Introducción

El mundo moderno no podría ser como es ahora sin la minería. Hoy en día, la mayoría de los bienes y objetos que nos rodean tiene su origen en los minerales del subsuelo. Estos minerales se utilizan de diversas maneras en la sociedad, como en la elaboración de las diversas herramientas tecnológicas, desde la punta del lápiz de grafito hasta las baterías de los autos. La importancia de la minería radica en que provee de materias primas a gran parte de las otras industrias.

La fase de extracción de metales se lleva a cabo a través de procesos de beneficio y de transformación. El beneficio de minerales, que incluye las etapas de lavado, trituración, molienda, y concentración, utiliza el agua como medio de transporte y procesamiento. La concentración de minerales por flotación es uno de los procesos más importantes por su versatilidad y selectividad. Sin embargo, consume una gran cantidad de agua: esta representa entre el 80-85 % del volumen (50 % w/w considerando un mineral de densidad 4 g/cm³) de la pulpa mineral procesada en los circuitos de molienda y flotación ^[1], ^[2]-^[5]. Es evidente que el uso del agua en las unidades mineras debe mejorarse con la implementación de buenas prácticas que permitan la reducción del volumen de agua utilizado, así como la aplicación de técnicas amigables con el medio ambiente para proteger las fuentes de agua presentes y para futuras generaciones ^[6], ^[7].

Por lo anterior, es urgente buscar estrategias para el uso sustentable del recurso hídrico en los procesos de beneficio. En el presente artículo se discuten algunas técnicas de tratamiento de efluentes industriales que pueden ser aplicables al agua de reciclaje en la flotación de minerales de sulfuro.

Problemática

La industria minera es una de las industrias que requiere de grandes cantidades de agua y también es una de las industrias que dispone una cantidad importante de sustancias nocivas en el medio ambiente, tales como cianuro, tiosales, surfactantes orgánicos y metales pesados. Debido a lo anterior, se han buscado medidas que ayuden a lograr un uso eficiente de los recursos hídricos. Un ejemplo de estas medidas es la aplicación de tratamientos de remoción de especies químicas específicas, que afectan adversamente la separación selectiva de los minerales con valor, de aquellos que constituyen la ganga, con el objetivo de hacer posible reciclar aguas al proceso de flotación de sulfuros complejos ^[1], ^[8]-^[12]. Cabe señalar que las aguas de proceso comúnmente contienen altas concentraciones de los iones Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, Cl^- y SO₄ ^2-, que alteran la química del agua fresca, lo cual impacta de forma negativa el proceso ^[10], ^[13], ^[14]. Bajo las condiciones del proceso, las especies mencionadas forman complejos que se adhieren a la superficie del mineral de interés, lo cual afecta la selectividad y, por ende, su recuperación ^[10], ^[14], ^[15]. El tratamiento de aguas de proceso y su recirculación es una alternativa sustentable. Sin embargo, resulta complejo tratar el agua de proceso y al mismo tiempo tener en cuenta que la flotabilidad del mineral de interés no debe verse afectada.

Objetivos y principios del reúso de aguas

El reciclaje de agua en la industria de procesamiento de minerales tiene dos objetivos principales:

1. Reducir la demanda de agua fresca, lo que implica algunas cuestiones ambientales y económicas. Algunas minas se encuentran a grandes distancias de cuerpos de agua dulce, por lo que es necesario utilizar el agua de los mantos acuíferos de la región, lo cual es un problema debido al impacto en la reducción de disponibilidad de agua de la localidad. Otra alternativa de la industria minera para obtener agua fresca es transportarla, lo cual resulta costoso ^[3], ^[16-^18].

2. Reducir el volumen de los desechos contaminantes que resultan de los procesos de la industria minera ^[10], ^[14], ^[16].

En la Figura 1 se presenta un diagrama general del flujo de agua en una planta típica de procesamiento de minerales. En el diagrama se puede observar que el agua recuperada del concentrador puede ser reciclada y mezclada con el agua fresca; a esta alternativa se le denomina reutilización interna. Por su parte, la reutilización externa consiste en la reutilización de agua acumulada en la presa de jales, donde los sólidos se separan mediante el proceso de asentamiento natural ^[16].

Figura 1 Diagrama general del flujo de agua en una planta típica de procesamiento de minerales. Adaptado de Rao and Finch, 1989 ^[16]. 

Existen plantas de procesamiento de minerales que reciclan su agua de proceso utilizando diferentes estrategias. Por ejemplo, la compañía minera de Guemassa en Marruecos (en 2019) ^[19] produce tres concentrados a partir de un mineral de sulfuros complejos. En la planta el proceso de flotación el agua se recicla según sus efectos en las reacciones en la superficie mineral: las aguas de plomo y cobre se reutilizan en estas dos unidades, mientras que el agua del proceso del circuito de zinc se reutiliza solo en dicho circuito. De esta manera, se busca que el agua reciclada no tenga impacto en la eficiencia del proceso. Por razones económicas y la escasez de agua debida a la geografía (es un país semiárido), la gestión del agua de proceso es crucial. El consumo global diario de agua en la planta es de 4700 m³, solo el 25 % se recicla de las presas de jales, el resto es agua fresca ^[19].

