Adsorción y desorción de arsénico en oxihidróxidos de fierro sintéticos como modelo de estudio para explicar uno de los mecanismos de su lixiviación de jales mineros
Arsenic adsorption and desorption on syntetic iron oxyhydroxides as study model to explain one of the mechanisms for its lixiviation from mining tailings
A. de la Peña-Torres1, I. Cano-Rodríguez1*, A.F. Aguilera-Alvarado1, Z. Gamiño-Arroyo1, F.I. Gómez-Castro1, M.P. Gutiérrez-Valtierra1 y S. Soriano-Pérez2
1 Departamento de Ingeniería Química, División de Ciencias Naturales y Exactas, Universidad de Guanajuato, Noria Alta S/N, CP 36050, Guanajuato, Gto. * Autora para la correspondencia. E-mail: irene@ugto.mx Tel: 01 (473) 73 20006 ext. 8132, 8106 (Fax)
]]> 2 Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de San Luis Potosí.
Recibido 1 de Diciembre 2011
Aceptado 9 de Septiembre 2012
Resumen
En este trabajo se presenta un estudio sobre la cinética y la adsorción al equilibrio de arsénico sobre oxihidróxidos de fierro sintéticos y su extracción por soluciones de bicarbonatos, como un modelo para explicar que una fracción de arsénico puede lixiviarse rápidamente de jales mineros por este mecanismo. La adsorción de arsénico sobre goethita y ferrihidrita sintéticas mostró una cinética de pseudo-primer orden, alcanzando el equilibrio en 6-7 días aproximadamente. Las isotermas de adsorción de arsénico sobre los oxihidróxidos sintéticos llevadas a cabo en diferentes temperaturas mostraron la misma y máxima capacidad de adsorción de 15-18 m/g, presentando un mejor ajuste al modelo de la Isoterma de Langmuir. El 95% de arsénico adsorbido sobre estos materialea fué extraído con una solución de bicarbonato de sodio 0.5 M, pH 8.5 en 2 h. Aproximadamente el 25% del arsénico total de los jales en estudio se lixivio con soluciones de bicarbonatos en 6 h. Estos resultados sugieren que en estos jales existe una fracción de arsénico unido a oxihidróxidos de fierro que puede ser lixiviada rápidamente por soluciones de bicarbonatos.
Palabras clave: arsénico, jales, adsorción-desorción, oxihidróxidos de fierro.
Abstract
]]> This work presents a study of arsenic adsorption kinetics and equilibrium on synthetic iron oxyhydrates and its extraction by bicarbonate solutions, as a model to exp lain the fast way for arsenic lixaviation from mining tailings by this mechanism. The arsenic adsorption on synthetic goethite and ferrihydrite showed a pseudo-first order kinetics, reaching the equilibrium in 6-7 days. The adsorption isotherms for arsenic on synthetic goethite and ferrihydrite carried out at different temperaaures levels showed the same and maximum adsorption capacity of 15-18 mg/g, presented a best fil according lo Langmuir Isotherm Model; 95% of arsenic adsorbed in these materials was extracted with bicarbonate solutions 0.5 M, pH 8.5 in 2 h. Approximately 25% of total arsenic present in the mine tailings was extracted by bicaabonate solutions in 6 h. The results suggest that in these tailings, there is an arsenic fraction bound to iron oxyhydrates thaf can be quickly lixiviated by bicarbonate s olutions.Keywords: aisenic, mining tailinga, adsorption-desorption, iron oxyhydrates.
1 Introducción
Los residuos que se generan durante las actividades mineras conocidos como "jales", representan riesgos potenciales a la salud humana y a los ecosistemas debido a varios procesos a los que están expuestos en donde se liberan elementos potencialmente tóxicos (EPT); esto depende principalmente de las características de los mismos y de su tiempo de abandono (Fergusson, 1990, Plumlee, 1999). Durante la producción de drenaje acido, proceso que se lleva a cabo al exponer a la intemperie los minerales provenientes de yacimientos subterráneos formados en condiciones reductoras (Moore y Luoma, 1990) se puede liberar arsénico, entre otros EPT. Simultáneamente, el arsénico liberado se puede estar adsorbiendo sobre óxidos e hidróxidos de fierro (Besoain, 1985, Taylor, 1990, Ferguson and Anderson, 1974); posteriormente bajo ciertas condiciones el arsénico puede volver a liberarse mas rápidamente (Acero y col., 2006). El riesgo potencial de contaminación por arsénico presente en jales no depende de su concentración total sino de la concentración de la fracción extraíble bajo ciertas condiciones, principalmente las que pueden presentarse de manera natural, ya que esta fracción es soluble, móvil y puede transportarse por y hacia sistemas acuosos (Sengupta, 1993, Anawar y col., 2003).
