miniatura|dereita|Depósitos amarelos nun regato que recibe drenaxe ácida dunha mina a ceo aberto de carbón. A drenaxe ácida de minas ou, máis en xeral, drenaxe metalífera e ácida, ou drenaxe ácida de rochas é o fluxo de augas ácidas procedente de minas de metais ou de carbón ou de formacións naturais similares.
A drenaxe ácida de rochas prodúcese de forma natural en certos lugares como parte do proceso de meteorización das rochas, pero é exacerbado polos cambios a grande escala no terreo característicos da minaría e outras grandes construcións, xeralmente cando afectan a rochas que conteñen abondosos sulfuros minerais. Nas áreas onde a terra foi alterada (por exemplo, lugares onde se fixeron construcións ou estradas) poden orixinarse drenaxes ácidas de rochas. En moitas localidades, o líquido que se drena dos lugares de almacenamento de carbón, instalacións para o tratamento do carbón, lavados de carbón, e residuos de carbón pode ser moi ácido, e en tales casos considérase tamén drenaxe ácida de rochas.
O mesmo tipo de reaccións químicas e procesos poden ocorrer por medio de alteracións de solos sulfatados ácidos formados en condicións costeiras ou de estuario.
Nomenclatura Historicamente, as descargas ácidas procedentes de minas activas ou abandonadas foron denominados drenaxe ácida de minas. O termo drenaxe ácida de rochas foi introducido nas décadas de 1980 e 1990 para indicar que a drenaxe ácida pode orixinarse doutras fontes distintas das minas.Dowding, B. & Mills, C,: Natural acid rock drainage and its impact upon background metal concentrations , InfoMine.com. Accessed 23 September 2013. Por exemplo, un documento presentado en 1991 nunha importante conferencia internacional sobre este asunto titulábase: "A predición da drenaxe ácida de rochas. Léccións a partir da base de datos" (The Prediction of Acid Rock Drainage - Lessons from the Database)Ferguson, K.D. and Morin, K.A. The Prediction of Acid Rock Drainage - Lessons from the Database. Proceedings: Second International Conference on the Abatement of Acidic Drainage. Sept 16 to 18, 1991, Montreal, Quebec. Tanto a drenaxe ácida de minas coma a de rochas refírense a augas ácidas (de baixo pH) causadas pola oxidación de dulfuros minerais, aínda que drenaxe ácida de rochas é un termo máis xenérico.
Nos casos nos que as drenaxes procedentes dunha mina non son ácidas e levan metais ou metaloides disolvidos, ou eran orixinalmente ácidas, pero foron neutralizadas durante o traxecto seguido polo fluxo, entón denomínanse "drenaxes neutras de minas",Global Acid Rock Drainage Guide (GARD Guide) INAP: The International Network for Acid Prevention. Accessed 23 September 2013. "auga influenciada pola minaría"Gusek, J.J., Wildeman, T.R. and Conroy, K.W. 2006. Conceptual methods for recovering metal resources from passive treatment systems. Proceedings of the 7th International Conference on Acid Rock Drainage (ICARD), March 26–30, 2006, St. Louis MO. ou doutros modos. Ningún destes nomes acadou unha aceptación xeral.
Distribución miniatura|Neste caso, a pirita disolveuse dixando unha forma cúbica e ouro residual. Esta descomposición é o principal causante da drenaxe ácida de minas. A minaría subsuperficial a miúdo progresa por debaixo de táboas de auga, polo que hai que estar bombeando decote auga fóra da mina para que esta non se aolague. Cando se abandona unha mina, déixase de bombear, e a mina inúndase. Esta introdución de auga é o paso inicial na maior parte das situacións en que se produce drenaxe ácida das rochas. Moreas de residuos mineiros de barro, terra e rochas ou balsas de verteduras, e residuos de carbón son tamén unha importante fonte de drenaxe ácida de minas.
