1. No category

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA
EVALUACIÓN DEL USO DE DESECHOS DE LA INDUSTRIA
CERÁMICA PARA LA ELABORACIÓN DE MATERIAL DE
CONFINAMIENTO DE RELAVES SULFURADOS
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA
TAMARA ELIZABETH LEÓN OVIEDO
[email protected]
DIRECTORA: GUEVARA CAIQUETÁN, ALICIA DEL CARMEN PhD
[email protected]
Quito, mayo 2016
© Escuela Politécnica Nacional (2016)
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo, Tamara Elizabeth León Oviedo, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi
autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación
profesional, y que he consultado referencias bibliográficas que se incluyen en este
documento.
La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes
a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su
Reglamento y por la normativa institucional vigente.
__________________________
Tamara Elizabeth León Oviedo
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Tamara Elizabeth León
Oviedo, bajo mi supervisión.
________________________
Ing. Alicia Guevara PhD
DIRECTORA DEL PROYECTO
AUSPICIO
La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto semilla (PIS
14-30), que se ejecutó en el Departamento de Metalurgia Extractiva.
AGRADECIMIENTO
A Dios, por acompañarme siempre en cada paso y por haberme brindado siempre la
fortaleza para superar cada adversidad.
A mi mamá, por su amor incondicional y su apoyo en cada reto que me propuse.
A mi hermana, por alegrar mis días y ser mi mayor confidente y cómplice.
A mi papá, por siempre alentarme a dar más de mí y nunca conformarme.
A mi abuelito, por ser el mejor ejemplo de perseverancia y superación.
A todos esos amigos incondicionales que pude conocer en la universidad, por llenar
mis días de risas y cariño. Contar con ellos hizo que cada dificultad se vuelva más
llevadera y momentos cotidianos se conviertan en recuerdos invaluables.
Al Departamento de Metalurgia Extractiva, a su personal, tesistas, analistas y
profesores. Por esas sonrisas de aliento y su ayuda incondicional cuando la requerí.
A la Ing. Alicia Guevara, por su inmenso apoyo, confianza y por siempre instarme a
buscar soluciones.
DEDICATORIA
A ti Toya, siempre estarás presente…
i
ÍNDICE DE CONTENIDO
PÁGINA
RESUMEN
xv
INTRODUCCIÓN
xvii
1.
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1
Propiedades y usos de arcillas caoliníticas
1.1.1
Origen y propiedades de las arcillas caoliníticas
1.1.2
Caolín: estructura y propiedades
1.1.3
1.2
1.3
Usos de arcillas caoliníticas
Métodos de tratamiento y confinamiento de relaves sulfurados
1.2.1
Generación de drenaje ácido de roca en relaves sulfurados
1.2.2
Algunos métodos de remediación de relaves sulfurados
1.2.3
Métodos de contención de relaves sulfurados
1.2.4
Técnicas de confinamiento de relaves sulfurados
1
1
1
¡Error! Marcador
no definido.
5
7
7
10
17
19
21
Evaluación de infiltración multicapa
1.3.1
Fenómeno de infiltración
1.3.2
Métodos para estimar la infiltración
1.3.3
Infiltración a través de varias capas
21
26
30
2.
PARTE EXPERIMENTAL
33
2.1
Caracterización física, química y mineralógica de material
arcilloso y relave sulfurado
2.1.1
Caracterización física de las materias primas
2.1.2
Caracterización química de las materias primas
2.1.3
Caracterización mineralógica de las materias primas
2.1.4
Determinación del potencial de drenaje ácido del relave
sulfurado
2.2
2.3
Formulación de la pasta (desecho cerámico-arcilla)
2.2.1
Formulación de la pasta de confinamiento de relave
sulfurado
2.2.2
Evaluación de las propiedades cerámicas de las pastas de
confinamiento de relave sulfurado
2.2.3
Evaluación de las propiedades físicas de las pastas de
confinamiento de relave sulfurado
2.2.4
Selección y elaboración de la pasta cerámica
Evaluación de la infiltración de lixiviados de relave sulfurados en
35
35
35
36
36
38
38
39
39
40
ii
el material formulado
2.3.1
Estimación de la infiltración con el simulador de lluvia
2.3.1.3 Operación del equipo
2.3.1.4 Evaluación de la resistencia de la pasta de
confinamiento al impacto de las gotas de lluvia
2.3.2
Estimación de la infiltración con columnas saturadas
2.3.2.1 Determinación de la constante de saturación
(ks) para el relave sulfurado mediante carga
variable
2.3.2.2 Determinación de la constante de saturación
(ks) para la pasta formulada
2.4
2.5
3.
40
40
41
43
43
44
46
Definición del diagrama de flujo y dimensionamiento de los
equipos necesarios para la elaboración de 100 ton/día de pasta para
confinamiento de relaves
47
Determinación de la factibilidad económica preliminar de la planta
de 100 ton/día
48
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
50
3.1 Resultados de la caracterización física, química y mineralógica de
las materias primas
3.1.1
Resultados de la caracterización física de las materias
primas
3.1.1.1 Resultados de los análisis granulométricos y
determinación del d80
3.1.1.2 Resultados del análisis granulométrico láser
para las materias primas.
3.1.1.3 Resultados de la determinación de la densidad
real y aparente de las materias primas
3.1.1.4 Resultados de la determinación de humedad de
las materias primas
3.1.2
Resultados de la caracterización química y mineralógica
de las materias primas
3.1.2.1 Resultados de la determinación de la
composición química por absorción atómica
3.1.2.2 Resultados del análisis químico semi
cuantitativo para las materias primas
3.1.2.3 Resultados de la caracterización mineralógica
3.1.2.4 Resultados del análisis tclp del desecho
cerámico
3.1.3
Resultados de la determinación del potencial de drenaje
ácido del relave sulfurado
3.1.4
Resultados de las pruebas estaticas predictivas
3.2 Resultados de la formulación de la pasta cerámica (desecho
50
51
51
52
53
54
54
54
56
57
59
60
66
iii
cerámico-arcilla)
3.2.1
Resultados de la evaluación de las propiedades cerámicas
de las pastas de confinamiento de relaves sulfurados
3.2.1.1 Resultados de la determinación del límite
líquido
3.2.1.2 Resultados de la determinación del límite
plástico
3.2.1.3 Resultados de la determinación del índice de
plasticidad
3.2.2
Resultados de la evaluación de las propiedades físicas de
las pastas de confinamiento de relaves sulfurados
3.2.3
Evaluación macroscópica de las formulaciones evaluadas
3.2.4
Evaluación general de las propiedades de las
formulaciones cerámicas
66
3.3 Resultados de la evaulación de la infiltración de la pasta formulada
3.3.1
Resultados de la estimación de la infiltración con el
simulador de lluvia
3.3.2
Resultados de la estimación de la infiltración con
columnas saturadas
3.3.2.1 Resultados de la determinación de la constante
de saturación (ks) para el relave sulfurado
mediante carga variable
3.3.2.2 Resultados de la determinación de la constante
de saturación (ks) para la pasta formulada
3.3.2.3 Resultados de la determinación de las
constantes de saturación utilizando el concepto
de permeabilidad equivalente.
