración de aluminio, se agregó óxido de aluminio a la mezcla.

El segundo parámetro fue la relación Si/Na, que también se estableció entre 0.5 y 2.5. Este parámetro es importante porque afecta la estabilidad y las propiedades mecánicas del geopolímero final.

La concentración de hidróxido de sodio utilizada en la solución alcalina se estableció entre 9 y 13 molar. Esta concentración es crucial para la formación del geopolímero, ya que inicia la disolución de los aluminosilicatos y facilita el proceso de polimerización.

La mezcla se preparó considerando 15 recetas de geopolímeros a partir de los relaves 5, donde se variaron las relaciones de Si/Al y Si/Na. Todas las recetas se moldearon en moldes cúbicos de 5 cm según la norma ASTM C109 (ASTM, 2002). Después del moldeado, los geopolímeros se curaron a temperatura ambiente durante 15 días. Después de este periodo, los geopolímeros se curaron adicionalmente en un horno a una temperatura de 75 °C durante una semana.

Finalmente, se realizaron pruebas de resistencia en todos los geopolímeros.

Pruebas geomecánicas

Para las muestras geopolimerizadas, se utilizó el método estándar ASTM C109. Este proporciona un medio para determinar la resistencia a la compresión del cemento hidráulico y otros morteros, y los resultados se pueden utilizar para determinar el cumplimiento de las especificaciones.

Presentación y discusión de resultados

Gravedad específica

Se han calculado los resultados de la prueba de gravedad específica. Basándonos en los pesos registrados, la gravedad específica de la muestra mineral R1 es de 3.12 g/cm³, R2 es de 2.58 g/ cm³, R3 es de 2.60 g/ cm³, R4 es de 2.26 g/ cm³ y R5 es de 2.58 g/ cm³. Estos valores indican la relación entre la densidad de la muestra mineral y la densidad del agua destilada a una temperatura y presión estándar. Los resultados obtenidos en esta prueba proporcionan información importante sobre las propiedades de las muestras minerales. Por ejemplo, los relaves R2, R3, R4 y R5 consisten principalmente en cuarzo, mientras que la muestra R1 presenta una concentración de sulfuros más elevada debido al hecho de que estamos trabajando con relaves de una mina de sulfuro de cobre.

Análisis granulométrico

El análisis granulométrico de cada muestra nos permitió determinar el D80 (tamaño de malla de la abertura del tamiz por el cual pasa el 80% del sólido que está siendo tamizado). Los valores de D80 fueron de 50.10 µm, 125.9 µm, 176.55 µm, 117.62 µm y 125.03 µm para cada muestra, respectivamente, R1, R2, R3, R4 y R5, en la Figura 1 se aprecia el resultado obtenido por el análisis granulométrico.

Análisis químico

Se presentan los resultados del análisis químico de la muestra de relaves R5 utilizando ICP-MS (ver Tabla 1). Esta técnica analítica proporciona medidas precisas y exactas de elementos traza, lo que permite comprender en detalle la composición química de la muestra de relaves. Los resultados revelan que la muestra contiene concentraciones variables de varios elementos, incluyendo Cu, Pb, Zn, As, Sb, Cd y Bi. Los niveles de estos elementos son de particular interés debido a su posible impacto ambiental, así como su valor potencial para su recuperación. De la Tabla 1 podemos recalcar que las concentraciones de metales valiosos no presentan algún interés económico, además que la presencia de metales pesados podrá ser encapsulados en la estructura de los geopolímeros.

Análisis DRx

Los resultados del análisis de DRx de la muestra de relaves mineros se presentan en la Tabla 2 y la Figura 2. Esta técnica analítica permite determinar la composición mineralógica y la estructura de la muestra, brindando información sobre las propiedades físicas y químicas del material.

Los resultados revelan que la muestra de relaves mineros está compuesta predominantemente por cuarzo, con concentraciones variables de otros minerales como moscovita. Las fases minerales identificadas en la muestra son de particular interés debido a los compuestos de aluminosilicatos para la fabricación de cemento geopolimérico basado en relaves.

Análisis de Ácido-Base 

Los resultados del análisis ABA mostraron que cuatro relaves tienen el potencial de generar acidez. En este sentido, es esencial limpiar los relaves para evitar la posterior generación de drenaje ácido de mina (AMD, por sus siglas en inglés). Solo la muestra 4 de relave no mostró ser un generador potencial de acidez.

