Por: Christ Jesús Barriga, Universidad Nacional de Moquegua (Perú) y Eleonardo Lucas Pereira, Universidade Federal de Ouro Preto (Brasil).

Resumen

Para conocer el comportamiento en condiciones extraordinarias y con el uso de coagulante en el proceso de disposición de relaves fosfatados, fue fundamental realizar este estudio para predecir un modelo de disposición final consistente. 

En la metodología, las pruebas replicaron las situaciones extremas que se presentan en estos años ante la presencia del fenómeno El Niño. Por lo tanto, las pruebas de sedimentación se llevaron a cabo en una columna con seis contenidos de sólidos diferentes. 

Para ampliar la investigación, se utilizaron seis concentraciones de coagulante para optimizar la sedimentación. Trabajamos con relaves colocados en horno de secado a la temperatura del área de estudio, el cual presentó una velocidad de sedimentación superior a la de condiciones normales, además de mejorar mucho más con el uso de coagulante. 

El conocimiento del comportamiento fisicoquímico de los relaves finos es una herramienta fundamental para garantizar una mejor gestión de las obras de contención.

Introducción

El fenómeno de El Niño ocurre en Perú con cada periodo recurrente que dura varios meses, por la presencia de aguas cálidas a lo largo de la costa en el norte. Este calentamiento marino-costero está ligado a complejas interacciones con la atmósfera que se dan en el Océano Pacífico ecuatorial, acentuadas a miles de kilómetros de la costa peruana, siendo una manifestación de los cambios que se dan en las capas superficiales y subsuperficiales del mar. 

Este fenómeno provoca cambios en las condiciones climáticas, aumentando significativamente las precipitaciones en esta zona desértica. La Figura 1 muestra los valores proporcionados por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (Senamhi). Esta parte de las pruebas buscaba replicar las situaciones extremas que se daban en esos años ante la presencia del fenómeno de El Niño, donde los relaves, que pueden secarse por las altas temperaturas, volvían a pulpa debido a las lluvias extraordinarias que se presentan en el área desértica, donde está la mina de fosfato.

En la búsqueda de mejores resultados, el uso de coagulante ha sido una herramienta química muy utilizada en la industria (Bulushu, 1979; Dolejs, 1989; Boisvert et al., 1997; Luttrell, 2015; Hea et al., 2019). La etapa de beneficio es una de las más importantes para la obtención de minerales, requiriendo el uso de coagulantes para optimizar el tiempo y uso de agua durante el proceso de sedimentación (Dao et al., 2016; Skei y Syvitski, 2013). 

Dentro del proceso de sedimentación, hay varios pasos, que son muy importantes influenciados por la coagulación, y el material particulado necesita su uso. Un mejor diseño y manejo de las obras de contención están garantizados con el conocimiento del comportamiento geotécnico de los relaves finos y no deben ser evaluados convencionalmente con los fundamentos de las teorías clásicas, ya que no satisfacen el punto esencial del proceso de consolidación de materiales finos como fosfato de relaves (Pereira, 2017).

Según Día et al. (2019) el uso de un horno para el secado del material es una técnica utilizada para la calcinación de materiales orgánicos, reduciendo el contenido de agua y permitiendo su maduración, ya que los fosfatos bien cristalizados tienen una estructura más estable. 

Ramaroson et al. (2009, 2012) trabajaron con el tratamiento de sedimentos de fosfato soluble seguido de calcinación para producir materiales utilizables con propiedades físicas interesantes y para destruir material orgánico donde el producto tiene potencial para aplicación en ingeniería civil. Esta investigación tuvo como objetivo mejorar las etapas de sedimentación y consolidación para reducir el volumen de residuos producidos en el proceso de beneficio, además de optimizar los procesos de disposición de relaves fosfatados, sabiendo que la etapa de consolidación no se rige por la teoría clásica de Terzaghi (Terzaghi) et Frölich, 1936).