77
3.4 Definición del diagrama de flujo y dimensionamiento de los
equipos necesarios para la elaboración de 100 ton/día de pasta para
confinamiento de relaves
3.4.1
Condiciones de operación de los procesos
3.4.2
Balance de masa
3.4.3
Balance de energía
3.4.4
Dimensionamiento equipos principales para la producción
de 100 t/día de pasta cerámica
3.4.4.1 Criterios de selección de la amasadora
3.4.4.2 Dimensionamiento de las bombas de
alimentación
3.4.4.3 Dimensionamiento de los tanques de
alimentación
3.5 Resultados de la determinación de la factibilidad económica
preliminar de la planta de 100 ton/dia
67
67
68
69
71
74
76
77
86
86
87
89
90
90
92
93
94
94
95
96
100
iv
4.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. Conclusiones
4.2. Recomendaciones
106
106
107
BIBLIOGRAFÍA
109
ANEXOS
116
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÀGINA
Caracterización de materiales de acuerdo al índice de
plasticidad
2
Consistencia de minerales de acuerdo al índice
consistencia
3
Tabla 1.3
Propiedades físicas del caolín
3
Tabla 2.2
Fracciones extraídas en la determinación de
potencial de drenaje ácido
37
Formulaciones de las pastas cerámicas de
confinamiento de relaves sulfurados
38
Resultados del análisis granulométrico de las
materias primas
51
Tabla 3.2
Resultados de la densidad real y aparente
53
Tabla 3.3
Resultados del porcentaje de humedad
54
Tabla 3.4
Caracterización química de las materias primas
55
Tabla 3.5
Caracterización química del relave sulfurado
55
Tabla 3.6
Resultados del análisis químico semi cuantitativo
56
Tabla 3.7
Caracterización química del relave sulfurado
57
Tabla 3.8
Caracterización mineralógica del relave sulfurado
59
Tabla 3.9
Resultados del análisis TCLP del desecho cerámico
60
Tabla 3.10
Resultados de la determinación del potencial de
drenaje ácido en la primera extracción
61
Resultados de la determinación del potencial de
drenaje ácido en la segunda extracción
61
Resultados de la determinación del potencial de
drenaje ácido en la tercera extracción
62
Resultados de la determinación del potencial de
drenaje ácido en la cuarta extracción
62
Tabla 1.1
Tabla 1.2
Tabla 2.3
Tabla 3.1
Tabla 3.11
Tabla 3.12
Tabla 3.13
vi
Resultados de la determinación del potencial de
drenaje ácido en la quinta extracción
63
Resultados de la determinación del potencial de
drenaje ácido en la sexta extracción
63
Resultados de la determinación de drenaje ácido del
relave sulfurado
64
Resultados de la determinación de drenaje ácido del
relave sulfurado
65
Resultados límite líquido para las formulaciones
cerámicas
67
Resultados límite plástico para las formulaciones
cerámicas
68
Resultados del índice de plasticidad para las
formulaciones cerámicas
69
Resultados del índice de consistencia para las
formulaciones cerámicas
70
Evaluación de propiedades físicas de las muestras
secadas al ambiente
72
Evaluación de propiedades físicas de las muestras
secadas en estufa a 110 ºC
72
Tabla 3.24
Fotografías de las probetas frescas
74
Tabla 3.25
Fotografías de las probetas secas al ambiente
75
Tabla 3.26
Fotografías de las probetas secas al ambiente
75
Tabla 3.27
Datos experimentales obtenidos en la determinación
de la tasa de infiltración del relave sulfurado
78
Datos experimentales obtenidos en la determinación
de la tasa de infiltración del relave sulfurado con un
1 cm de pasta cerámica
79
Datos experimentales obtenidos en la determinación
de la tasa de infiltración del relave sulfurado con un
2 cm de pasta cerámica
80
Tabla 3.14
Tabla 3.15
Tabla 3.16
Tabla 3.17
Tabla 3.18
Tabla 3.19
Tabla 3.20
Tabla 3.21
Tabla 3.22
Tabla 3.23
Tabla 3.28
Tabla 3.29
vii
Tabla 3.30
Tabla 3.31
Tabla 3.32
Tabla 3.33
Tabla 3.34
Tabla 3.35
Datos experimentales obtenidos en la determinación
de la tasa de infiltración del relave sulfurado con un
3 cm de pasta cerámica
81
Datos experimentales obtenidos en la determinación
de la tasa de infiltración del relave sulfurado con un
4 cm de pasta cerámica
82
Datos experimentales para la determinación del
tamaño de gota
84
Resultados evaluación de la resistencia de la pasta al
impacto de las gotas
84
Datos experimentales obtenidos en la determinación
del Ks para el relave sulfurado con columnas de
vidrio
Valores de Ks del relave sulfurado calculados con las
columnas de vidrio
86
87
Datos experimentales obtenidos en la determinación
del Ks para la pasta cerámica con columnas de vidrio
88
Valores de Ks de la pasta formulada calculados con
las columnas de vidrio
88
Valores de Kv de la pasta formulada a distintos
espesores de pasta cerámica y 1 cm de relave
sulfurado
89
Tabla 3.39
Condiciones de operación de la amasadora
92
Tabla 3.40
Balance de energía de los equipos principales
94
Tabla 3.41
Salarios de los trabajadores de la planta
101
Tabla 3.42
Costos fijos de producción anuales
101
Tabla 3.43
Costos de materia prima e insumos
102
Tabla 3.44
Costos equipos de la planta de producción de pasta
cerámica
102
Monto de inversión total para la planta de pasta
cerámica
103
Monto de ingreso por venta de pasta cerámica
103
Tabla 3.36
Tabla 3.37
Tabla 3.38
Tabla 3.45
Tabla 3.46
viii
Tabla 3.47
Estado de pérdidas y ganancias
104
Tabla 3.48
Resultados de índices financieros
105
Tabla A.I.1
Juego tamices usados en la distribución
granulométrica
117
Resultados del análisis granulométrico del desecho
cerámico
123
Parámetros para la determinación de la densidad
aparente del desecho cerámico
123
Parámetros para la determinación de la densidad real
del desecho cerámico
124
Parámetros para la determinación del porcentaje de
humedad del desecho cerámico
124
Resultados del análisis granulométrico de la arcilla
importada
125
Parámetros para la determinación de la densidad
aparente de la arcilla importada
125
Parámetros para la determinación de la densidad real
de la arcilla importada
126
Parámetros para la determinación del porcentaje de
humedad de la arcilla importada
126
Resultados del análisis granulométrico de la arcilla
nacional
127
Parámetros para la determinación de la densidad
aparente de la arcilla nacional
125
Parámetros para la determinación de la densidad real
de la arcilla nacional
128
Parámetros para la determinación del porcentaje de
humedad de la arcilla nacional
128
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite líquido para la formulación
A
135
Tabla A.I.2
Tabla A.I.3
Tabla A.I.4
Tabla A.I.5
Tabla A.I.6
Tabla A.I.7
Tabla A.I.8
Tabla A.I.9
Tabla A.I.10
Tabla A.I.11
Tabla A.I.12
Tabla A.I.13
Tabla A.IV.1
ix
Tabla A.IV.2
Tabla A.IV.3
Tabla A.IV.4
Tabla A.IV.5
Tabla A.IV.6
Tabla A.IV.7
Tabla A.IV.8
Tabla A.IV.9
Tabla A.IV.10
Tabla A.IV.11
Tabla A.IV.12
Tabla A.IV.13
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite líquido para la formulación
B
136
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite líquido para la formulación