Por otro lado, concentradores de América del Norte emplean agua de sus tanques espesadores (agua tratada de los jales lo suficientemente limpia para ser liberada al medio ambiente) para el proceso de molienda. En ese sentido, en ^[20] se estudiaron los efectos del reciclaje de agua en proceso de flotación con la finalidad de aumentar la recirculación del agua del tanque espesador y reducir el consumo de agua de proceso. Los resultados del estudio mostraron que se obtuvieron recuperaciones más altas de pirrotita (Fe₇S₈) utilizando agua recirculada del tanque espesador. Se sugirió que el aumento en la recuperación de pirrotita con agua recirculada podría ser consecuencia de la presencia de sólidos disueltos (e.g., fuerza iónica del agua), ya que estos sólidos aumentan el flujo de área superficial de burbujas y generan burbujas más pequeñas.

En otro ejemplo, la mina Boliden Kevitsa en Finlandia realiza investigaciones para desarrollar un enfoque de gestión de agua en el procesamiento de minerales, con el objetivo de aumentar la sustentabilidad y la rentabilidad en sus operaciones. La mina consiste en un concentrador de cobre, níquel y elementos del grupo del platino, y recicla el 90-95 % de su agua para su reúso en la planta. Sin embargo, el uso de dicha agua reciclada influye directamente en el proceso porque la calidad del agua se deteriora con la acumulación de especies como Ca, Na, Mg, K, SO₄ ^2-, entre otros reactivos presentes en ella. En este sentido, la investigación se centró en el monitoreo del xantato (colector) en el agua de proceso, con el fin de evaluar una posible reducción de este reactivo. Un menor consumo de reactivos para el concentrador de Kevitsa significa una reducción del impacto ambiental y ahorro en costos asociados con la operación de la planta ^[21].

Principios de la concentración de minerales mediante flotación

La flotación es uno de los procesos de concentración más eficaces para la separación de minerales. Se utiliza para procesar la mayoría de los minerales sulfuro y su uso se extiende también para los minerales metálicos no sulfuros y los minerales industriales ^[22]. La flotación es un proceso muy selectivo que utiliza las diferencias entre las propiedades químicas y físicas de los minerales de interés y de la ganga o estériles ^[23]. La teoría de la flotación es compleja debido a que involucra tres fases (sólido, agua y gas, usualmente aire), con muchos subprocesos e interacciones. La adhesión del mineral de interés a las burbujas de aire es el mecanismo más importante y esto representa la mayoría de las partículas que se recuperan en el concentrado (la minoría se recuperan por arrastre).

En la Figura 2 se ilustra el principio de flotación en una celda mecánica de flotación. El agitador genera turbulencia en la pulpa mineral con el objetivo de ocasionar una colisión entre las partículas minerales y las burbujas de aire, lo cual permite la adhesión del mineral de interés, el cual es transportado a la superficie para ser recuperado en forma de una espuma, dejando la ganga en la pulpa (colas). La flotación es un proceso muy selectivo y utiliza una gran variedad de reactivos para lograrlo (espumantes, colectores, depresores, reguladores y activadores) ^[24]. Estos reactivos son seleccionados de acuerdo con las propiedades del mineral de interés y del proceso de la planta.

Figura 2 Diagrama esquemático de una celda mecánica de flotación que ilustra el principio de la flotación. 

Composición del agua de proceso en plantas de flotación de minerales de sulfuro

El agua de proceso en los circuitos de flotación típicos contiene una variedad de iones metálicos que pueden introducir efectos indeseables, tales como Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, K⁺ y SO₄ ^2-[12], ^[25]. La concentración de estos iones varía de acuerdo con la ubicación de la planta, el mineral que procesan y algunas otras condiciones; sin embargo, el calcio y el magnesio son dos de los iones que se encuentran típicamente en las aguas de proceso ^[9], ^[12], ^[26]. El calcio presente en las aguas de proceso se debe al uso de cal (CaO, Ca(OH)₂) para modificar y regular el pH ^[2], ^[27]; mientras que la presencia de magnesio se debe a la existencia de algunos minerales que lo contienen, tales como la dolomita (CaMg(CO₃)₂), magnesita (MgCO₃) y brucita (Mg(OH)₂), los cuales son ligeramente solubles en soluciones acuosas ^[2], ^[4], ^[8], ^[9].

La Tabla 1 muestra las concentraciones de calcio y magnesio reportadas en aguas de proceso de diferentes plantas, en distintos países.

El efecto del calcio y el magnesio en el proceso de flotación de minerales sulfuros complejos ha sido estudiado previamente. Los resultados han sugerido que estos iones metálicos tienen un efecto adverso, ya que disminuyen la recuperación y selectividad de la flotación de minerales sulfuro como la galena (PbS), esfalerita (ZnS), calcopirita (CuFeS₂), pirita (FeS₂), entre otros ^[2], ^[9-^11], ^[26], ^[27], ^[30], ^[31]. Estos efectos adversos podrían ser la consecuencia de que algunas especies de calcio y magnesio precipitan en forma de hidróxidos sólidos sobre la superficie de los minerales, donde se adhieren sin formar enlaces químicos; o bien, se adsorben en forma de complejos hidroxo sobre sus superficies, con lo que establecen enlaces químicos con las superficies minerales ^[10], ^[14].