En el distrito minero de Guanajuato existen aproximadamente 95 millones de toneladas de residuos mineros producto de las actividades de extracción y beneficio de minerales (Ramos-Arroyo y Siebe-Grabach 2006). Adicionalmente, Medel (2008) caracterizó y evaluó la peligrosidad de jales históricos del Distrito Minero de Guanajuato en base a su potencial de lixiviación e indica que ninguno de los EPT se lixivia con porcentajes mayores del 0.4%. En otros estudios se argumenta que algunos jales de este Distrito no presentan liberación de acidez debido a la presencia de calcita en grandes cantidades que simultáneamente lo neutraliza (Carrillo-Chavez y col. 2003, Ramos-Arroyo y col. 2004) y que la cantidad de elementos traza asociados a sulfuros disminuye conforme aumenta el tiempo de exposición de jales a la atmósfera (Ramos-Arroyo y Siebe-Grabach, 2007).
Por otra parte, algunos estudios han demostrado que la presencia de soluciones de bicarbonatos interviene en el proceso de lixiviación del arsénico de la goethita y de la ferrihidrita provocando su disolución (Van Geen y col., 1994). En este contexto, es importante determinar la cinética e isotermas de adsorción-desorción de arsénico sobre oxihidróxidos de fierro sintéticos, como un modelo para explicar que una fracción de arsénico esta unida a estos y que puede ser lixiviada de jales mineros de manera rápida por el efecto de los bicarbonatos en solución. Esta disolución a su vez explicaría las fluctuaciones siibitas e instantáneas de las concentraciones de arsénico detectadas en las corrientes de agua que interactúan con los lixiviados de jales, sobre todo en aquellos con un alto contenido de carbonatos, arsénico y minerales fierro, entre otros (Rubio-Campos y col., 2010), como en el caso de este estudio.
Por otra parte, con la finalidad de implementar acciones para el adecuado tratamiento de agua que abastece una ciudad, es importante conocer el origen, época y condiciones de las fluctuaciones de la concentración de EPT y de arsénico principalmente, dada su toxicidad.
2 Metodología
]]> 2.1 Jales del Monte de San Nicolás del Distrito Minero de GuanajuatoLas muestras de los desechos mineros fueron colectadas de los jales pasivos (de gran edad de abandono y actualmente no generadores de drenaje acido) del Monte de San Nicolás del Distrito Minero de Guanajuato. Cabe mencionar que su ubicación, descripción del sitio, metodología para un muestreo representativo, caracterización fisicoquímica, análisis mineralógico por difracción de rayos-X y detección de As por absorción de rayos-X, entre otros, fueron previamente descritos por Rubio-Campos (2010, 2011).
2.2 Síntesis y caracterización de goethita y ferrihidrita
Con el propósito de analizar la cinética y las isotermas de adsorción y la desorción de arsénico en oxihidróxidos de fierro, la goethita se preparó de acuerdo a la metodología descrita por Reina (1996), mezclando una solución 0.6 M de sulfato de fierro con una solución de NaOH 1 M a pH 13 en agitación constante a 50 °C por seis días; al sólido formado se le agrega KOH 1 M y se le hace pasar una corriente de vapor de agua, se filtra y seca. La ferrihidrita se preparó de acuerdo a la metodología descrita por Raven (1998), mezclando una solución de Fe(NO3) 9 H2O con una solución de NaCl 1 M y agregando KOH 1 M lentamente y reposando por seis días a 2 °C; el sólido formado se filtra y se seca.