C
136
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite líquido para la formulación
D
137
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite líquido para la formulación
E
138
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite líquido para la formulación
F
138
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite líquido para la formulación
G
140
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite líquido para la formulación
H
140
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite líquido para la formulación
I
141
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite plástico para la formulación
A
142
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite plástico para la formulación
B
142
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite plástico para la formulación
C
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite plástico para la formulación
D
142
143
x
Tabla A.IV.14
Tabla A.IV.15
Tabla A.IV.16
Tabla A.IV.17
Tabla A.IV.18
Tabla A.V.1
Tabla A.V.2
Tabla A.V.3
Tabla A.V.4
Tabla A.V.5
Tabla A.V.6
Tabla A.V.7
Tabla A.V.8
Tabla A.X.1
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite plástico para la formulación
E
143
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite plástico para la formulación
F
143
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite plástico para la formulación
G
143
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite plástico para la formulación
H
144
Datos experimentales obtenidos en el ensayo de
determinación del límite plástico para la formulación
I
144
Valores iniciales y finales de las pruebas de
propiedades físicas de la formulación B
145
Valores iniciales y finales de las pruebas de
propiedades físicas de la formulación E
146
Valores iniciales y finales de las pruebas de
propiedades físicas de la formulación G
146
Valores iniciales y finales de las pruebas de
propiedades físicas de la formulación I
147
Resultados de los porcentajes de contracción lineal y
pérdida de peso de la formulación B
148
Resultados de los porcentajes de contracción lineal y
pérdida de peso de la formulación E
148
Resultados de los porcentajes de contracción lineal y
pérdida de peso de la formulación G
149
Resultados de los porcentajes de contracción lineal y
pérdida de peso de la formulación I
149
Flujo fondos del proyecto
166
xi
ÌNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1.1
Estructura cristalina del caolín
4
Figura 1.2
Cerámica con base de caolín
6
Figura 1.3
Generación de drenaje ácido
8
Figura 1.4
Mecanismos de fitorremediación
11
Figura 1.5
Mecanismo de remediación electrocinética
13
Figura 1.6
Proceso de extracción en tratamiento de relaves
sulfurados
14
Figura 1.7
Proceso de lavado en tratamiento de relaves sulfurados
16
Figura 1.8
Barreras verticales de contención
18
Figura 1.9
Proceso de vitrificación
20
Figura 1.10
Succión capilar y conductividad relativa como una
función del contenido de humedad
23
Relación de la velocidad de infiltración con la
intensidad de lluvia
25
Figura 1.12
Perfil de humedad del suelo
26
Figura 1.13
Infiltrómetros de cilindro
27
Figura 1.14
Simulador lluvia tipo formadores de gota
29
Figura 1.15
Esquema flujo perpendicular multicapa
31
Figura 2.1
Esquema del procedimiento experimental efectuado
34
Figura 2.2
Fotografía del simulador de lluvia
43
Figura 2.3
Esquema columna vidrio
44
Figura 2.4
Fotografía de la columna de vidrio con relave
45
Figura 2.5
Proceso de saturación de las columnas
45
Figura 1.11
xii
Figura 2.6
Figura 3.1
Figura 3.2
Figura 3.3
Figura 3.4
Figura 3.5
Figura 3.6
Figura 3.7
Columnas saturadas para la determinación del Ks de la
pasta formulada
46
Curva infiltración de únicamente el relave de Ponce
Enríquez
79
Curva infiltración del relave con 1 cm de pasta
formulada
80
Curva infiltración del relave con 2 cm de pasta
formulada
81
Curva infiltración del relave con 3 cm de pasta
formulada
82
Curva infiltración del relave con 4 cm de pasta
formulada
83
Evaluación resistencia de la pasta formulada a la caída
de gotas de lluvia desde una altura de 0,58 cm
85
Evaluación resistencia de la pasta formulada a la caída
de gotas de lluvia desde una altura de 0,50 m
85
Diagrama de bloques del proceso de producción de
pasta cerámica para confinamiento de relaves
sulfurados
93
Figura 3.9
Curva características de las bombas seleccionadas
96
Figura 3.10
PFD del proceso
99
Figura A.I.1
Gráfica para determinación del d80 del desecho
cerámico
123
Gráfica para determinación del d80 de la arcilla
importada
125
Figura A.II.1
Análisis granulométrico para el desecho cerámico
129
Figura A.II.2
Análisis granulométrico para la arcilla importada
130
Figura A.II.3
Análisis granulométrico para la arcilla importada
131
Figura 3.8
Figura A.I.2
Figura A.III.1 Análisis MEB para la arcilla importada
132
Figura A.III. 2 Análisis MEB para la arcilla nacional
133
xiii
Figura A.III.3 Análisis MEB para desecho cerámico
134
Figura A.IV.1
Curva de fluidez de la formulación B
136
Figura A.IV.2
Curva de fluidez de la formulación C
137
Figura A.IV.3
Curva de fluidez de la formulación D
138
Figura A.IV.4
Curva de fluidez de la formulación E
139
Figura A.IV.5
Curva de fluidez de la formulación F
139
Figura A.IV.6
Curva de fluidez de la formulación G
140
Figura A.IV.7
Curva de fluidez de la formulación H
141
Figura A.IV.8
Curva de fluidez de la formulación I
141
Figura A.VI.1
Esquema Botella de Mariotte
150
Figura A.VI.2
Dimensiones del reservorio del simulador de lluvia
151
Figura A.VI.3
Esquema de los agujeros en el simulador de lluvia
152
Figura A.VI.4
Esquema del mini simulador de lluvia
153
Figura A.VI.5
Esquema llenado simulador de lluvia
154
Figura A.VI.6
Pellets de harina para la determinación del tamaño de
gota
155
Figura A.IX.1
Determinación del límite líquido
163
Figura A.IX.2
Determinación del límite líquido
164
Figura A.IX.3
Esquema ensayos físicos aplicados a las pastas
formuladas
165
xiv
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO I
Fichas técnicas y caracterización de materias primas
117
ANEXO II
Análisis granulométrico de materias primas
129
ANEXO III
Determinación de la composición química elemental mediante
lectura en el microscopio de barrido (MEB)
132
ANEXO IV
Determinación de las propiedades cerámicas de las pastas de
de relaves-determinación de los límites de Atterberg
135
ANEXO V
Determinación de los porcentajes de contracción lineal y pérdida
de peso de las pastas cerámicas al ambiente y 110 ºC
145
ANEXO VI
Diseño y construcción del simulador de lluvia
150
ANEXO VII
Criterios selección de los equipos para la producción de 100 t/dia
de pasta formulada
157
ANEXO VIII
Hojas de especificaciones de equipos principales
159
ANEXO IX
Pruebas cerámicas y físicas.
