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1. INTRODUCCIÓN
A lo largo de la historia, la minería ha sido un pilar para el desarrollo y evolución de la humanidad, pero a consecuencia de esta, ha sucedido la generación a mayor escala de residuos con diferente composición química y, con ello, varían sus posibles aplicaciones o riesgo a la salud. En el estado mexicano de San Luis Potosí la minería es una actividad que se realiza formalmente desde el siglo XVI, inicialmente se aprovecharon los abundantes yacimientos de Cero de San Pedro (CSP) para la obtención de oro y plata.
Las actividades históricas de extracción y refinación de minerales por la industria minero-metalúrgica en el distrito minero de CSP, son evidentes hoy en día por la presencia de diferentes depósitos de escorias de fundición.
Las escorias de fundición son descritas como residuos en estado sólido, de masa generalmente vítrea que son generados inevitablemente en los procesos pirometalúrgicos y que la industria minero-metalúrgica ha empleado para procesar distintas menas y extraer metales de interés económico como lo es el oro, plata, cobre y plomo, entre otros [6].
Elementos como la plata y oro eran separados de la ganga a través de un proceso de fusión de la mena empleando fundentes como plomo metálico, galena o litargirio con el fin de mejorar la eficiencia en la separación de la plata del resto del mineral. La “grasa” era removida de la boca del horno, a su vez por una boca más pequeña en la parte inferior se deslizaba la plata liquida la cual contenía diferentes proporciones de Ag y Pb, se canalizaban hacia una pileta y se formaban planchas. Una vez obtenidas las planchas metálicas de Ag-Pb, la separación de los metales era realizada en hornos denominados “reverbero” mediante un proceso de oxidación de Pb para dejar libre el oro o la plata [10].
Normalmente, estos residuos de fundición se consideran como “estables” o “inertes” frente a las condiciones normales del medio ambiente (por ejemplo: el intemperismo) y han sido ocupados, por ejemplo: como materiales de relleno de calles, uso para materiales de construcción [3] y [8] y para modificar las propiedades de suelos agrícolas [11] y [2].
Por su origen industrial, la caracterización química de las escorias es necesaria para un entendimiento amplio de su uso y manejo.
El objetivo principal de esta investigación fue caracterizar química y mineralógicamente muestras de escorias colectadas en diferentes depósitos en el distrito minero de Cerro de San Pedro, San Luis Potosí.
2. USO INDUSTRIAL DE LAS ESCORIAS
Las escorias generadas en procesos de fundición de menas fueron depositadas originalmente en patios o vertederos localizados cerca de las plantas de beneficio. Por los volúmenes altos de mineral procesado, se generaron cantidades importantes de tales residuos, que cuentan con una dureza y resistencia importantes, además, dependiendo de sus características físicas y químicas, se les ha encontrado diversos usos [6, 2]. Según [9], el reúso de las escorias recae en tres categorías:
Utilidad como material para la construcción.
Recuperar elementos presentes.
Para llevar a cabo actividades de remediación del medio ambiente.
El método de fundición utilizado desde la época colonial para extraer los minerales, dio lugar a la formación de escorias que en esta investigación se analizarán.
3. ÁREA DE ESTUDIO
El distrito minero de CSP se localiza en la zona centro del estado de San Luis Potosí, México, entre las coordenadas de proyección UTM: X= 314464 Y= 2457911, aproximadamente a 19.5 km al noroeste de la capital del Estado, en el municipio de Cerro de San Pedro, como se observa en la Figura 1 [4].