Otro aspecto interesante que influye en la investigación es la salinidad del agua que presentan los relaves como consecuencia del proceso de beneficio en el que se utiliza el agua de mar tratada por ósmosis, más aún con un contenido promedio de 4,576 ppm. El conocimiento de que existen altas temperaturas en el área de muestreo y el fenómeno de El Niño, que provoca fuertes lluvias, motivó el interés de replicar estos escenarios en el laboratorio, que es el objetivo de este trabajo. Se utilizó un proceso de sedimentación tradicional para establecer el efecto relativo de la salinidad sobre la floculación y se midió las tasas de sedimentación de diferentes suspensiones de salinidad, mostrando mejores resultados cuando el contenido de sal era mayor (Krone, 1962). 

Las pruebas con sedimentos muy finos mostraron resultados, por ejemplo, para una salinidad de 5 ppt, la tasa aumentó a 30 veces su valor en agua dulce, pero a 25 ppt fue solo el doble del valor a 5 ppt (Allersma, 1966). Bajas cantidades de sales floculantes o agua de mar son suficientes para que ocurra la floculación, la velocidad de sedimentación fue constante a salinidades superiores a 3 ppt para bajas concentraciones de sólidos en suspensión y superiores a 10 ppt para altas concentraciones (Migniot, 1968). 

La salinidad es un parámetro dominante que controla los procesos de floculación en agua salada (Edzwald et al. 1974). En pruebas de laboratorio, el efecto de la alta salinidad en la aceleración de la floculación es significativo en el contexto del tiempo de sedimentación (Burt, 1986).

Materiales y métodos  

Local de estudio

El Centro Tecnológico de Geotecnia Aplicada (CTGA) del Centro de Geotecnia de la Escuela de Minas (Nugeo) en Brasil fue donde se realizaron los ensayos necesarios para este estudio. Las muestras que provienen de roca sedimentaria marina dan origen a los relaves del proceso de beneficio y además de agua salada, constituyen la pulpa arrojada a los tanques de almacenamiento y el sistema de muestreo se realizó directamente desde el sistema de descarga. Así, se buscó conservar el contenido inicial de sólidos del material en un promedio de 15 y 16%. 

Posteriormente, se realizaron pruebas de columna de sedimentación con material en condiciones naturales y los relaves se secaron en estufa de laboratorio.

Prueba de columna de sedimentación

Se desarrolló una evaluación de las etapas de sedimentación de los relaves fosfatados y el comportamiento del desplazamiento de la interfase agua/lodo sobrenadante mediante pruebas de sedimentación en columna, utilizando vasos de precipitados convencionales con un volumen de 1,000 mL. 

El uso de columnas ha sido ampliamente utilizado en las pruebas de sedimentación, dependiendo de la necesidad, los autores aplicaron dimensiones específicas (Been y Sills, 1981; Santos, 2001; Silva, 2008). Columnas de dimensiones mayores a las comunes fueron la base para el estudio de la sedimentación y densificación de suelos blandos (Been y Sills, 1981). 

Para relaves de fosfato, es necesario calcular los índices de vacío promedio de la columna de lodo en función del tiempo de sedimentación. Considerando la saturación de la muestra, los contenidos de humedad iniciales y los índices de vacío en el instante 't = 0', es posible calcular los demás índices de vacío (para t ≠ 0), a través del conocimiento de la altura de los sólidos para cada ensayo tubo (Pereira, 2017).

Procedimiento de secado

El residuo de fosfato se colocó sobre una bandeja de aluminio para su tratamiento térmico en un horno estático. La velocidad de calentamiento de 3°C/min se impuso desde temperatura ambiente hasta isotérmicas designadas para experimentos naturales como en el área de estudio a un promedio de 35 °C. Este nivel se mantuvo durante 8 h, luego se disminuyó a temperatura ambiente durante 16 horas. El proceso se continuó hasta que los relaves estuvieron secos. Se midió la propiedad física más importante de los sedimentos como es el contenido de salinidad.

Resultados y discusión

Resultados de la prueba de columna

Durante la prueba de sedimentación se distinguieron tres etapas (floculación, sedimentación y consolidación), y las curvas típicas de este material se muestran en las Figuras 3 y 4, que representan la interfase clásica de sedimentación entre los relaves y el sobrenadante, que según la mecánica newtoniana, la potencia del acelerador actúa sobre las partículas como resultado de una acción y, en la trayectoria de las partículas, se pueden observar diferentes comportamientos durante estas etapas. 