162
ANEXO X
Flujo de fondos del proyecto
166
xv
RESUMEN
El presente proyecto tuvo como objetivo evaluar la posibilidad del uso de un desecho
proveniente de una empresa cerámica de grifería y sanitarios como material
impermeable de confinamiento de relaves sulfurados provenientes del sector de
Camilo Ponce Enríquez (Azuay), estos relaves contienen más del %45 de sulfuros y
son capaces de generar drenaje ácido. El desecho cerámico utilizado contiene
alrededor de 33 % caolín y fue obtenido a partir de los sólidos retenidos en un tamiz
vibratorio industrial (> 2 mm).
Se efectuó la caracterización física, química y mineralógica de las arcillas y del
relave sulfurado y se evaluó la toxicidad del material de desecho. Con el fin de
mejorar las propiedades físicas y cerámicas del desecho se le incorporaron
diferentes porcentajes de arcilla (nacional e importada), hasta formar una pasta
homogénea que brinde las características necesarias de impermeabilidad para
confinar los relaves sulfurados. En este caso se evaluaron las características de
plasticidad, contracción lineal y pérdida de peso de nueve formulaciones desechoarcilla y se seleccionó aquella que presentó un carácter medianamente plástico y
que no formó grietas posteriores al secado. La pasta seleccionada fue conformada
de 85% de desecho cerámico y 15% de arcilla importada, trabajando con una
humedad del 32%.
Para evaluar la impermeabilidad de la pasta se midieron las velocidades de
infiltración tanto de la pasta cerámica como del relave sulfurado, para el efecto se
construyó un simulador de lluvia y se emplearon columnas de vidrio con pasta y
relave. La presencia de una capa de pasta disminuyó el valor de la constante de
saturación del relave de 17,8 mm/h a 13,0 mm/h. De acuerdo a los valores
obtenidos, se clasificó a la pasta como prácticamente impermeable y se dio
cumplimiento al artículo 91 del Reglamento Ambiental de actividades mineras, que
estipula que las barreras de contención de relaves sulfurados deben ser
impermeables y para evitar la contaminación de acuíferos subterráneos.
xvi
Finalmente, se definió el diagrama de flujo para la producción de 100 ton/día de
pasta cerámica de contención de relaves sulfurados. Se dimensionaron bombas,
tanques y una amasadora continua para el proceso. Se evaluó la factibilidad
económica del proyecto y se estimó una inversión inicial de $269 938,80, la Tasa
Interna de Retorno (TIR) calculada fue de 7,72% y su Valor Actual Neto (VAN)
asciende a $1 120,37 por lo que el proyecto no se consideró económicamente
rentable, debido a sus altos costos de producción y precio comercial no competitivo.
xvii
INTRODUCCIÓN
La actividad minera a pequeña y gran escala produce relaves con un gran contenido
de sulfuros. Estos son colocados en diques que se encuentran expuestos al
ambiente y agua. La oxidación de los sulfuros bajo condiciones ambientales produce
un fenómeno conocido como drenaje ácido de roca (Acucho, 2010, p.13). Este
fenómeno produce efluentes ácidos con alto contenido de metales pesados e iones
sulfato en solución. El drenaje ácido de roca contamina a los mantos freáticos y
aguas superficiales.
Existen distintos mecanismos de confinamiento de relaves sulfurados con alto
potencial de drenaje ácido, estos reducen la movilidad de los contaminantes. Entre
ellas se menciona a la estabilización físico química, vitrificación e inyección de
solidificantes (Smith, 1995, p.5).
Estudios recientes han demostrado que el caolín es efectivo en la contención de
contaminantes. Caolín tratado con hexadecil-trimetilamonio es utilizado como
material de contención secundario para contaminantes petroleros (Moon, Ohman y
Choi, 2007, p.276).De forma similar caolín tratado con ortofosfato, demostró
contener satisfactoriamente desechos municipales con alto contenido de Pb y Cd
(Adebowale, Unuabonah y Olu-Owalabi, 2006, p. 135).
Se conoce que una industria cerámica local de sanitarios y grifería genera un
desecho con alto contenido de caolín. Este desecho puede ser empleado para la
contención de relaves sulfurados. Esto reduciría notablemente los costos de
remediación ambiental y valorizaría un pasivo ambiental.
Pruebas de infiltración con simuladores de lluvia o permeámetros son efectuadas
comúnmente para comprobar la impermeabilidad de los materiales. Estos permiten
obtener los valores de la constante de saturación y con base en ellos determinar el
carácter permeable de las materias primas. Estos métodos permitirán evaluar al
desecho cerámico como material de contención del relave sulfurado
y así dar
cumplimiento al artículo 91 del Reglamento Ambiental de actividades mineras que
xviii
plantea que las barreras de contención deben evitar contaminación a acuíferos
subterráneos.
Por lo expuesto este proyecto propone una alternativa ecológica para la contención
de relaves sulfurados.
1
1 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1
PROPIEDADES Y USOS DE ARCILLAS CAOLINÍTICAS
1.1.1
ORIGEN Y PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS CAOLINÍTICAS
Las arcillas son minerales que proceden de la desintegración de rocas constituidas
por silicatos de aluminio hidratados. La desintegración ocurre por constantes
ataques de agentes atmosféricos y por medio del viento o agua las arcillas son
diseminadas. Las arcillas varían en su gama de coloraciones, composición químicas,
entre otras propiedades (Villarino, 2001, p.8).Las arcillas de mayor pureza conocidas
son las caoliníticas. Estas poseen un elevado porcentaje de alúmina, lo que les
confiere propiedades refractarias al tener un elevado punto de fusión (Venegas y
Hernández, 2007, p.2).
Entre las principales características de las arcillas se menciona la plasticidad,
gracias a ella los objetos moldeados conservan su forma. La plasticidad está
íntimamente relacionada con la estructura laminar de las partículas y el agua (Albán,
2015, p.4) La plasticidad permite que en cuerpo se deforme bajo la acción de un
esfuerzo y que permanezca así una vez este sea retirado. El contenido de agua en
las arcillas interactúa directamente con la plasticidad de las mismas. La plasticidad
se incrementa con el contenido de agua, hasta alcanzar un límite. En este límite la
arcilla se asemeja más a un líquido viscoso. Existen puntos de referencia acorde a la
plasticidad, que permiten caracterizar a las arcillas de una manera más precisa.
Estos son denominados índices de plasticidad o límites de Atterberg (González,
2012, p. 5).
El límite líquido es uno de los índices de plasticidad. Este se define como el
contenido de agua máximo, en el cual la arcilla comienza a fluir como un líquido
espeso. En este estado, la arcilla tiene un comportamiento viscoso. Por debajo de
este límite, la arcilla se encuentra en estado plástico. Experimentalmente este límite
es determinado mediante la Copa de Casagrande. Por otro lado, se menciona
2
también al límite plástico. Este está definido como el contenido de humedad por
encima del cual, la arcilla se encuentra en estado plástico. Por debajo de este
contenido de agua, la mezcla se presenta en estado semisólido. En sí cualquier
fluctuación del límite plástico, produce una variación en el volumen de la arcilla.
