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Contaminantes de origen minero

La minería en su conjunto produce toda una serie de contaminantes gaseosos, líquidos y sólidos, que de una forma u otra van a parar al suelo. Esto sucede ya sea por depósito a partir de la atmósfera como partículas sedimentadas o traídas por las aguas de lluvia, por el vertido directo de los productos líquidos de la actividad minera y metalúrgica, o por la infiltración de productos de lixiviación del entorno minero: aguas provenientes de minas a cielo abierto, escombreras (mineral dumps), etc., o por la disposición de elementos mineros sobre el suelo: escombreras, talleres de la mina u otras edificaciones más o menos contaminantes en cada caso.

Ya hemos visto en los temas anteriores lo que se refiere a las emisiones mineras a la atmósfera y agua, pero ¿cómo actúan éstas sobre el suelo? ¿Qué interacciones originan?

La presencia de gases contaminantes de origen minero en la atmósfera constituye sin duda un problema menor frente a los de origen industrial o urbano. Esto es debido a que sus volúmenes, comparados con los emitido por otro tipo de actividades, suelen ser limitados. Las excepciones son las relacionadas con la actividad metalúrgica (sobre todo de sulfuros) o de procesos de combustión directa de carbón. En estos casos, las emisiones gaseosas suelen ser ricas en SO2-SO3, lo que implica, como vimos en su momento, la formación de la denominada “lluvia ácida”, cargada en ácidos fuertes como el sulfúrico o el sulfuroso (pasos secuenciales):

SO2 (g) + H2O(l) <=> SO2(l)

SO2(l) + 2H2O(l) <=> H3O+ + HSO3-

HSO3- + H2O(l) <=> H3O+ + SO32-

Al llegar estos ácidos al suelo producen efectos devastadores sobre la vegetación, infiltrándose en el suelo. Cabe destacar también la acción sobre las aguas continentales (lagos), que puede ocasionar la muerte de peces y otros habitantes de esos ecosistemas.

La lluvia ácida puede producir efectos más o menos importantes en función de la alcalinidad del suelo: cuando el suelo contiene abundantes carbonatos tiene una alta capacidad de neutralizar estos efectos, mediante la formación de sulfato cálcico y liberación de CO2. A su vez, el CO2 liberado en el proceso puede combinarse con el agua del suelo produciendo ácido carbónico y bicarbonatos, que en todo caso son menos fuertes que los ácidos derivados del azufre. Así pues, en ausencia de agentes neutralizadores (carbonatos) la lluvia ácida acaba produciendo una acidificación del suelo, que degrada y oxida la materia orgánica que contiene, reduciendo considerablemente su productividad agronómica y forestal. Además, puede producir tanto la movilización de algunos componentes a través de la formación de sales solubles, como la inmovilización agronómica de otros, que pueden pasar a formar compuestos insolubles, no biodisponibles.

Por su parte, los vertidos o efluentes líquidos que llegan al suelo pueden tener efectos muy variados en función de su composición. En el epígrafe siguiente hablaremos más en detalle de este tema.

La disposición de elementos mineros sólidos sobre el suelo puede tener sobre éste efectos variados:

ü La de escombreras (mineral dumps) puede inducir la infiltración de aguas de lixiviación, más o menos contaminadas en función de la naturaleza de la mena presente en la escombrera en cuestión. Por ejemplo, mientras hay minerales fácilmente lixiviables (p.ej., pirita, esfalerita), otros son mucho más estables (p.ej., galena). De esta manera, es más fácil introducir en las aguas Zn2+, Cu2+, Fe3+, Fe2+ que Pb2+. También produce un importante efecto de apelmazado del suelo, relacionado con el peso de los materiales acumulados, que cambia completamente el comportamiento mecánico de éste incluso después de retirada la escombrera. Otro efecto es el de recubrimiento, que evita la formación y acumulación de la materia orgánica, y el intercambio de gases con la atmósfera.

ü La de los procesos derivados de la lixiviación en pila (heap leaching), comúnmente utilizados para la extracción metalúrgica de uranio, cobre y oro. La mena triturada es dispuesta en agrupamientos rectangulares de unos metros de altura sobre bases impermeables. En el caso del uranio y del cobre las pilas se riegan mediante aspersores con una solución de ácido sulfúrico (en el caso del cobre, se pueden introducir también bacterias de tipo T. ferrooxidans). La química del proceso es similar a la que vimos en el Tema 3 sobre drenaje ácido (ver). En cuanto al oro, su lixiviación se basa en la utilización de compuestos cianurados (normalmente cianuro de sodio). La pila también se riega con aspersores, y el proceso químico es del tipo:

2 Au + 4 CN- + 02 + 2 H2O -> 2 Au[(CN)2]2- + 2 OH- + H2O2

Aunque en todos los casos se utilizan superficies basales impermeables bajo las pilas, las infiltraciones son siempre posibles. Por otra parte, el viento puede formar aerosoles, arrastrando a áreas más o menos alejadas estos productos.