Las principales especies de calcio y magnesio encontradas en el rango de pH típico de la flotación (entre 6 y 12) son en forma de ion hidroxo e hidróxido, con la posibilidad de precipitar como carbonatos y sulfatos. Estas especies son hidrofílicas, por lo que tienden a deprimir la flotación: compiten por los sitios activos o bloquean la adsorción del colector, un reactivo crucial en la flotación que favorece la adhesión de las partículas minerales a las burbujas de aire ^[32]. Como consecuencia, varios investigadores han explorado técnicas para eliminar los iones de calcio y magnesio del agua de proceso, con el objetivo de evitar la depresión del mineral de interés y mejorar la eficiencia del proceso de flotación.

Técnicas de tratamiento utilizadas para la remoción de calcio y magnesio de las aguas de proceso

En el tratamiento de agua residual de las operaciones mineras, es crucial eliminar o reducir los iones metálicos y compuestos orgánicos, ya que imponen riesgos potenciales tanto para la producción industrial como para el ecosistema. Estos elementos también son responsables de gran parte de los problemas durante el proceso de flotación cuando se utilizan aguas de reciclo, además de provocar incrustaciones severas en los equipos y tuberías. Las técnicas principales de tratamiento incluyen principalmente la precipitación química, la ósmosis inversa, la electrodiálisis, el intercambio iónico y la precipitación electroquímica. La precipitación química es la técnica más comúnmente empleada debido a su versatilidad y rapidez de aplicación. Por otro lado, la precipitación electroquímica ha despertado interés recientemente por ser amigable con el medio ambiente y por tener una tasa de reacción rápida ^[33]. Las técnicas más importantes y utilizadas en la industria minera se detallan en la Tabla 2.

La remoción de calcio y magnesio ha sido objeto de estudio por parte de diversos investigadores, quienes han empleado una variedad de técnicas para este fin. Aunque la precipitación química es ampliamente utilizada debido a su rapidez y versatilidad, es crucial realizar un análisis cinético y termodinámico para determinar los reactivos adecuados que actúen como precipitantes, ya que las especies que precipitan no deben interferir con la flotación de los minerales valiosos. La Tabla 3 presenta los resultados de varias investigaciones sobre la remoción de calcio y magnesio.

De entre las técnicas mencionadas en la Tabla 3 para la remoción de los iones calcio y magnesio, la precipitación de estos iones utilizando como precipitante carbonato de sodio (Na₂CO₃) ha sido ampliamente estudiada y utilizada, porque se ha observado que tiene un efecto positivo en la flotación de algunos sulfuros complejos. Por ejemplo, Uribe-Salas and Espinosa-Gómez, 2010 ^[40] estudiaron el uso del carbonato de sodio en las aguas de alimentación de molinos de la Unidad Sabinas del Grupo Peñoles. En pruebas de laboratorio se demostró que la adición de Na₂CO₃ mejoraba la flotación de cobre y zinc ^[41]. Levay et al., 2001 ^[1] también estudiaron la remoción de Ca y Mg en solución en pruebas de planta. El análisis de las soluciones remanentes mostró que la concentración de calcio y magnesio disminuye con la adición de altas concentraciones de carbonato de sodio. Grano et al., 1995 ^[11] estudiaron la adición de carbonato de sodio al circuito de molienda del concentrador Hilton en Australia. Se encontró que la velocidad de flotación se incrementó con la adición de carbonato de sodio, aparentemente debido a la eliminación del sulfato de calcio que interfiere. Sin embargo, a pesar de los diferentes estudios realizados, hasta este momento aún no se ha reportado una razón fundamental que explique el comportamiento observado en distintas investigaciones. Por lo anterior, es necesario que la investigación continúe hasta determinar los mecanismos de reacción que ocurre entre los iones metal-carbonato, así como los mecanismos de interacción entre los minerales valor y los precipitados eventualmente formados.

Conclusión

El tratamiento y reciclo de las aguas de flotación en la industria minera es crucial para reducir el alto consumo de agua fresca. Se ha demostrado que el reciclaje del agua utilizada en la flotación puede ser benéfico para la conservación de los recursos hídricos locales, pero también puede alterar la química de la pulpa mineral y afectar negativamente el rendimiento de la flotación. Sin embargo, mediante el uso de técnicas de tratamiento adecuadas, es posible reducir significativamente la concentración de impurezas inorgánicas y orgánicas en el agua reciclada, lo que mejora la recuperación del mineral valioso y la ley de los concentrados obtenidos. Por lo tanto, es fundamental implementar estrategias efectivas de tratamiento de agua reciclada en las plantas de flotación, a fin de garantizar operaciones mineras más eficientes y sostenibles en el futuro.