La diferencia entre estos límites se denomina índice de plasticidad. Este se define
como el contenido de humedad natural por encima del cual la arcilla es plástica. El
índice de plasticidad es útil al momento de clasificar materiales en general.
Proporciona información sobre su comportamiento, naturaleza y granulometría. La
Tabla 1.1 presenta valores del índice de plasticidad relacionados con las
características de los materiales.
Tabla 1.1 Caracterización de materiales de acuerdo al índice de plasticidad
Índice de Plasticidad (IP)
Característica
IP<1
Friables o desmenuzables
1<IP<7
Débilmente plásticas
7<IP<15
Medianamente plásticas
IP>15
Altamente plásticas
(Viera, 2011, p.6)
La plasticidad resulta ser una de las propiedades de mayor interés en la
caracterización de arcillas. Otro índice que ofrece una guía para definir las mismas,
es el índice de consistencia. Este es adecuado en materiales de grano fino
saturados.
La Tabla 1.2 proporciona propiedades de los materiales relacionados con este
índice.
3
Tabla 1.2 Consistencia de minerales de acuerdo al índice consistencia
Índice de consistencia (IC)
Consistencia
IC ≤1
Líquida
1<IC<0,5
Muy blanda
0,5<IC<0,75
Plástica
Blanda
0,75<IC<1
Muy tierna
Semidura
IC≥1
(Viera, 2011, p.6)
Las arcillas pierden agua de dos formas, reversible e irreversiblemente. La reversible
se da durante el secado, la arcilla puede recuperar su plasticidad. Mientras que
irreversiblemente, durante el proceso de cocción. Las moléculas de agua
intercaladas en los espacios vacíos de la red cristalina (zeolíticas), se pierden.
Las arcillas caoliníticas o de cocción blanca son empleadas en industrias como
papelera y cerámica. Junto con las arcillas halloisitas y refractarias constituyen el
grupo de arcillas de cocción blancas. Estas arcillas se caracterizan por una baja
proporción de hierro (<3%), alta cantidad de caolinita y presencia de impurezas
como cuarzo, piritas y yeso (González, 2012, p. 3).
Tabla 1.3 Propiedades físicas del caolín
Propiedad
Detalle
Color
Blanco, gris o amarillento
Aspecto
Untuoso al tacto
Brillo
Terroso mate o nacarado cuando es cristalino
Raya
Blanca
Densidad
2,40-2,64 g/cm3
Dureza
2-2,5
(Bartolomé, 1997, p.8)
El caolín bruto, es decir aquel que se obtiene de una explotación minera tiene un
porcentaje variable de 20% de contenido de caolinita y/o haloisita. Las impurezas se
4
atribuyen a la presencia de cuarzos, feldespatos y micas, aunque también se
evidencia la presencia de óxidos de hierro y titanio, gibsita, alofana, esmectitas,
cloritas, carbonatos y piritas.
Su composición química está ligada con su granulometría. Las fracciones finas están
asociadas a caolinita, mientras que fracciones gruesas evidencian la presencia de
cuarzo, mica, feldespatos y óxidos de hierro. Un caolín comercial debe tener un
contenido de al menos 80% de caolinita (Venegas y Hernández, 2007, p.4).
En sí, el caolín está conformado por silicatos polimorfos, siendo la caolinita la más
frecuente. Su estructura consta de una capa de tetraedros de sílice conjunto con una
capa de octaedros de alúmina, así los vértices de libres de los tetraedros de sílice se
encuentran en uno de los planos aniónicos de los octaedros. Los 2/3 de los huecos
en el plano común con los tetraedros y octaedros está ocupado por oxígenos. El
tercio restante lo ocupan los oxidrilos. Mientras que en la capa octaédrica los 2/3 de
los huecos están llenos de aluminios distribuidos hexagonalmente, juntas alcanzan
una longitud de 7,14 A. (Bartolomé, 1997, p.9). En la Figura 1.1 se muestra la
estructura cristalina del caolín.
Figura 1.1 Estructura cristalina del caolín
(Bartolomé, 1997, p. 9)
Entre sus propiedades más importantes se menciona la forma y tamaño de sus
partículas. Estas influyen directamente en su brillo, opacidad y blancura. Estudios
sobre la elaboración de papel, demostraron que el uso de fracciones menores a 2
µm incrementa notoriamente su brillo. Esto se debe a que la caolinita se presenta
5
como placas individuales, es decir como pequeños agregados asinométricos. La
forma y tamaño de las partículas incurren también en la resistencia mecánica de las
pastas cerámicas (Ibáñez, González y Sandoval, 1990, p.2).
Una de las propiedades de mayor interés para el caolín, es su plasticidad. La
plasticidad del caolín está relacionada con su grado de empacamiento. La
granulometría también afecta la plasticidad de los caolines, la presencia de finos la
incrementa. La plasticidad suele evaluarse comúnmente con el módulo de rotura en
seco, al emplear probetas extruidas.
Estudios demuestran que fracciones bajo los 5 µm aseguran una buena plasticidad
(Albán, 2015, p.6). Se reporta que la presencia de impurezas con gran superficie
específica, incrementa considerablemente el valor de la plasticidad.
La reología, es otra propiedad importante en el estudio de caolín. Para obtener un
valor preciso, es necesario conocer el contenido de sólidos y principalmente la tasa
de variación de la viscosidad en la barbotina. Esta debe tener un alto contenido de
sólidos, sin dejar de ser fluida y estable, además debe conservar su homogeneidad.
La barbotina presenta un comportamiento ligeramente tixotrópico, es ahí cuando el
llenado de moldes y el vaciado se efectúan de una manera fluida. Cuando la
viscosidad de la barbotina se incrementa dramáticamente conjuntamente con la
velocidad de cizalladura (dilatancia), se producen fisuras en las piezas. La adición de
dispersantes, como el hexametafosfato sódico
previenen estas fallas en la
barbotina.
1.1.2
USOS DE ARCILLAS CAOLINÍTICAS
Las arcillas comunes son utilizadas en cerámica de construcción. La producción de
ladrillos, tejas, azulejos, entre otros se remonta desde comienzos de la humanidad.
Las arcillas caoliníticas tienen características singulares que les han asignado
6
aplicaciones industriales específicas. Desde el siglo XVI ha sido empleado en la
fabricación de porcelana fina. La Figura 1.2 muestra piezas cerámicas elaboradas
con caolín.
Figura 1.2 Cerámica con base de caolín
(González, 2012, p.3)
En la actualidad la fabricación de papel representa el 50% de su producción
(Romero, 2002, p.4). El caolín proporciona al papel un estucado, gracias a su pureza
y propia blancura. Otra de sus principales aplicaciones es la producción de
refractarios.
También se menciona la elaboración de pinturas, cosméticos, catalizadores,
farmacéuticos, aislantes, entre otros El caolín en los últimos años ha demostrado
tener grandes capacidades de adsorción y por ende de contención de
contaminantes. Caolín tratado
químicamente promete ser un excelente material
para la contención de materiales por su elevada capacidad de adsorción.
Estudios recientes sugieren el uso de caolín en la contención de relaves industriales.