ü La de talleres de mina es una de las que tienen un mayor potencial contaminante, derivado de la presencia de hidrocarburos en grandes cantidades: depósitos de combustible para repostar, aceites pesados lubricantes, etc., cuyo vertido accidental suele ser bastante común, y tienen una gran facilidad de flujo y de infiltración en el suelo.

ü Otros edificios mineros (lavaderos, polvorines, oficinas, etc.) pueden producir efectos más o menos importantes, en función de factores diversos: existencia de instalaciones anexas, empleo de reactivos más o menos tóxicos, condiciones de almacenamiento de éstos, etc.

En definitiva, la minería puede producir sobre el suelo alteraciones más o menos importantes de carácter físico, físico-químico y químico, que en general ocasionan su infertilidad, o en el peor de los casos, mantienen su fertilidad pero permiten el paso de los contaminantes a la cadena alimenticia, a través del agua, o de la incorporación de los contaminantes a los tejidos de animales o vegetales comestibles.

Vulnerabilidad del suelo ante los contaminantes químicos

Uno de los principales problemas que puede producir la minería es la adición al suelo de una fase líquida. Esta habitualmente presenta una composición muy diferente a la que habitualmente se infiltra en el mismo en ausencia de actividades mineras (agua de lluvia). Las interacciones resultantes pueden ser muy variadas en función de la composición química del fluido, la mineralogía del suelo, y el factor climático (temperaturas medias, abundancia y frecuencia de lluvias).

Los efectos en el suelo en relación con la presencia de contaminantes pueden ser variados, e incluso variar con el tiempo o con las condiciones climáticas. En unos casos los contaminantes se acumulan en formas lábiles, de alta solubilidad, de forma que están disponibles para que los animales y vegetales que viven sobre el mismo puedan captarlos, y sufrir sus efectos tóxicos. También pueden facilitar la contaminación de los acuíferos, ya que las aguas de infiltración pueden incorporar a éstos los contaminantes. Pero también pueden tener un efecto absorbente, actuando como un biofiltro altamente reactivo que facilita la inmovilización de los contaminantes gracias a procesos físicos (filtración), físico-químicos (neutralización), químicos (sorción, precipitación, complejación, degradación química) o biológicos (biodegradación). En este sistema juegan un papel especialmente importante las arcillas, debido a sus propiedades de absorción, adsorción e intercambio iónico. Sin embargo, cuando se supera la capacidad de amortiguación del suelo, éste se convierte de hecho en fuente de contaminación. De igual forma, un cambio en las condiciones climáticas puede producir la reversibilidad del proceso. Por ello a menudo se habla de que la presencia de contaminantes en el suelo constituye una bomba de tiempo química, que aún si en un determinado momento no produce efecto alguno, si puede hacerlo en un futuro. Por ejemplo, si la erosión del mismo induce un transporte de los contaminantes a otras áreas.

En relación con ello, tenemos que definir el concepto de Carga Crítica de un suelo, como la cantidad máxima de un determinado componente que puede ser incorporado a un suelo sin que se produzcan efectos nocivos.

Esto nos lleva a otros conceptos importantes en lo relativo a la presencia de contaminantes en el suelo: los de geodisponibilidad y biodisponibilidad.

La geodisponibilidad es la consecuencia directa de la actividad minera: al llevar a cabo la explotación minera de un yacimiento, se ponen a disposición del medio geológico unos elementos que antes no lo estaban, o lo estaban de forma mucho más limitada. Cabe destacar, no obstante, que muchos yacimientos minerales, particularmente los de menas sulfuradas, son en sí fuentes naturales de contaminación ambiental. Esto depende en gran medida de si son o no aflorantes, de su profundidad (en especial, si se localizan por encima o por debajo del nivel freático), composición mineralógica, etc.

La biodisponibilidad, por su parte, sería “el grado por el cual un contaminante en una fuente potencial, está disponible para ser tomado por un organismo”. Por ejemplo, muchas plantas tienen la capacidad de absorber determinadas concentraciones de elementos pesados, siempre que se encuentren en el suelo en formas solubles, o asociados a nutrientes básicos.

En definitiva, la minería pone a disposición del medio ambiente una serie de sustancias potencialmente tóxicas, pero que por lo general han de sufrir una serie de transformaciones físicas, químicas y biológicas para que puedan entrar en la biosfera. No obstante, y parafraseando la letra de una canción del grupo español Mecano, podríamos decir de la minería: “no podemos vivir sin ella, pero con ella tampoco”. El Nevada Bureau of Mines (USA) lo ha expresado de la siguiente forma: “If it isn’t grown, it has to be mined”. Sin embargo, hoy por hoy se están adoptando una serie de medidas correctoras que hacen que la minería aún siendo una vecina incómoda, al menos “sí podamos vivir con ella”.