Las propiedades texturales de goethita y ferrihidrita sintéticas fueron determinadas por la técnica BET en un equipo ASAP 2010 a una temperatura 80 °C, para ser comparadas con las mismas muestras que contienen arsénico adsorbido.
Los materiales sintéticos también se sometieron un análisis infrarrojo (IR) y de difracción de rayos-x (DFX) en un equipo FT-IR, Perkin-Elmer, Spectrum 100, y DRX INEL modelo EQUINOX, respectivamente. Estos análisis también se realizaron en los oxihidróxidos sintéticos con arsénico adsorbido.
2.3 Determinación de la concentración de arsénico total
La concentración de arsénico total se determinó en un Espectrofotometro de Absorción Atómica Perkin Elmer Aanalyst 100 acoplado a un generador de hidruros (GH-EAA), a una longitud de onda 193.7 nm, apertura 0.7 nm; tiempo de integración 0.5 s con tres replicas, previa curva de calibración de arsénico con un coeficiente de correlación mayor de 0.95.
]]> Muestras de 10 g de jales fueron digeridas con agua regia (NO3H y HCl 1:3) de acuerdo a la metodología de la EPA 3051 (1994) para la determinación de arsénico total; para su digesción se empleó un horno de microondas Perkin Elmer, Multiware 3000.
2.4 Cinética de adsorción de arsénico sobre la goethita y ferrihidrita sintéticas
A muestras de 1 g de goethita y/o ferrihidrita sintéticas se les agregó 35 ml de una solución estándar de 10.0 ppm de arsénico pH 4.5, preparada a partir de arsenito de sodio, en seis diferentes tubos de polipropileno de 60 ml, respectivamente. Los tubos se mantuvieron en un baño de agua a 25 °C en agitación constantemente para promover la interacción de la solución y el sólido, favoreciendo así la adsorción de arsénico. La adsorción se suspendió centrifugando cada uno de los tubos a diferentes tiempos, hasta 8 h; en el sobrenadante se determinó la concentración de arsénico remanente por GH-EAA. Cada uno de estos experimentos se realizó por triplicado y la cantidad de arsénico adsorbido se calculó por diferencias de un control en las mismas condiciones, pero sin adsorbente.
2.5 Isotermas de adsorción de arsénico, a pH 4.5 y diferentes niveles de temperatura, sobre goethita y ferrihidrita sintéticas
A muestras de 1 g de goethita y/o ferrihidrita se les adicionó 35 ml de solución estándar de arsénico pH 4.5, preparada a partir de arsenito de sodio, de diferentes concentraciones (10, 50, 100, 200 y 500 ppm) en cinco diferentes tubos de polipropileno de 50 ml, respectivamente. Los tubos se mantuvieron en un baño de agua a 25 °C en agitación constantemente por 24 h para garantizar el equilibrio. Al cabo de este tiempo, la adsorción se suspendió centrifugando cada uno de los tubos; en el sobrenadante se determinó la concentración de arsénico remanente por GH-EAA. Este procedimiento se repitió para 30 y 40 °C. Cada uno de estos experimentos se realizó por triplicado y la cantidad de arsénico adsorbido se calculó por diferencias de un control en las mismas condiciones, pero sin adsorbente.
2.6 Efecto de bicarbonatos en la lixiviación de arsénico de goethita, ferrihidrita y de jales mineros
Muestras de 1 g de goethita y ferrihidrita con arsénico adsorbido, así como 1 g de jales del Monte de San Nicolás del Distrito Minero de Guanajuato, se pusieron en contacto con 25 ml de una solución de bicarbonato de sodio 0.5 M, pH 8.5 en agitación constante, y temperatura ambiente. La muestra de jales también se puso en contacto con una solución de bicarbonato de sodio 1 M, pH 10.5. A diversos tiempos, la desorción fue interrumpida por centrifugación y el arsénico fue determinado en solución por GH-EAA.