Estos números muestran la relación entre la altura de la interfase entre los relaves y la interfase sobrenadante (ml), así como la velocidad de sedimentación calculada numéricamente en los ensayos de sedimentación realizados. Los contenidos de sólidos analizados fueron 8.5%, 11%, 13.5% (Figura 3), 16%, 18.5% y 21% (Figura 4), con diferentes concentraciones de coagulante, como se describe en las curvas.

La sedimentación de los relaves fosfatados presentó una notable curva que permite diferenciar fácilmente las etapas. En el proceso inicial se observó una secuencia lineal que está ligada a la formación de flocos, donde ocurre la reacción química y los intercambios iónicos entre el coagulante y el material, juntando las partículas y formando los flocos, iniciándose propiamente el paso de sedimentación, mostrando una relación exponencial. 

Hay una tendencia en la que hay un aumento de la velocidad, pero alcanzando un pico y disminuyendo paulatinamente, una vez que la etapa de densificación se ha presentado exponencialmente y ha concluido. De forma lineal, correspondiente al final de la consolidación, las Figuras 3 y 4 demuestran el proceso de sedimentación. 

Siguiendo a Imai (1981), la deposición de sedimentos (fracción arcillosa) tiene lugar en tres etapas, como paso previo a la sedimentación y consolidación. La fase de floculación se caracteriza por la unión de partículas más pequeñas, que forman otras más grandes.

La Tabla 1 muestra los valores más altos de las Figuras 5 y 6, obtenidos de las etapas del proceso de sedimentación, a partir de los valores máximos de la velocidad de esta. Se puede inferir que el coagulante fue más efectivo en condiciones en las que los relaves se secaron en estufa que en condiciones naturales para el proceso de sedimentación, pero al aumentar el contenido de sólidos, esta ventaja se pierde sutilmente hasta alcanzar valores similares a los de sus competidores. 

El coagulante alcanzó una velocidad máxima de 0.75 cm/min a una concentración de 80 ppm y un contenido de sólidos de 8.5% en condiciones de secado al horno y en condiciones naturales solo pudo llegar a 0.40 cm/min y a una concentración de 60 ppm con el mismo contenido de sólidos. En la mayoría de los casos, los mejores resultados son para concentraciones que oscilan entre 60 y 80 ppm.

La Tabla 2 presenta parte de los valores obtenidos de la prueba de sedimentación, valores que comienzan en la etapa de densificación, cuando la velocidad de sedimentación es cero y no hay más consolidación de los relaves.

Conclusiones

1. Durante las pruebas de sedimentación se pudo distinguir tres etapas diferentes, que corresponden a floculación, sedimentación y consolidación, en las cuales las velocidades para cada una fueron relativamente constantes, pero se encontraron picos al inicio de la fase de sedimentación, lo que representaría una aceleración intermedia percibiendo que al final la velocidad disminuye.

2. El modelo Imai permite definir la existencia de tres etapas durante el proceso de sedimentación, consecuentemente caracterizar y clasificar la sedimentabilidad de los relaves en una prueba de sedimentación. También posibilita estimar la concentración necesaria para que la fase de floculación alcance el punto óptimo que, dependiendo del contenido de sólidos, puede variar entre 60 y 80 ppm de coagulante para ambas condiciones, percibiendo que mejora aún más en el material seco, donde se produce un aumento repentino de la velocidad en los beneficios de la etapa de sedimentación, no descrito previamente en la literatura.

3. Dos razones han generado una mejor velocidad de sedimentación cuando se secan en horno, la primera es la mejora de los cristales de fosfato a través de su maduración, ya que los fosfatos bien cristalizados tienen una estructura más estable. Por otro lado, la salinidad aumentó aproximadamente entre un 10 y un 6% en proporción al incremento del contenido de sólidos, favoreciendo consecuentemente la sedimentación de relaves mineros con una alta eficiencia para este tratamiento.