Los procesos concretos que controlan las transformaciones son los siguientes:

Procesos de precipitación/disolución
Los compuestos que constituyen la contaminación pueden formar compuestos insolubles al ser depositados en el suelo. La naturaleza de tales compuestos insolubles dependerá de la composición del suelo, de la composición del contaminante, y otra parte, de las condiciones físico-químicas bajo las que se produce el fenómeno. Algunos ejemplos: el cadmio soluble precipita en forma de CdCO3 en presencia de carbonatos en el suelo. En otros casos, la formación de los compuestos insolubles está controlada por las condiciones de oxidación-reducción del suelo, de forma que por ejemplo un metal pesado estable en forma de compuesto soluble en condiciones oxidantes puede pasar a formar compuestos insolubles en condiciones reductoras; el mismo caso se produce con el pH: muchos metales pesados forman compuestos solubles a pH ácido, y compuestos insolubles en condiciones de pH alcalino. Naturalmente, el mismo caso puede darse a la inversa con otras especies mineralógicas. En este sentido, los diagramas Eh-pH constituyen una herramienta útil para predecir el comportamiento de un determinado elemento.

Este tipo de reacciones de precipitación/disolución están sujetas a limitaciones cinéticas: la formación de una fase sólida puede ser una reacción rápida una vez que todos los componentes que forman la fase sólida se encuentran presentes. El precipitado así formado es generalmente una fase mineral de muy baja cristalinidad, muy lábil frente a cualquier cambio en las condiciones que permiten su formación. Con el paso del tiempo, esta fase va adquiriendo una mayor cristalinidad y estabilidad físico-química (p.ej., paso de Fe(OH)3 a FeO(OH), y finalmente a Fe2O3). No obstante, cuando uno de los componentes necesarios para formar la fase nueva se encuentra inicialmente en fase sólida en el suelo, la cinética de la reacción suele ser más lenta. Todo ello condiciona la dinámica global del proceso.

Procesos de sorción/desorción
El proceso de sorción puede definirse como la interacción de una fase líquida con una sólida, y comprende en el detalle tres mecanismos: adsorción, precipitación superficial y absorción.

ü La adsorción consiste en la acumulación de una especie del líquido (adsorbato) sobre la superficie de una fase sólida (adsorbente). Es un proceso complejo, en el que se establecen fuerzas de asociación entre ambos componentes de muy diverso tipo: enlaces (covalentes, iónicos, por fuerzas de van der waals, por puentes de hidrógeno), intercambio de ligandos, energía de orientación dipolo-dipolo, efecto hidrofóbico).

ü La precipitación superficial consiste en la formación de un precipitado cristalino sobre el sólido, que puede tener su misma u otra composición.

ü La absorción implica la incorporación de la o las fases dentro del sólido, de forma más o menos uniforme en la estructura cristalina.

El desarrollo de estos fenómenos en su conjunto depende de las características del sorbato y del sorbente en varios aspectos: naturaleza de la fase líquida, de la especie o especies implicadas, de las condiciones físico-químicas del entorno, pero sobre todo, depende de la mineralogía del suelo, puesto que cada una de las fases minerales presentes en éste presenta características propias frente a este fenómeno. En concreto, las características de la fase sólida que influyen son:

ü El área superficial. El área superficial de una fase mineral a su vez depende de dos factores principales: su tamaño de grano y su naturaleza intrínseca. En lo que se refiere al tamaño de grano, cuanto menor sea, mayor será la superficie específica para un mismo volumen de la fase. En cuanto a la naturaleza de la fase, cada mineral presenta sus propias características en función de caracteres cristalográficos y físico-químicos. Algunos ejemplos se muestran en la tabla adjunta. A igualdad de otros factores, a mayor área superficial, mayor capacidad de sorción.

Mineral
Área superficial (m2 g-1)

Caolinita
7-30

Illita
65-100

Montmorillonita
700-800

Óxidos de Mn
30-300

Goethita
40-80

Por ejemplo, la adsorción de plomo (metal pesado altamente tóxico) por parte de la goethita puede ser descrita como un proceso del tipo:

Fe-OH + Pb2+ → Fe-OPb+ + H+ (Figura 2)

Figura 2.- Fenómeno de adsorción de Pb

por parte de la goethita.