En el distrito minero de CSP se localizan varios depósitos de escorias que no presentan ningún tipo de confinamiento o protección [7] y se encuentran en distintos poblados como (véase también la Figura 1):
4. METODOLOGÍA
Para el muestreo de escorias se consideraron los sitios de muestreo que ya han sido estudiados [7] en las localidades de Monte Caldera, Jesús María y San Antonio Eguía (véase la Figura 2). Al acceder a cada sitio se realizó un recorrido para verificar las condiciones generales y geolocalización de cada depósito. En cada lugar se colectó una muestra puntual y superficial de material particulado (tamaño de partícula entre gravas y arenas gruesas a medias). Estas muestras se guardaron en bolsas de polietileno, se etiquetaron y trasladaron al laboratorio. Como se colectó material seco, las muestras fueron reducidas en su tamaño hasta pasar una criba de acero inoxidable n° 9 (2 mm) de la serie Tyler, posteriormente mediante el método de cuarteo se obtuvo una muestra y un testigo de 200 g, respectivamente.
Figura 2 Muestra “de mano” (izquierda). Depósito de escorias muestreados en Monte Caldera (derecha).
Para efectuar el análisis químico, las muestras debieron ser disueltas en una mezcla de ácidos fuertes (HNO3-HF-HCl); de cada muestra de particulado fino fue tomado alrededor de 0.1 g y se colocaron en viales de teflón de 30 mL de capacidad, se siguió el método de digestión ácida descrita por [1], modificado de la técnica de digestión total (Basalt Digestion) diseñada en la Universidad de Arizona; usando ácidos concentrados grado ultrex y resuspendiendo el sólido resultante y aforando en agua desionizada hasta 50 mL. Cada muestra fue filtrada a través de membranas de 0.45 μm de tamaño de poro marca Millipore.
La cuantificación total de metales presentes en las muestras digeridas se realizó mediante Espectrometría de masas con fuente de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS, por sus siglas en inglés), modelo iCAP Qc de la marca Thermo Scientific, en el Laboratorio ICP-MS, Instituto de Geofísica, UNAM.
Algunas de las muestras colectadas fueron preparadas en forma de briquetas con resina epóxica, se pulieron “a espejo” y se cubrieron con una capa fina de grafito para ser analizadas en un microscopio electrónico de barrido marca Philips, modelo XL30, en el Instituto de Metalurgia de la UASLP.
5. RESULTADOS
Los datos obtenidos de la cuantificación de los elementos presentes en las muestras en el ICP-MS se presentan a continuación en la Tabla 1.
Tabla 1 Concentraciones totales (mg/Kg) para cada muestra
| Elemento | CSP-1 | CSP-2 | CSP-3 | CSP-4 | CSP-5 | CSP-6 | % de recuperación1 |
| Cd | 15 | 20 | 5 | 9 | 12 | 50 | 103 |
| Co | 15 | 13 | 12 | 20 | 11 | 20 | 102 |
| Cr | 140 | 145 | 99 | 119 | 110 | 100 | 118 |
| Cu | 2509 | 3218 | 1943 | 3457 | 1493 | 3123 | 100 |
| Fe | 633371 | 632318 | 636157 | 604164 | 533152 | 257436 | 107 |
| Mn | 6860 | 5638 | 7751 | 8515 | 5059 | 2978 | 95 |
| Ni | 89 | 376 | 1507 | 117 | 2 | 141 | 105 |
| Pb | 85734 | 86943 | 87200 | 88019 | 109781 | 87477 | 92 |
| V | 209 | 186 | 202 | 214 | 149 | 106 | 119 |
| Localidad del muestreo | Monte Caldera depósito localizado junto al arroyo | Jesús María | San Antonio Eguía | ||||
1 A partir de los datos del 2710 Montana soil highly elevated trace element concentration. NIST Standard Reference Material. U. S. Department of commerce. National Institute of standards and technology. Gaithesburg, MD. 20899. Analizado de la misma forma que las muestras
Figura 3 Proporción (%) de elementos encontrados en las muestras de Monte Caldera (promedio de las cuatro muestras), Jesús maría y San Antonio Eguía
De acuerdo con los resultados obtenidos (por ejemplo, no se incluyen otros elementos mayoritarios como Si, Ca, Al, Na), las escorias presentan en su mayor proporción al hierro (72% - 84%) plomo (12 a 24%), zinc (2 a 3%), manganeso (alrededor de 1%) y contenido menor de metales como cadmio, cobalto, cromo, cobre, níquel y vanadio. Los resultados son comparables con los obtenidos por [7]. El análisis de Correlación de Pearson efectuado con estos resultados (Tabla 2) indica que el hierro se encontró asociado principalmente con el manganeso, vanadio y zinc, mientras que el cobre se halló asociado con el cobalto.