Flotación

La reducción del contenido de azufre en los relaves de la mina mediante el proceso de flotación por espuma ha arrojado excelentes resultados (ver Figura 3). Los relaves limpios ahora tienen un contenido de azufre de solo el 0.2%, lo cual es significativamente menor que la cantidad original (1%) en la muestra R5. Esta reducción es particularmente importante porque evita que los sulfuros reaccionen con la solución alcalina.

Al evitar la reacción entre los sulfuros y la solución alcalina, podemos asegurar que la mezcla resultante será más estable y menos perjudicial para el medio ambiente. Este es un paso esencial en el proceso de manejo de los relaves de mina, los cuales pueden tener impactos ambientales significativos si no se manejan correctamente.

Después de limpiar todas las muestras de relaves, obtuvimos la Tabla 3. En esta, "relaves" se refiere a los resultados de las muestras originales después de ser limpiadas. Esto significa que los relaves tienen una reducción de azufre de menos del 0.33% para las muestras con bajo contenido de azufre. Sin embargo, para los relaves con alto contenido de azufre, es necesaria una segunda etapa de flotación de azufre. Este proceso podría ser optimizado en un proceso continuo.

Análisis radiométrico

Los resultados del análisis radiométrico se muestran en la Tabla 4. Los niveles promedio de actividad de 226 Ra, 232 Th y 40 K en materiales naturales a nivel mundial son de 35 Bq/kg, 30 Bq/kg y 400 Bq/kg, respectivamente (Unscear). REL-4 y REL-5 presentan valores superiores al promedio mundial para 40 K. En el caso de los demás radionucleidos, todos los valores están por debajo de los niveles mundiales.

Las concentraciones de actividad de 226 Ra y 232 Th se encontraron por debajo de los niveles máximos permitidos, mientras que los niveles de 40 K fueron ligeramente más altos que el promedio mundial. Los índices radiológicos de estos relaves mineros estuvieron dentro de los límites permitidos, lo que indica que son seguros para utilizar como materia prima en la producción de cemento.

Prueba de resistencia simple

Se han recopilado y analizado los resultados de las pruebas de resistencia simple de las 15 muestras de geopolímero. Estas se realizaron siguiendo la norma ASTM C109 (ASTM, 2002), que mide la resistencia a la compresión del cemento hidráulico endurecido.

Los resultados indican que la resistencia a la compresión de las muestras de geopolímero varió de 0 MPa a 8.8 MPa (Figuras 4 y 6). La mayor resistencia se logró en las muestras con una relación Si/Al de 3 y una relación Si/Na de 2, mientras que la menor resistencia se observó en las muestras con una relación Si/Al de 3 y una relación Si/Na de 0.5.

Estos hallazgos sugieren que las relaciones Si/Al y Si/Na desempeñan un papel crítico en la determinación de la resistencia del geopolímero sintetizado a base de un relave de mina. La relación óptima para lograr la mayor resistencia en el geopolímero fue encontrada como una relación Si/Al de 3 y una relación Si/Na de 3, con una resistencia valorada de 8.81 MPa.

La relación molar SiO₂/Al₂O₃ es un factor esencial que determina la resistencia a la compresión de los geopolímeros. Estudios han demostrado que variaciones en esta relación pueden tener un impacto significativo en la resistencia del material. En este caso, se ha reportado que relaciones más bajas exhiben una resistencia moderada, pero la relación no está bien definida. Por lo tanto, se recomienda evaluar un intervalo más corto, quizás de 0.5 a 3, para determinar la tendencia de la resistencia a la compresión.

Por otro lado, resultados demuestran que los relaves mineros silíceos y el aluminio agregado para equilibrar la relación SiO₂/Al₂O₃ pueden formar geopolímeros correctos y estables. La presencia de átomos de sodio en la estructura tridimensional ayuda a equilibrar la carga de los geopolímeros, lo que resulta en una exitosa geopolimerización de los relaves mineros con aluminio agregado.