Unha vez que se expoñen ao aire e auga os sulfuros de metais (xeralmente pirita, que é un sulfuro de ferro) que se encontran nas rochas circundantes e nas que están sobre a veta, a súa oxidación xera acidez. As colonias de bacterias e arqueas aceleran moito a descomposición de compostos con ións metálicos, aínda que as reaccións tamén ocorren en ambientes abióticos. Estes microbios, chamados extremófilos pola súa capacidade de sobrevivir en duras condicións, viven de forma natural nas rochas, pero a limitación de auga e oxíxeno xeralmente fai que non proliferen en gran número. Os extremófilos especiais chamados acidófilos aprovéitanse especialmente dos baixos pHs das minas abandonadas. En especial, Acidithiobacillus ferrooxidans contribúe de forma clave á oxidación das piritas.
As minas metálicas poden xerar descargas moi ácidas cando o mineral é un sulfuro ou está asociado coa pirita. Nestes casos o ión metálico predominante pode non ser o ferro senón o cinc, cobre, ou níquel. O mineral de cobre máis explotado, a calcopirita, é un sulfuro de ferro e cobre e aparece xunto con outros sulfuros minerais. Deste xeito, as minas de cobre son con frecuencia as principais culpables das drenaxes ácidas de minas.
Nalgunhas minas, a drenaxe ácida detéctase entre 2 e 5 anos despois de que empece a actividade meneira, pero noutras tarda moito máis tempo. Ademais, as drenaxes ácidas poden seguir producíndose durante décadas ou séculos despois de que se detectaron por primeira vez, o que pode ser un problema ambiental a longo prazo.
Química A química da oxidación das piritas, a produción de ións ferrosos e despois fériicos, é moi complexa, e esta complexidade dificulta considerablemente o deseño de opcións de tratamento efectivo das drenaxes.
Aínda que hai moitos procesos químicos contribúen á drenaxe ácida de minas, a oxidación das piritas é con diferenza o principal contribuínte. A ecuación xeral deste proceso é:
2FeS2(s) + 7O2(g) + 2H2O(l) = 2Fe2+(aq) + 4SO42−(aq) + 4H+(aq)
A oxidación de sulfuro a sulfato solubiliza o ferro ferroso (ferro(II)), o cal é posteriormente oxidado a ión fériico (Fe(III)):
4Fe2+(aq) + O2(g) + 4H+(aq) = 4Fe3+(aq) + 2H2O(l)
Ambas as reaccións poden ocorrer espontaneamente ou poden ser catalizados por microorganismos que obteñen enerxía da reacción de oxidación. Os catións férricos producidos poden tamén oxidar máis pirita e producir ións ferrosos:
FeS2(s) + 14Fe3+(aq) + 8H2O(l) = 15Fe2+(aq) + 2SO42−(aq) + 16H+(aq) O efecto neto destas reaccións é liberar H+, o cal fai diminuír o pH e manter a solubilidade do ión férrico.
Papel dos microorganismos Varias especies de bacterias e arqueas acidófilas que viven nas minas son responsables de catalizar parte das reaccións que orixinan as drenaxes ácidas.Johnson, D.Barrie (1998). "Biodiversity and ecology of acidophilic microorganisms". FEMS Microbiology Ecology 27 (4): 307–17. doi:10.1111/j.1574-6941.1998.tb00547.x. A oxidación dos sulfuros metálicos é moito máis lenta se non están presentes microorganismos como, por exemplo, Acidithiobacillus ferrooxidans (sinónimo Thiobacillus ferrooxidans); esta bacteria xera ferro férrico, que é un potente oxidante das piritas. Outras bacterias implicadas na drenaxe ácida de minas son Leptospirillum ferrooxidans, Acidithiobacillus thiooxidans e Sulfobacillus thermosulfidooxidans. Tamén son importantes as arqueas da familia Ferroplasmaceae (como Ferroplasma acidiphilum, que oxida o ión ferroso), e as diminutas arqueas ARMAN, atopadas na mina de Iron Mountain en California e despois noutras partes do mundo. Prodúcense asociacións e sinerxías entre a comunidade de microorganismos das minas.
