Geochemistry of rare earth elements in acid mine drainage precipitates
- Autores: Alba Lozano
- Directores de la Tesis: Carlos Ayora Ibáñez (dir. tes.), Alejandro Fernández Martínez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Materias:
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- Resumen
Resumen de la Tesis: Las tierras raras (en inglés rare earth elements, REE) son conocidas como el conjunto de la serie de los lantánidos (La-Lu), itrio (Y) y escandio (Sc). Las tierras raras son materiales indispensables para las industrias modernas y en especial para las tecnologías verdes (aerogeneradores, baterías, láseres, catalizadores, etc.). Sin embargo a pesar de su gran demanda mundial, su abastecimiento es limitado, por lo que han sido catalogadas por la UE como materias primas críticas (Critical Raw Materials). Con el objetivo de asegurar el abastecimiento de REE en el futuro, en los últimos años se ha promovido la búsqueda de fuentes alternativas de estos elementos en todo el mundo.
El drenaje ácido de mina (en inglés acid mine drainage, AMD) producido por la meteorización de sulfuros de Fe, tiene un alto poder de lixiviación de las rocas, por lo que las aguas afectadas adquieren elevadas concentraciones en disolución de Fe, Al, SO4 y otros metales, como las REE. Así, las concentraciones de REE en AMD son entre dos y tres órdenes de magnitud superiores al resto de las aguas naturales y pueden suponer una fuente complementaria de recuperación de REE. El aumento de pH del AMD por mezcla con aguas neutras da lugar a la precipitación en los cauces de los ríos de oxy-hidroxisulfatos de hierro (schwertmannita), a partir de pH 3-3.5, y de aluminio (basaluminita), a partir de pH 4-4.5; acompañado de la eliminación de las tierras raras.
Debido a su acidez y carga metálica, el drenaje ácido de mina presenta un problema medioambiental de primera magnitud, por lo que se han desarrollado diferentes sistemas de tratamiento para minimizar su impacto. El sistema de tratamiento pasivo Disperse Alkaline Substrate (DAS) produce la neutralización de las aguas ácidas por la disolución de la calcita presente en el sistema, permitiendo la precipitación secuencial, de schwertmannita y basaluminita. Las tierras raras quedan retenidas preferentemente en el residuo enriquecido en basaluminita. A pesar de ello, aún no existen estudios que describan la adsorción de tierras raras tanto en basaluminita como schwertmannita en estos ambientes.
En esta tesis se estudia el mecanismo de retención de las tierras raras mediante adsorción en minerales sintéticos de basaluminita y schwertmannita, en función del pH y del contenido de sulfato disuelto. Con los resultados experimentales obtenidos, se propone un modelo termodinámico de adsorción para predecir y explicar la movilidad de las tierras raras observada en mezclas de AMD con aguas neutras y en un sistema de tratamiento pasivo.
La basaluminita y la schwertmannita presentan un carácter nanocristalino. Es conocido que la schwertmannita se transforma en goethita en semanas, liberando sulfato. Sin embargo, nada se sabe de la basaluminita y su posible transformación a otros minerales de Al más cristalinos. De este modo, la caracterización del orden local de la basaluminita a diferentes valores de pH y sulfato se expone en primer lugar. Dependiendo del pH y el sulfato en disolución, la basaluminita se transforma en diferentes grados a nanoboehmita en semanas, pero tiende a estabilizarse con la presencia de sulfato en solución.
Los experimentos de adsorción en basaluminita y schwertmannita con diferentes concentraciones de SO4 realizados para cada mineral y en rangos de 3-7 de pH han demostrado que la adsorción es fuertemente dependiente del pH, y en menor medida del sulfato. La adsorción de los lantánidos y del itrio es efectiva a pH 5, mientras que la del escandio comienza a pH 4. Debido a las altas concentraciones de sulfato en aguas ácidas, las especies acuosas predominantes de las tierras raras son los complejos con sulfato, MSO4+. Además del complejo sulfato, el Sc presenta importantes proporciones de Sc(OH)2+ en solución. En función de la dependencia del pH y de la importancia de la especiación acuosa, se propone un modelo de complejación superficial donde la especie acuosa predominante (Mz+) se adsorbe a la superficie libre el mineral, XOH, cumpliendo la siguiente reacción: Mz+ + nXOH = (XOH)nMz-n + nH+ La adsorción de los lantánidos y del itrio se produce a través del intercambio de uno o dos protones de la superficie de la basaluminita o de la schwertmannita, respectivamente, con los complejos sulfato acuoso, formando complejos superficiales monodentados con el mineral de aluminio y bidentados con el de hierro. En el caso del Sc, las especies acuosas ScSO4+ y Sc(OH)2+ forman complejos superficiales bidentados con ambos minerales. Complementando el modelo propuesto, el análisis de EXAFS del complejo YSO4+ adsorbido en la superficie basaluminita sugiere la formación de un complejo monodentado de esfera interna, coincidiendo con el modelo termodinámico propuesto.
El modelo de complejación superficial, una vez validado, ha permitido evaluar y predecir la movilidad de REE en los sistemas de tratamiento pasivos y en zonas de mezcla de aguas ácidas con aportes alcalinos estudiados en el campo. La preferente retención de las tierras raras en la zona de la basaluminita precipitada en los sistemas de tratamiento pasivo ocurre por adsorción de las mismas a pH entre 5-6. La ausencia de tierras raras en la zona de schwertmannita se debe al bajo pH de su formación, inferior a 4, que impide la adsorción de las mismas. Sin embargo, debido a su menor pH de adsorción, una fracción de Sc puede quedar retenida en la schwertmannita.
El modelo también predice correctamente la ausencia de REE en los precipitados de schwertmannita y el enriquecimiento de las tierras raras pesadas e intermedias respecto a las ligeras en los precipitados de basaluminita recogidos en el campo en las zonas de mezcla de aguas. Sin embargo, se ha observado una sistemática sobreestimación del fraccionamiento de las tierras raras en los precipitados de basaluminita. Este hecho se debe principalmente a que la precipitación del mineral no ocurre de forma síncrona con la adsorción, precipitando la basaluminita a partir de pH 4 y adsorbiendo tierras raras a pH más altos, entre 5 y 7, cuando las partículas sólidas han sido parcialmente dispersadas.