]]>3 Resultados y discusión
3.1 Jales del Monte de San Nicolás del Distrito Minero de Guanajuato
En cuanto a la caracterización de los jales en estudió, en un trabajo preliminar Rubio-Campos (2010, 2011) reportó una variación temporal y espacial de la presencia de elementos potencialmente tóxicos (EPT) como Zn, Cd, Pb, Mn y As; en estos mismos trabajos también se reportó que en estos jales se detectó la presencia de arsénico en sus dos principales estados de oxidación (III y V) por estudios de absorción de rayos-X (en el Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL) en Menlo Park, CA.), así como su alta capacidad de neutralización por su gran contenido de carbonatos y la consecuente generación de bicarbonatos en solución en epocas de lluvia o intensa humedad, condiciones en las que la lixiviación de arsénico puede presentarse de manera rápida, y otras características.
3.2 Caracterización de goethita y ferrihidrita, con y sin arsénico adsorbido
Las características texturales obtenidas por el metodo BET para la goethita y ferrihidrita con y sin arsénico adsorbido se presentan en la Tabla 1.
En esta tabla se observa que el área superficial, el volumen de poro, y el diaímetro de poro, son mayores sin la presencia de arsénico, ya que cuando el arsénico esta adsorbido sobre los materiales ocupa una fracción de volumen. Estas diferencias son mas marcadas para el caso de la ferrihidrita.
Cabe mencionar que en los espectros IR y DFX se presentan características amorfas de los oxihidróxidos sintéticos, sin variaciones observables por la presencia de arsénico (datos no mostrados).
]]> 3.3 Cinética de adsorción de arsénico sobre goethita y ferrihidrita
En la Fig. 1 se muestra las cinéticas de adsorción de arsénico sobre goethita (a) y ferrihidrita (b), respectivamente.
En esta figura se observa que en un tiempo aproximado de 6-7 h se alcanza un equilibrio de adsorción de arsénico y que en este punto la adsorción es de 0.04-0.06 mg/g.
Los valores de las cinéticas de adsorción de arsénico presentaron un mejor ajuste al modelo de pseudo-primer orden representado en la ecuación (1), como se muestra en la Fig. 2 (a) y (b) para la goethita y ferrihidrita, respectivamente.
Cabe señalar que para los estudios de adsorción se utilizo una sal de arsénico(III) ya que como se menciono anteriormente, esta especie esta presente en los jales en estudio (Rubio-Campos y col., 2010).
3.4 Isotermas de adsorción de arsénico sobre goethita y ferrihidrita, a diferentes niveles de temperatura
En la Fig. 3 se muestran las isotermas de adsorción de arsénico sobre goethita (a) y ferrihidrita (b), a diferentes niveles de temperatura.
En esta figura se puede observar que la capacidad de adsorción de arsénico no depende de la temperatura, ya que el perfil de concentración es prácticamente el mismo en las diferentes niveles de temperaturas ensayadas y que la máxima adsorción de arsénico en los materiales sintéticos es de 15-18 mg/g.
]]> Es importante mencionar que el pH al final de los experimentos de adsorción de arsénico sobre ferrihidrita y goethita presento una variación de pH 4.5 a pH 8.1. Esta variación de pH sugiere que el mecanismo de adsorción del arsénico puede estar llevándose a cabo mediante un intercambio ionico del grupo OH por AsO3-3. Estos resultados están acordes con otro reporte en donde se determina que el proceso de adsorción de arsénico sobre oxihidróxidos de fierro, los aniónes de arsenato o arsenito pueden desplazar al grupo hidroxilo, ocupando su lugar y que la carga y tamaño de iones son factores que determina la adsorción por intercambio ionico (Sparks, 1989).
3.5 Ajuste de las isotermas de adsorción de arsénico sobre goethita y ferrihidrita a modelos de adsorción convencionales
En la Fig. 4 se muestra el comportamiento de las isotermas de adsorción de arsénico sobre goethita (a) y ferrihidrita (b) con relación a los modelos convencionales de Langmuir y Reddlich Peterson, entre otros.
Es importante mencionar que la adsorción de arsénico sobre goethita y ferrihidrita, presentaron un mejor ajuste al modelo de la isoterma de Langmuir con 96% de correlación para ambos materiales, coincidiendo la máxima capacidad de adsorción teoí rica con la experimental. Otros modelos de isotermas de adsorción probados presentaron muy bajas correlaciones de ajustes (datos no mostrados).