4. Para condiciones normales, los contenidos de sólidos de 8.5, 11, 13.5, 16, 18.5 y 21% en la etapa de densificación se vieron significativamente afectados por la perturbación durante la etapa de sedimentación causada por el coagulante, es decir, aquellas pruebas que alcanzaron la máxima sedimentación. Los picos de velocidad son proporcionalmente directos al aumento de la altura final de densificación con diferencias de hasta 1.5 cm, provocando que el proceso de consolidación de los relaves no alcance por completo el volumen de agua presente en los vacíos del material que se deseaba. En cuanto a las condiciones en el horno, todos los niveles no presentaron una notoriedad significativa, siendo tres veces menor la diferencia que su competidor.

Agradecimientos

Queremos agradecer al Núcleo de Geotecnia de la Universidad Federal de Ouro Preto por ayudarnos a trabajar con las valiosas discusiones y aportes teóricos y a la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Educación Superior, que nos permitió mejorar la investigación con soporte financiero. A la Universidad Nacional de Moquegua por los comentarios técnicos para el análisis de los resultados. Primordialmente, a la empresa minera quien dispuso el material para ser estudiado en sus diferentes aspectos.

Bibliografía

Allersma, E.; Hoekstra, A. J.; Bijker, E. W. 1966. Transport Patterns in the Chao Phya Estuary, Delft Hydraulics Laboratory, Publication No. 47. DOI: 10.9753/icce.v10.36

ASTM: American Society for Testing and Materials. 2014. Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer. D-854. West Conshohocken, PA. 

ASTM: Standard Test Method for Particle-Size Distribution (Gradation) of Fine-Grained Soils Using the Sedimentation (Hydrometer) Analysis ASTM D7928 – 17.

Been, K. e Sills, G. C. 1981. Self-weight consolidation of soft soils: an experimental and theoretical study. Géotechnique, v. 31, n. 4, ISSN 0016-8505, E-ISSN 1751-7656, p. 519-535. https://doi.org/10.1680/geot.1981.31.4.519

Boisvert, J.; Cong To, T.; Berrak, A.; Jolicoeur, C. 1997. Phosphate adsorption in flocculation processes of aluminium sulphate and poly-aluminium-silicate-sulphate, Water Research, Volume 31, Issue 8, p. 1939-1946. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(97)00042-0

Bulushu K.R.; Kulkarni D.N.; Pathak B.N.; Lutade S.L. 1979. Removal of ortho and condensed phosphates by clay and aluminum sulphate from clear and turbid waters using Jar test, Indian J. Environ. Health, 21, p. 143-161. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(97)00042-0

Burnett W. C. e Veeh H. H. 1977. Uranium-series disequilibrium studies in phosphorite nodules from the west coast of South America. Geochimica et Cosmochimica Acta Volume 41, Issue 6, p. 755-757, 759-764. DOI: 10.1016/0016-7037(77)90046-1. https://doi.org/10.1016/0016-7037(77)90046-1

Burt, T. N. 1986. Field settling velocities of estuary muds. In: Mehta, A. J. (ed.), Estuarine Cohesive Sediment Dynamics. Lecture Notes on Coastal and Estuarine Studies, 14. Berlin, Germany: Springer Verlag, p. 126-150. 

Cheney T. M.; McClellan G. H.; Montgomery, E.S. 1979. Sechura phosphate deposits, their stratigraphy, origin, and composition. Economic Geology Vol. 74, 1979, p. 232-259. DOI: 10.2113/gsecongeo.74.2.232. https://doi.org/10.2113/gsecongeo.74.2.232

Dao, V.H., Cameron, N.R., Saito, K. 2016. Synthesis, properties and performance of organic polymers employed in flocculation applications, Polym. Chem., 7, p. 11-25. https://doi.org/10.1039/c5py01572c

Designation: D4318 - 17e1 Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils.

Dia, M., Zentar, R., Abriak, N., Nzihou, A., Depelsenaire, G.; Alain Germeau. 2019. Effect of phosphatation and calcination on the environmental behaviour of sediments, International Journal of Sediment Research, Volume 34, Issue 5, October, Pages 486-495. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2018.10.002

Dolejs P. 1989. Treatment of low alkalinity humic waters with partially neutralized aluminum sulphate, Environ. Technol. Lett., Volume 10, p. 41-48. https://doi.org/10.1080/09593338909384716

Edzwald J. K.; Upchurch J. B.; O’melia C. R. 1974. Coagulation in estuaries. Environmental Science and Technology 8: p. 58-63. https://doi.org/10.1021/es60086a003

Fassbender, H.W. 1967. Los fosfatos naturales de Sechura, Perú. Turrialba, 17 (2): p. 159–164. 