Caolín modificado químicamente con bajo contenido de pureza demostró ser
efectivo en el tratamiento de contaminantes petroleros (Moon et al., 2007, p. 272).
Caolín tratado con hexadecil-trimetilamonio es utilizado como material de contención
secundario en tanques subterráneos de almacenamiento (USTs). Estos tanques
están equipados con sistemas anticorrosión y prevención de fugas. Pese a ello, el
7
riesgo de contaminación ambiental es alto, por ello el uso de un material de
contención secundario es necesario.
Geomembranas de polietileno, origen arcilloso o mineral, son propuestas como los
materiales de contención secundaria de mayor uso y aceptación. Pero el contacto
con componentes no iónicos propios del petróleo, acelera la conductividad hidráulica
de las geomembranas, haciendo que las fugas se intensifiquen.
Caolín modificado con ortofosfato demostró ser efectivo en la adsorción de Pb y Cd
provenientes de desechos municipales (Adebowale,et al., 2006, p. 130). El
ortofosfato es una opción ecológicamente amigable y su capacidad de retención
mejora con la adición de arenas. Lixiviados con alto contenido de metales fueron
tratados con caolín, se obtuvo una reducción satisfactoria del 60% de los iones
presentes.
1.2
MÉTODOS DE TRATAMIENTO Y CONFINAMIENTO DE
RELAVES SULFURADOS
1.2.1 GENERACIÓN
DE
DRENAJE
ÁCIDO
DE
ROCA
EN
RELAVES
SULFURADOS
La extracción y concentración de minerales involucra operaciones como lixiviación,
flotación, reducción de tamaño, todas ellas generan relaves. Estos relaves tienen un
alto contenido de sulfuros, reportan principalmente presencia de pirita. Los sulfuros
que se encuentran en el subsuelo son en general insolubles y estables.
Pero al ser expuestos a condiciones atmosféricas, su estructura se ve alterada
debido a reacciones de oxidación. La presencia de microorganismos cataboliza las
reacciones, esta reacción por su parte es conocida como oxidación biótica.
El drenaje producido por la oxidación natural de sulfuros contenidos en minerales o
rocas expuestas a condiciones ambientales se denomina drenaje ácido de roca
8
(DAR) (Acucho, 2010, p.13).
Estas condiciones ambientales son por lo general
oxígeno atmosférico conjugado con agua, aunque el Fe+3 también hace las veces de
agente oxidante.
Este drenaje genera efluentes ácidos con alto contenido de metales pesados e iones
sulfato en solución. El DRA afecta directamente a mantos freáticos y aguas
superficiales. Es así que el drenaje ácido de roca es uno de los mayores problemas
ambientales que enfrenta el sector minero. La Figura 1.3 muestra los lixiviados
ácidos producidos por precipitación de hierro férrico.
Figura 1.3 Generación de drenaje ácido
(Acucho, 2010, p. 8)
La generación de DRA depende la combinación de varios factores. La composición
mineralógica juega un importante papel junto con la composición de residuos
mineros. Aunque también debe mencionarse la formación de productos y
subproductos de oxidación y la composición de los residuos mineros. El DRA tiene
un carácter autocatalítico que en presencia de bacterias (Thiobacilus) o del ion
férrico se acelera dramáticamente. El intervalo de tiempo que se considera para la
generación de DRA varía entre días o años.
En general, los minerales responsables de la generación de DRA son sulfuros de
hierro. Entre ellos los más comunes son pirita (‫ܵ݁ܨ‬ଶ ሻ y pirrotina (‫݁ܨ‬ଵି௫ ܵଶ ሻ. La
9
reacción de oxidación de pirita en contacto con la atmósfera y el agua, se ve
reflejada en las ecuaciones 1.1, 1.2, 1.3, 1.4:
͹
‫ܵ݁ܨ‬ଶ ൅ ܱଶ ൅ ‫ܪ‬ଶ ܱ ՜ ‫ ݁ܨ‬ଶା ൅ ʹܱܵସଶି ൅ ʹ‫ ܪ‬ା
ʹ
[1.1]
‫ ݁ܨ‬ଷା ൅ ͵‫ܪ‬ଶ ܱ ՜ ‫݁ܨ‬ሺܱ‫ܪ‬ሻଷ ൅ ͵‫ ܪ‬ା
[1.3]
ͳ
ͳ
‫ ݁ܨ‬ାଶ ൅ ܱଶ ൅ ‫ ܪ‬ା ՜ ‫ ݁ܨ‬ଷା ൅ ‫ܪ‬ଶ ܱ
Ͷ
ʹ
‫ܵ݁ܨ‬ଶ ൅ ͳͶ‫ ݁ܨ‬ଷା ൅ ͺ‫ܪ‬ଶ ܱ ՜ ͳͷ‫ ݁ܨ‬ଶା ൅ ʹܱܵସଶି ൅ ͳ͸‫ ܪ‬ା
[1.2]
[1.4]
Se deben mencionar conceptos importantes en la comprensión del fenómeno de
drenaje ácido de roca. El potencial ácido (PA) indica la medida del máximo potencial
de acidez que se generaría si todos los minerales sulfuros presentes se oxidaran de
forma acelerada. Se lo calcula tomando en cuenta la concentración de azufre total.
El potencial de neutralización (PN) por su parte, es un valor medio que da la medida
de neutralización de la muestra. Indica la cantidad de ácido que la muestra puede
neutralizar bajo condiciones estándar. La diferencia entre el PA y PN da como
resultado el potencial neto de neutralización (PNN). Su valor sugiere un balance
entre el potencial de generación de ácido y el consumo de ácido de la muestra. Si
NNP presenta un valor negativo, existe un alto potencial de generación ácida
(Acucho, 2010, p.13).
Por otro lado, la generación de lixiviados ácidos en el suelo por efecto del DRA
constituye un aporte de iones ‫ ܪ‬ା al mismo. Este aporte desencadena movilización de
metales pesados en el suelo y un descenso en el valor del PH. Sin embargo estos
fenómenos se deben también a propiedades intrínsecas del suelo. Entre ellas se
menciona a la capacidad de neutralización de los suelos (CNA).
La CNA se define como cantidad de ácido que se debe añadir al suelo para que este
disminuya el valor de PH a un nivel de referencia; es decir la capacidad de consumo
de protones (Muñoz, 2012, p. 34). El estudio del CNA permite tener conocer la
susceptibilidad de los suelos a la acidificación.
10
1.2.2 MÉTODOS DE REMEDIACIÓN DE RELAVES SULFURADOS
·
Fitorremediación
Este conjunto de técnicas son aplicables in situ y ex situ y aprovechan la capacidad
de ciertas plantas para estabilizar, transferir, remover o destruir los contaminantes
orgánicos e inorgánicos presentes en el suelo. La fitorremediación es recomendable
en el tratamiento de suelos contaminados con solventes orgánicos (benceno y
tolueno), compuestos clorados, residuos de agroquímicos y metales pesados (Cd,
Cu, Cr, Pb, Ni, Hg).
