Estudio del comportamiento mecánico y durabilidad del monolito encapsulando elementos tóxicos (As, Cd, Pb y Hg) de los pasivos ambientales de la pequeña minería y minería artesanal del oro

Abstract

La minería, incluyendo la pequeña minería y la minería artesanal del oro, produce Relaves Mineros que contienen altas concentraciones de metales pesados y metaloides tóxicos como Arsénico, Cadmio, Mercurio y Plomo. Estos residuos plantean un grave problema ambiental y requieren una gestión adecuada. La tecnología emergente de geopolimerización permite la estabilización/encapsulación de estos elementos, dando lugar a un nuevo material geosintético llamado monolito geopolimérico. Este material requiere evaluación para garantizar su estabilidad física, química, microestructural y toxicológica tanto en su disposición final como en su uso como material de construcción. El objetivo de esta investigación fue evaluar el comportamiento mecánico y la durabilidad del monolito encapsulando elementos tóxicos (Arsénico, Cadmio, Plomo y Mercurio) presentes en los pasivos ambientales de la pequeña minería y minería artesanal del oro. Se empleó una metodología experimental y correlacional con un enfoque cuantitativo. Se elaboró un monolito geopolímero a base de relave minero, metacaolín, piedra pómez y una solución altamente alcalina y otro monolito de control con relave minero, cemento portland ordinario y agua para fines de comparación. Los monolitos geopoliméricos y de control se expusieron a altas temperaturas (200 °C, 400 °C, 600 °C, 800 °C y 900 °C) y siete medios agresivos diferentes: agua de mar, ácido acético al 10 % y 5 %, ácido sulfúrico al 5 % y 2,5 %, sulfato de magnesio al 5 % y agua residual industrial (de curtiembres). Se evaluaron las propiedades mecánicas, el desempeño microestructural y el impacto ambiental de los monolitos después de su inmersión en cada uno de estos medios durante 14, 28, 56 y 90 días. Los métodos de evaluación incluyeron análisis visual, variación de masa, resistencia a la compresión, análisis químicos y composición mediante Difracción de Rayos X (DRX) y Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FT-IR), caracterización microestructural mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y pruebas toxicológicas con el test procedimiento para determinar la característica de toxicidad (TCLP). Los materiales de partida fueron relave minero, piedra pómez y metacaolín, todos previamente tratados térmicamente y caracterizados. Los resultados mostraron que el relave minero tenía una granulometría inicial de diámetro 90 (D90) = 200 μm y diámetro 50 (D50) = 90 μm, con un contenido de mercurio de 465 mg/kg. La mezcla de piedra pómez, metacaolín y relave minero cumplió con los estándares EN 4560-1 y EN 197-1, con una composición SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 ≥ 70 %. Los parámetros operativos óptimos fueron 67 % de relave minero y 37 % de material aglomerante, la temperatura de curado a condiciones ambientales y una ratio Na2SiO3/KOH de 3.5. Se logró una resistencia a la compresión de 33 megapascales (MPa) a los 14 días de curado. Los monolitos geopoliméricos expuestos a altas temperaturas resistieron los impactos térmicos sin sufrir un deterioro significativo, manteniendo incluso una resistencia mecánica superior a 900°C. Este comportamiento se explica por la formación de fases cristalinas y la densificación de la estructura por sinterización. Los análisis de Difracción de Rayos X (DRX), Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FT-IR) y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) de los monolitos geopoliméricos después de la exposición a condiciones extremas mostraron un leve deterioro microestructural, atribuido a la despolimerización y desaluminización de los geles geopoliméricos formados, mientras que los monolitos de control no lograron soportar dichas condiciones extremas. Se logró un efectivo encapsulamiento de todos los metales pesados, incluyendo Arsénico, Cadmio, Plomo y Mercurio, tras 28 días de curado. Los niveles de cadmio y arsénico se mantuvieron por debajo de 0,00040 ppm y 0,0032 ppm, respectivamente. En cuanto al plomo, se registró una lixiviación de 0,3564 ppm en ácido acético al 10 %, mientras que en los demás medios se mantuvo por debajo de 0,1 ppm. Por su parte, el mercurio mostró concentraciones inferiores a 0,06 ppm, excepto en el agua residual industrial, donde alcanzó 0,788 ppm, cumpliendo con las normativas nacionales e internacionales. En conclusión, los monolitos geopoliméricos son aptos para aplicaciones en condiciones ambientales extremas, por que mostraron un mejor comportamiento mecánico y de durabilidad en comparación con el monolito de control.