He, W.; Xie, Z.; Lu, W.; Huanbg, M.; Ma, J. 2019. Comparative analysis on floc growth behaviors during ballasted flocculation by using aluminum sulphate (AS) and polyaluminum chloride (PACl) as coagulants, Separation and Purification Technology, Volume 213, 15, p. 176-185. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.12.043

Imai, G. 1981. Experimental studies on sedimentation mechanism and sediment formation of clay materials. Soil and Foundations, v. 21, n. 1, p. 7-20.  https://doi.org/10.3208/sandf1972.21.7

Krone, R. B. 1962. Flume Studies of the Transport of Sediment in Estuarial Shoaling Processes, University of California, Hyd. Eng. Lab. and Sanit. Eng. Res. Lab., Berkeley, California. 

Luttrell W. E. 2015. Aluminum Sulfate, Journal of Chemical Health and Safety, Volume 22, Issue 6, p. 33-35. DOI: 10.1016/j.jchas.2015.10.012

Manheim, F.; Rowe, G. T.; Jipa, D. 1975. Marine phosphorite formation of Peru. Jour. Sed. Petrology, v. 45, p. 243-251. DOI: 10.1306/212F6D20-2B24-11D7-8648000102C1865D

Mcdonald, G. H. 1956. Miocene of the Sechura Desert, Piura. Bol. Soc. Geol. del Perú, 30: p. 225-242.  

Migniot, C. 1968. Étude des propriétés physiques de différents sediments très fins et de leur comportement sous des actions hydrodynamiques. La Houille Blanche, 7, p. 591-620. https://doi.org/10.1051/lhb/1968041

Pereira, E.L. 2017. Estudo das características de compressibilidade e adensamento de rejeitos de fosfato de baixa densidade com o uso de técnicas experimentais de laboratório e de campo; tese de doutorado, Núcleo de Geotecnia - Universidade Federal de Ouro Preto, Brasil, p. 254.

Ramaroson, J., Dia, M., Dirion J.-L., Nzihou, A., Depelsenaire G. 2012. Thermal treatment of dredged sediment in a rotary kiln: Investigation of structural changes; Industrial Engineering Chemistry Research, 51 (21), pp. 7146-7152. DOI: 10.1021/ie203023k

Ramaroson, J., Dirion, J.-L., Nzihou, A., Depelsenaire, G. 2009. Characterization and kinetics of surface area reduction during the calcination of dredged sediments, Powder Technology, 190 (1–2), pp. 59-64. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2008.04.094

Rodríguez I.; Villarreal E.; Acosta J.; Metalogenia y Geología Económica por Regiones. 2011. Instituto Geológico Minero y Metalúrgico; Dirección de recursos minerales y energéticos programa de metalogenia proyecto GE 33; 95 Memoria sobre la geología económica de la región Piura Ingemmet.

Santos, D. C. D. 2001. Determinação das propriedades de compressibilidade e permeabilidade do rejeito de bauxita da barragem de Marzagão através de ensaios de laboratório e de campo. 254f. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Viçosa – UFV, Viçosa.

Silva, W. R. 2008. Nova metodologia para determinação de propriedades de sedimentação e adensamento de rejeitos de mineração. 2008. 136f. Tese (Doutorado) – Universidade Federal de Viçosa – UFV, Viçosa.

Skei, J.M. e Syvitski, J.P. 2013. Natural flocculation of mineral particles in seawater-influence on mine tailings sea disposal and particle dispersal, Mineralproduksjon, 3, p. 1-10.

Terzaghi, K., Frölich, O. K. 1936. Theorie der Setzung von Tonschichten, F. Deutiche, Viena, Austria.

Veeh H. H.; Burnett W. C.; Soutar A. 1973. Contemporary Phosphorites on the Continental Margin of Peru. Science 31: Vol. 181, Issue 4102, p. 844-845. DOI: 10.1126/science.181.4102.844. DOI: 10.1126/science.181.4102.844