La elección de las especies vegetales y el uso de nutrientes en ellas, son claves en
la aplicación de este método. Estudios sugieren que las especie Scirpus americanus
y Typha latifolia tienen un gran capacidad de remoción de Pb, Cr, Cd, Mn y Fe en
sus raíces y tallo. Mientras que el lirio de agua (Lenna minor) demostró ser efectiva
en el tratamiento de suelos contaminados con arsénico. Pero sin lugar a dudas el
vetiver, es una de las especies más empleadas en los últimos años, por su alta
resistencia a ambientes ácidos. El vetiver mostró excelentes resultados en la
eliminación de Zn, Pb y Cr (Rodríguez, Cumana, Torrealba y Posada, 2010, p. 175).
El uso de esta técnica siempre ha tenido varios puntos de vista. Pese a que este
método es sustentable, toma un tiempo muy prolongado en mostrar resultados.
Aunque no genera contaminantes secundarios, su alcance se limita en suelos con
un contenido bajo de contaminantes. La fitorremediación funciona perfectamente in
situ pero a la vez puede incrementar la solubilidad de algunos contaminantes. Así la
fitorremediación sigue siendo discutida en la actualidad.
La fitorremediación cuenta con cinco mecanismos diferentes de ejecución que se
ilustran en la Figura 1.4.
11
Figura 1.4 Mecanismos de fitorremediación
(Rodriguez, Oumana, Torrealba, Posada, 2010, p. 18)
El segundo mecanismo corresponde a la fitoextracción. En esta las especies
vegetales acumulan los contaminantes en sus partes áreas (tallos y hojas). Las
plantas deben ser destruidas y retiradas de lugar, una vez terminado el proceso de
remediación. Este mecanismo es adecuado en el tratamiento de metales y fenoles.
La fitodegradación corresponde al tercer mecanismo. Contaminantes como
hidrocarburos o agroquímicos son degradados por la acción de microorganismos.
Reacciones de óxido-reducción e hidrólisis solubilizan los contaminantes y estos son
almacenados en las vacuolas de los microorganismos.
El cuarto mecanismo corresponde a la rizodegradación. En este,
hidrocarburos
policíclicos, aromáticos, pesticidas o componentes clorados son degradados gracias
a la acción de microorganismos presentes en la rizósfera. Esta degradación se la
atribuye a la presencia de exudados.
La fitovolatilización es el quinto mecanismo, se sustenta en la capacidad de las
especies vegetales para volatilizar metales y compuestos orgánicos a través de sus
12
estomas. Las plantas absorben el agua junto con los contaminantes. Sus hojas lo
evaporan o volatilizan.
·
Remediación electrocinética
Esta técnica permite el tratamiento de suelos y lodos contaminados con compuestos
iónicos y no iónicos que migran mediante la acción de un campo eléctrico. Puede ser
aplicada in situ o ex situ aprovecha las propiedades conductivas del medio. Se
diferencia del arrastre de fluidos, pues permite una migración dirigida de los
contaminantes, lo que evita su dispersión fuera de la zona de tratamiento.
La remediación electrocinética genera un campo eléctrico a partir de la aplicación de
corriente directa baja intensidad. Se emplea un par de electrodos (ánodo y cátodo)
colocados en pozos excavados en el suelo. Estos suelen ser humectados con un
electrolito para mejorar las condiciones de conducción del campo eléctrico (De la
Rosa, 2007, p.9). El electrolito permite transportar los contaminantes a los pozos, de
donde serán extraídos.
La remediación electrocinética depende de varios factores. El PH es uno de los más
críticos. En general se observa un ambiente ácido cerca del ánodo y alcalino cerca
del cátodo. Pero ya que la movilidad de del ion H+ es mayor que la del ion OH, el
frente ácido se mueve con mayor velocidad. Así, un lavado de pozos equilibrará el
flujo (De la Rosa, 2007, p.11).
Hacia el electrodo positivo (ánodo) migran las especies cargadas negativamente
como lo son cloruros, fluoruros, nitratos. Mientras que hacia el electrodo negativo
(cátodo) migran aquellas cargadas positivamente como iones metálicos o ion
amonio. En la Figura 1.5 se esquematiza la migración de iones mencionada.
13
Figura 1.5 Mecanismo de remediación electrocinética
(De la Rosa, 2007, p.11)
Otro factor que a considerarse es el contenido de agua. El grado de saturación del
suelo es importante en la migración de los contaminantes hacia los electrodos. Un
bajo
contenido
de
humedad
puede
generar
reacciones
exotérmicas
contraproducentes con la remediación. La conductividad eléctrica y la propia
naturaleza y química del suelo influyen también considerablemente en este proceso.
La remediación electrocinética tiene diferentes mecanismos en su ejecución. El
primero corresponde a la electromigración. En ella tantos los coloides como los
iones en solución se mueven en el campo eléctrico debido a su carga eléctrica. El
segundo mecanismo es la electroósmosis, el líquido saturante junto con los coloides
fluyen hacia los electrodos. Por último la electroferesis, se observa cuando los
coloides
tienen
carga
eléctrica,
de
modo
que
los
contaminantes
fluyen
conjuntamente con ellos hacia los electrodos.
·
Extracción
Este conjunto de técnicas permite la separa los contaminantes del suelo, para su
tratamiento posterior. Requiere que los suelos tengan una buena permeabilidad,
para que el movimiento de las especies sea posible. La extracción es realizada
sobre varios medios.
El primero de ellos es el aire. Su extracción utiliza pozos de extracción verticales y/u
horizontales para la volatilización o evaporación de los contaminantes adsorbidos en
14
las partículas de suelo no saturados. Una vez extraídos, los contaminantes son
tratados con carbono o degradados de forma natural a la atmósfera.
Esta técnica permite tratar suelos contaminados con sustancias volátiles y semi
volátiles como lo son hidrocarburos en general, disolventes no clorados (Khan et al.,
2004, p. 118). La Figura 1.6 muestra el esquema de extracción con aire.
Figura 1.6 Proceso de extracción en tratamiento de relaves sulfurados
(Bernard, Saenz, Dorado y Villar, 2007, p.51)
Otro medio de aplicación de la técnica es el agua. Se tratan acuíferos, los
contaminantes se extraen de la zona saturada y no saturada. Para la primera, por
medio de bombeo las especies son extraídas y tratadas posteriormente. La zona
saturada por su parte, requiere inyección de agua sea por arrastre o presión previa
al bombeo.
Esta inyección puede estar acompañada de disolventes y adsorbentes (hidróxido
sódico, metanol, EDTA) para incrementar la movilidad de los componentes
(Illangasekare y Reible, 2001, p.102). Si el nivel de contaminación es alto se puede
optar por la implementación de pozos para el tratamiento de grandes caudales.
La extracción puede ser aplicada a suelos contaminados con hidrocarburos, siempre
y cuando se ubiquen por encima del nivel freático. Se utilizan pozos verticales y
15
bombas skinner. Un filtro diferencia entre el agua extraída y los componentes
orgánicos.
Cuando los contaminantes se encuentran por debajo del nivel freático, como es el
caso de los disolventes clorados, PCBS y compuestos aromáticos en general. Se
requiere pozos conjuntamente con bombeo para su extracción, junto con la
inyección de solventes (Bernard et al., 2007, p.51).