Tabla 2 Análisis de correlación de Pearson para las concentraciones elementales totales en las muestras de escorias metalúrgicas analizadas
| Cd | Co | Cr | Cu | Fe | Mn | Ni | Pb | V | Zn | |
| Cd | 1.000 | |||||||||
| Co | 0.537 | 1.000 | ||||||||
| Cr | -0.198 | -0.169 | 1.000 | |||||||
| Cu | 0.380 | 0.750 | 0.360 | 1.000 | ||||||
| Fe | -0.909 | -0.547 | 0.540 | -0.153 | 1.000 | |||||
| Mn | -0.865 | -0.111 | 0.211 | 0.036 | 0.833 | 1.000 | ||||
| Ni | -0.363 | -0.391 | -0.353 | -0.280 | 0.332 | 0.387 | 1.000 | |||
| Pb | -0.154 | -0.430 | -0.280 | -0.682 | -0.112 | -0.285 | -0.322 | 1.000 | ||
| V | -0.835 | -0.217 | 0.483 | 0.083 | 0.924 | 0.949 | 0.323 | -0.373 | 1.000 | |
| Zn | -0.879 | -0.352 | 0.519 | 0.000 | 0.973 | 0.919 | 0.330 | -0.275 | 0.987 | 1.000 |
Correlación estadísticamente significativa debe ser >0.750
Las cuatro muestras colectadas en el mismo depósito de Monte Caldera resultaron muy similares (CSP-1, CSP-2, CSP-3 y CSP-4); por el tamaño del depósito se tomaron varias muestras para evaluar su contenido de metales; por lo tanto, es posible estimar que la composición de estas escorias es homogénea.
En los elementos que componen a las escorias de CSP se ha identificado la presencia de cadmio, níquel, plomo y zinc (elementos mayoritarios y con potencial tóxico), por sus cantidades pudieran llegar a ser dañinos para la salud del ser humano y los ecosistemas, por ello se pretende continuar con el estudio de los materiales analizados.
Entre los resultados obtenidos en la caracterización mineralógica, se identificaron mayoritariamente fases compuestas principalmente por óxido de plomo asociado con otros elementos como arsénico, antimonio y zinc (Figura 4).
En la Figura 5 se observa una partícula que presenta una microestructura con gotas minúsculas (droplet) de óxido de plomo en una matriz de silicatos. [5] describe esta microestructura para especímenes de escorias que se obtuvieron en “sistemas de hogar abierto” (open-hearth slag). Ambientalmente, esta característica permite estimar que los silicatos reducen la exposición y movilidad del plomo y los elementos que trae consigo (en la Figura 5 se identificaron As y Sb en las partículas de óxidos de plomo), esto también confirma que pueden ser materiales utilizables en la fabricación de concretos, por ejemplo.
6. CONCLUSIONES
Las escorias minero-metalúrgicas analizadas en esta investigación presentan concentraciones significativas de cadmio, níquel, plomo y zinc; los cuales pueden llegar a significar un riesgo para los seres vivos, aunque la estabilidad física y química de las escorias reduce esta condición. Las muestras fueron recolectadas cerca de sitios actualmente habitados, los depósitos de estas son muy cercanos a los espacios de desarrollo de actividades productivas como agricultura y ganadería en pequeña escala, esto nos motiva a realizar más análisis de las muestras, para el mayor conocimiento de su comportamiento y en un futuro la creación de un plan de manejo sustentable de estos materiales que involucre su valorización.