Esta reacción tiene importancia en lo que refiere a la fijación de plomo lixiviado de labores mineras o escombreras, un proceso del tipo:

PbS + H2CO3 +2O2 → Pb2+ + 2HCO3- + SO4-2 + 2H+

el cual resulta de la interacción de la galena con el ácido carbónico y oxígeno disuelto en el agua de lluvia. El plomo así lixiviado puede migrar a pH ácido, sin embargo, a medida que este sube, el plomo va quedando fijado como catión adsorbido en goethita, y cuando se supera un pH de 6, todo el plomo ha sido retenido. A su vez, la goethita puede haberse generado a partir de la precipitación de Fe3+ que venía con el drenaje ácido de mina. Así podemos tener un circuito en el cual minerales como la pirita inician un proceso que lleva a la formación de goethita a lo largo de un curso fluvial a medida que el pH aumenta. Esa goethita a su vez es capaz de capturar al plomo proveniente de la lixiviación de la galena. Mientras más alto sea el pH, tendremos más goethita a lo largo del curso fluvial (disminuye la solubilidad del Fe3+), y mientras más goethita (y mayor pH), mayor adsorción de plomo por parte de la primera (Figura 3).

Figura 3.- Esquema de movilidad del Pb en función del pH y de la presencia

de goethita en el medio fluvial afectado por actividades mineras.

ü La carga estructural desarrollada sobre las superficies cristalinas, que puede ser de carácter eléctrico (cargas positivas o negativas no compensadas por la estructura cristalina, o que quedan libres en la superficie del cristal como consecuencia de su carácter finito), o dependientes del pH a través de la asociación o disociación de protones de los grupos funcionales de la superficie cristalina.

ü La presencia de materia orgánica húmica en el suelo, que permite el desarrollo de otros mecanismos, debido a que está formada por polímeros insolubles de compuestos alifáticos y aromáticos que contienen un gran número de grupos funcionales reactivos (carboxilo, carbonilo, amino, fenol, alcohol, sulfidrilo), susceptibles de enlazarse por diversos mecanismos con los metales pesados u otros componentes de la fase líquida del suelo, mediante fenómenos de complejación superficial.

Por su parte, los sorbatos pueden pertenecer a tres grandes grupos, con comportamientos diferentes frente a estos procesos: especies cargadas iónicamente, especies polares no cargadas, y especies apolares no cargadas. La mayor parte de los contaminantes de origen minero de carácter inorgánico, pertenecen al primer grupo, mientras que los dos últimos grupos corresponden fundamentalmente a especies orgánicas. Por tanto, estos contaminantes mineros participarán en procesos que impliquen la neutralización de sus cargas iónicas por los componentes del suelo.

Reacciones de complejación
La formación de complejos, sobre todo de metales pesados, es un factor que puede incrementar de forma muy considerable la solubilidad de éstos. Estas reacciones pueden darse tanto con moléculas orgánicas (naturales o sintéticas) como con radicales inorgánicos. En lo que se refiere a la complejación orgánica, puede resumirse en la reacción:

Me+ + HxL « MeLHx-1 + H+

donde L indica un ligando orgánico o inorgánico.

Entre los ligandos inorgánicos, el cloruro es uno de los formadores de complejos más eficaces en la solubilidad de metales pesados, tanto en ambientes naturales como contaminados. Por otra parte, los complejos metal-cloruros son generalmente menos tóxicos y considerablemente más móviles que los cationes metálicos en el suelo a causa de sus cargas neutras o negativas (CdCl20, CdCl3-, CdCl42).

Con respecto a los ligandos orgánicos, algunos confieren una alta toxicidad a los metales pesados correspondientes: por ejemplo, los complejos metilados del mercurio (metilmercurio, dimetilmercurio). Su formación está relacionada con la presencia en el suelo de agentes quelatantes, de forma que a mayor contenido del suelo en dichos agentes tendremos una mayor facilidad de movilización de los metales pesados. En concreto, la presencia en el suelo de lixiviados de materiales orgánicos residuales (compost de RSU, lodos) es uno de los factores más importantes en la movilización de los metales pesados presentes en esos residuos.

Bibliografía

ITGE (1995). Contaminación y depuración de suelos. Publicaciones del ITGE. 330 pg.

Krauskopf, K.B.; Bird, D.K. (1995) Introduction to geochemistry. McGraw-Hill, NY, 647 pp.

McLean, J.E.; Bledsoe, B.E. (1992). Behaviour of metals is soils. USEPA Ground Water Issue, EPA/540/S-92/018.

Porta, J.; López-Acevedo, M.; Roquero, C. (1999) Edafología para la agricultura y el medio ambiente. Ediciones Mundi-Prensa. 849 pg.

Soil Survey Division, Natural Resources Conservation Service, United States Department of Agriculture. Official Soil Series Descriptions [Online WWW]. Available URL: "http://www.statlab.iastate.edu/soils/osd/" [Accessed 23 Mar 2001].http://www.statlab.iastate.edu/soils/index.html/

Williams, I. (2001) Environmental geochemistry. Wiley, NY, 388 pp

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