Efectos
Efectos sobre o pH miniatura|320px|Drenaxes ácidas en Río Tinto, Huelva. Nalgúns sistemas de drenaxes ácidas de minas as temperaturas chegan aos 47 °C, e o pH pode baixar ata -3,6 (os pH negativos son posibles en certas condicións).
Os microorganismos que poden contribuír a causar drenaxe ácida de minas poden prosperar en augas con pHs próximos a cero. Os pH negativos poden producirse cando a auga evapora en lagoas xa ácidas, o que incrementa aínda máis a concentración de H+.
Por exemplo, aproximadamente a metade das descargas de minas de carbón en Pensilvania teñen un pH por debaixo de 5.USGS > Pennsylvania Water Science Center > Coal-Mine-Drainage Projects in Pennsylvania Accessed 17 April 2012. Porén, unha porción significativa da drenaxe de minas nas rexións produtoras de carbón de Pensilvania tanto de carbón bituminoso coma de antracita é alcalina, porque a rocha calcaria das capas que cobren as vetas de carbón neutraliza os ácidos antes de que emane a drenaxe.
Precipitados amarelos Cando o pH da drenaxe ácida de minas se eleva por riba de 3, polo contacto con auga doce ou con minerais neutralizantes, o Fe(III) previamente disolvido precipita como hidróxido de ferro(III), que é un sólido de cor amarela-laranxa.Sam Alcorn (2007): Professor paints a bright picture with 'yellow boy' Bucknell University > News, September 2007. Accessed 4 January 2012. Son posibles outros tipos de precipitados de ferro, como óxidos de ferro e oxihidróxidos. Todos estes precipitados poden cambiar a cor da auga e afectar ás plantas e animais, alterando o ecosistema do regato. O proceso tamén produce ións hidróxeno adicionais, os cales poden incrementar máis a acidez do pH. Nalgúns casos, as concentracións de hidróxidos de ferro nos precipitados son tan altas, que os precipitados poden recollerse para o seu uso comercial en pigmentos.Robert S Hedin, Rocovery of marketable iron oxide from mine drainage, 2002 National Meeting of the American Society of Mining and Reclamation , Lexington KY, June 9–13, 2002. Published by ASMR, 3134 Montavesta Rd., Lexington, KY 40502
Contaminación por metais traza e semimetais Moitas descargas ácidas de rochas tamén conteñen elevados niveis de metais potencialmente tóxicos, especialmente níquel e cobre e baixos niveis de ións de metais traza e semimetais como chumbo, arsénico, aluminio, e manganeso. Os niveis elevados de metais pesados poden ser disoltos só en augas que teñan baixos pHs, como as que se atopan nas augas ácidas producidas pola oxidación de piritas.
Identificación e predición Nas explotacións mineiras é unha práctica común levar a cabo unha avaliación xeoquímica dos materiais da mina durante as primeiras etapas dun proxecto para determinar o potencial de produción de drenaxes ácidas. A avaliación xeoquímica pretende mapar a distribución e variabilidade de parámetros xeoquímicos clave, e características que xeran ácidos e lixiviado de elementos. Department of Industry, Tourism and Resources - Managing Acid and Metalliferous Drainage: Leading Practice Sustainable Development Program for the Mining Industry (PDF) Australian Government handbook, 2007: pg 28 - 40
Esta avaliación pode incluír: Toma de mostras. Probas xeoquímicas estáticas, como por exemplo, recontos ácido-base, especiación de sulfuros. Probas xeoquímica cinéticas: probas de consumo de oxíxeno, como o OxCon, para cuantificar a taxa de xeración de acidez.P.J. Schmieder, J.R. Taylor and N. Bourgeot (2012), Oxygen Consumption Techniques to Quantify Acidity Generation Rates, 1st International Acid and Metalliferous Drainage Workshop in China – Beijing 2012, http://earthsystems.com.au/wp-content/uploads/2013/05/Schmieder-et-al-2012_OxCon.pdf Modelos da oxidación, xeración e liberación de contaminantes. Modelos da composición de materiais.
Métodos de tratamento
Neutralización con cal