Además, es importante destacar que la relación SiO₂/Na₂O en estos relaves mineros puede tener un impacto significativo en la resistencia a la compresión. De hecho, como se muestra en la Figura 5, a medida que esta relación aumenta, también lo hace la resistencia a la compresión, hasta cierto punto. Una vez que la relación alcanza un valor de 4, el geopolímero alcanza su resistencia a la compresión máxima, que es de 7.3 MPa. Sin embargo, más allá de este punto, cualquier aumento adicional en la relación puede llevar a una disminución rápida en la resistencia a a compresión. Por lo tanto, es crucial considerar cuidadosamente la relación SiO₂/Na₂O al diseñar geopolímeros para aplicaciones en la industria de la construcción.

La concentración de la solución alcalina es un factor crítico para facilitar el proceso de geopolimerización. La Figura 6 muestra que la concentración óptima de la solución alcalina es de 10 M de hidróxido de sodio, lo que resulta en la máxima resistencia alcanzable. Además, el geopolímero mezclado muestra un excelente comportamiento fluido, evitando la formación de burbujas en el geopolímero cúbico final curado. Sin embargo, el proceso de geopolimerización requiere un tiempo de curado más largo a temperaturas ambiente. Es importante tener en cuenta que el uso de un horno puede reducir significativamente el tiempo de curado, pero esto puede afectar las propiedades mecánicas del geopolímero.

Prueba de lixiviación

En la Figura 7 se presentan los resultados de la prueba de lixiviación.

Conclusiones

1. Según los resultados obtenidos relacionados con la caracterización de los relaves mineros, se puede concluir que las muestras de relaves presentan una granulometría bastante fina. La gravedad específica de la muestra mineral R1 es de 3.12 g/cm³, R2 es de 2.58 g/ cm³, R3 es de 2.60 g/ cm³, R4 es de 2.26 g/ cm³ y R5 es de 2.58 g/ cm³. En cuanto a la prueba de acidez ABA, se determinó que las muestras R-01, R-02, R-03 y R- 05 tienen el potencial de generar acidez. Los resultados del análisis de difracción de rayos X indican que la muestra R-5 está compuesta predominantemente por cuarzo, con concentraciones variables de aluminosilicatos como la moscovita y la caolinita. Las fases

2. minerales identificadas en la muestra son de particular interés debido a los compuestos de aluminosilicato para la fabricación de cemento geopolimérico. El análisis de fluorescencia de rayos X revela que todas las muestras tienen un alto contenido de sílice, por lo tanto, el agente activador del geopolímero podría aplicarse como una mezcla de silicato de sodio e hidróxido de sodio con un contenido más alto del segundo componente para no aumentar el contenido final de sílice del geopolímero.

3. Además, el estudio investigó el efecto de las relaciones SiO₂/Al₂O₃ y SiO₂/Na₂O, y la concentración de la solución alcalina en la resistencia a la compresión de las muestras de geopolímero fabricadas a partir de relaves mineros silíceos de una mina de cobre ubicada al norte de Perú. Los hallazgos sugieren que la relación óptima Si/Al para lograr la mayor resistencia en el geopolímero es 3, mientras que la relación Si/Na debería ser 3 para equilibrar la carga de los geopolímeros. La concentración óptima es de 10 M de hidróxido de sodio. En general, los resultados demuestran el potencial de utilizar los relaves mineros para crear una alternativa ambientalmente amigable al cemento o ladrillos tradicionales.

4. Según los resultados de las pruebas de lixiviación en equilibrio, las muestras geopolimerizadas reaccionaron con agua destilada. Se observó un aumento en la conductividad, lo que indica la presencia de iones en la solución. Sin embargo, el pH indica que no se está generando acidez (en estas condiciones). Los elementos que lixivian significativamente son cromo, plomo y hierro porque los resultados de las soluciones se encuentran en el rango básico. Además, la lixiviación de los elementos es mínima en comparación con su contenido en cada muestra.

5. Desde el punto de vista del análisis radiométrico, se obtuvieron resultados favorables en cuanto a los niveles de concentración de actividad (CA) para 40 K, 226 Ra y 232 Th en todas las muestras de relaves, así como en los resultados de la tasa de exhalación de radón (ER). Según los resultados mostrados en la Tabla 4, se puede concluir que no se requiere ninguna acción de remediación debido a las bajas concentraciones de actividad determinadas, y los relaves se pueden utilizar como materia prima para la producción de materiales de construcción como ladrillos o cemento.

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