3.6 Efecto de bicarbonatos en la desorción de arsénico de goethita y ferrihidrita
En la Fig. 5 se puede observar el comportamiento de la desorción de arsénico de la goethita (a) y ferrihidrita (b) por efecto de soluciones de bicarbonato, respectivamente.
En esta figura se puede observar que para ambos casos, en 2 h el 95% del arsénico adsorbido logro extraerse con la solución de bicarbonato. Esta extracción de arsénico puede estar llevándose a cabo porque el ion HCO3- desplaza por su acidez al ion arsenato/arsenito liberandolo en la solución (Kim y col. 2000).
]]> 3.7 Efecto de bicarbonatos en la lixiviación de arsénico de jales mineros
La lixiviación de arsénico de jales mineros con bicarbonato de sodio a diferentes concentraciones se realizó con el propósito de detectar alguna dependencia en rangos de concentración de bicarbonatos presentes de manera natural en los jales en estudio (Rubio-Campos, 2010). En la Fig. 6 se muestra la lixiviación de arsénico con una solución de bicarbonato de sodio 1.0 M, pH 10.5 (a) y 0.5 M, pH 8.5 (b).
En esta figura se observa una máxima lixiviación de arsénico de jales de 14-17 mg/g en aproximadamente 6 h con las dos concentraciones probadas, aunque a tiempos tempranos se detectó mayor lixiviación a mayor concentración de solución de bicarbonato.
Estos resultados muestran que el arsénico presente en los jales en estudio puede extraerse en aproximadamente 25-30% con soluciones de bicarbonato, ya que el arsénico total en los mismos jales se detectó en aproximadamente 56 mg/kg. Esto puede deberse al mismo mecanismo descrito para la adsorción-desorción de arsénico sobre oxihidróxidos de fierro presentes en los jales por el efecto de carbonatos (Anawar y col., 2004).
Estos resultados sugieren que una fracción de aproximadamente 25% del arsénico total en los jales pasivos del Monte de San Nicolás del Distrito Minero de Guanajuato, se encuentra adsorbida sobre los oxihidróxidos de fierro presentes en los mismos jales; y dada también la presencia de bicarbonatos, sobre todo en épocas de lluvia o de intensa humedad, se promueve su lixiviación y por lo tanto su movilidad hacia sistemas acuosos. Esto podría explicar las fluctuaciones de la concentración de arsénico en diversos reservorios de agua que interaccionan con los lixiviados de jales, ya que Rubio-Campos (2011) reporto que en estas condiciones se detectó aproximadamente 0.04 ppm, lo que representa casi el doble de la concentración de arsénico permitida en agua potable que es de 0.025 ppm (NOM-127-SSA1-1994).
Conclusiones
La ferrihidrita y la goethita sintéticas presentan micro poros y su area superficial, volumen y diámetro promedio disminuyen con arsénico adsorbido.
La adsorción del arsénico sobre goethita y ferrihidrita se rigen por una cinética de pseudoprimer orden, no depende de la temperatura y puede desorberse rápidamente por efecto de bicarbonatos.
El incremento de pH al final de los experimentos de adsorción de arsénico sobre los materiales sintéticos indica que dichos procesos pueden estar llevándose a cabo por un mecanismo de intercambio ionico donde el anión arsenito, o arsenato, puede desplazar al grupo hidroxilo de la goethita y ferrihidrita, que a su vez pueden ser desplazados por iones bicarbonato.
]]> Las muestras de jales de la mina de San Nicolás del Distrito Minero de Guanajuato contienen aproximadamente 56 mg/kg de arsénico total y la presencia de soluciones de bicarbonato, que puede generarse de manera natural dado su gran contenido de carbonatos, lograron lixiviarlo en 25% aproximadamente; por lo que esta fracción de arsénico en los jales en estudio es susceptible de movilizarse e incorporarse rápidamente a sistemas acuosos, provocando un riesgo potencial a la salud, ya que la concentración de arsénico puede superar los límites permisibles en agua potable establecidos en la normatividad vigente.
3.8 Agradecimientos
Los autores agradecen a SEP-PROMEP por el apoyo recibido a través del proyecto de Redes Temáticas de Colaboración de Cuerpos Académicos 2009-2011 y al CONACyT por el apoyo a los estudiantes becarios.
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