La extracción también puede ser aplicada ex situ. Se dispone al suelo contaminado
en tanques junto con disolventes orgánicos (hexano, acetona, metanol, éter
dimetílico). Estos son separados del suelo por evaporación, son recirculados en el
proceso. Otro solvente de gran importancia es el ácido clorhídrico, este es el más
usado en el tratamiento de suelos contaminados con metales (Bernard et al., 2007,
p.51).
·
Lavado
Este tratamiento ex situ que requiere un pretratamiento para eliminar las fracciones
gruesas. Las fracciones finas son lavadas con extractantes, que solubilizan y
desorben los contaminantes. Requiere un lavado posterior con agua para remover
los solventes, posterior a ello el suelo es devuelto a su localización inicial (Peters,
199, p. 168).
El lavado se utiliza principalmente en el tratamiento de compuestos orgánicos semi
volátiles, hidrocarburos y derivados del petróleo en general. Este proceso es
selectivo, por ende la elección del disolvente determina la efectividad del método. En
la Figura 1.7 se esquematiza el proceso ex situ mencionado.
16
Figura 1.7 Proceso de lavado en tratamiento de relaves sulfurados
(Bernard, Saenz, Dorado y Villar, 2007, p.51)
·
Biotransformación
A este conjunto de técnicas se los conoce como procesos de biorrecuperación.
Mediante reacciones metabólicas degradan a los contaminantes orgánicos y
disminuyen la toxicidad de los inorgánicos incluidos metales pesados. (Bernard et
al., 2007, p. 74). Se utilizan bacterias, hongos y plantas que descontaminan el suelo
por medio de sus procesos biológicos.
Para su correcta ejecución se requiere que la población microbiana sea sensible a
los contaminantes. Además el suelo debe contar con condiciones adecuadas; la
presencia de nutrientes, oxígeno así como condiciones de PH y temperatura
contribuyen a la desarrollo de los microorganismos.
La
biotransformación
puede
efectuarse
in
situ.
Los
contaminantes
son
biotransformados debido a la transferencia de electrones entre el substrato donante
y el aceptador. Los microorganismos se desarrollan al utilizar a los contaminantes
como fuente de carbono y energía. Si el sustrato no aporta a su desarrollo se puede
17
añadir uno alternativo para que continúen con sus reacciones metabólicas (Bernard
et al., 2007, p. 74).
Existen tres mecanismos por los cuales los microorganismos degradan a las
especies: fermentación, respiración anaerobia, y respiración aerobia (Alexander,
1994, p. 16). La fermentación degrada a los contaminantes mediante reacciones
enzimáticas. La respiración anaerobia utiliza como comburente a compuestos
orgánicos o inorgánicos oxidados.
1.2.3 MÉTODOS DE CONTENCIÓN DE RELAVES SULFURADOS
·
Barreras verticales
Reducen los movimientos laterales de los contaminantes provenientes de lixiviados
o disolución en aguas subterráneas. Su aplicación in situ comprende la instalación
de muros pantalla, estos son dispuestos en zanjas de 100 m de profundidad. Las
zanjas son llenadas con una mezcla de cemento, bentonita y hormigón.
Se requiere también una inyección de lechada (mezcla de cal, yeso, cemento) en el
suelo para crear una barrera subterránea continua. La contención se refuerza con
perfiles de acero en forma de Z o U, estas son colocadas sobre una base
impermeable (Bernard, Sanz, Dorado y Villar, 2007, p. 58). .
Estas barreras en general utilizan geomembranas como material impermeable. Se
recomienda esta técnica en suelos de textura gruesa pero no compacta. En la Figura
1.8 se muestra una fotografía de la instalación de las barreras verticales.
18
Figura 1.8 Barreras verticales de contención
(Bernard et al., 2007, p. 57)
·
Barreras horizontales
Se trata de zanjas horizontales aplicada in situ que al igual que las barreras
verticales son rellenadas con material aislante. Su uso aún es controvertido, aunque
podrían evitar excavaciones profundas al evitar el movimiento vertical de los
contaminantes (Bernard et al., 2007, p. 58)
·
Sellado superficial
Esta técnica consiste en el sellado in situ de la superficie del suelo con bentonita
combinada con materiales geotextiles y aislantes (asfalto, hormigón, materiales
termoplásticos).El sellado superficial permite controlar la volatilización de los
contaminantes, limitar la infiltración de agua lluvia, en si evita la exposición directa
del suelo.
19
·
Sellado profundo
En este sellado es necesaria la inyección de materiales plastificantes (cemento,
bentonita, silicato sódico) a través de perforaciones verticales hasta la profundidad
deseada. Esta inyección altera la estructura del suelo, disminuye su permeabilidad y
así evita el flujo de contaminantes.
1.2.4 TÉCNICAS DE CONFINAMIENTO DE RELAVES SULFURADOS
Este conjunto de técnicas reducen la movilidad de los contaminantes, mediante
procesos físicos químicos. Hacen que las especies contaminantes reduzcan su
toxicidad
·
Estabilización físico-química
Se fundamenta en reacciones químicas que reducen la solubilidad del suelo y sus
lixiviados. La estabilización físico-química reduce la movilidad de los contaminantes
orgánicos, metales pesados. Es necesario un pretratamiento para eliminar la
fracción gruesa, por ello su aplicación es ex situ (Smith, Chen, Alleman, Champma,
Tixer, 1995, p. 213).
El suelo tratado junto con agua y aditivos (cemento, fosfato, álcalis) son mezclados
en tanques, lo que favorece el aumento del PH. Así se precipitan e inmovilizan las
especies contaminantes. El suelo puede ser devuelto a su localización inicial. Esta
técnica es muy adecuada para el tratamiento de compuestos inorgánicos. No
presenta buenos resultados con componentes orgánicos o pesticidas.
20
·
Vitrificación
Corresponde a una técnica de estabilización térmica. Se somete al suelo
contaminado a altas temperaturas, este se funde y se transforma en material vítreo
estable. La vitrificación reduce el movimiento de los contaminantes, especialmente
de metales (Hg, Pb, Cd, As, Ba, Cr), cianuros. Destruye también los componentes
orgánicos por reacciones de oxidación y/o pirolisis. Reporta excelentes resultados
para contaminaciones poco profundas, pero su elevado costo y consumo energético
ponen en duda su aplicación.
El suelo debe contar con una cantidad suficiente de sílice para la aplicación de la
técnica. La aplicación in situ de la técnica usa electrodos de grafito colocados en el
suelo, lo que permite alcanzar temperaturas de 1600ºC-2000ºC (Smith et al., 1995,
p. 213).Puede ser aplicada ex situ, pero requiere un pre tratamiento para eliminar
elementos gruesos. El calentamiento se lleva a cabo en hornos similares a los de
fabricación de vidrio, con la aplicación de corriente eléctrica, se alcanzan
temperaturas de 1100ºC-º1400ºC. La vitrificación requiere tratamiento de los gases
generados (Martínez, 2004, p. 12). La Figura 1.9 muestra un esquema de la técnica.
Figura 1.9 Proceso de vitrificación
(Smith et al., 1995, p. 213).
21
·
Inyección de solidificantes
Es una técnica insitu en la que se inyectan solidificantes por medio de pozos
profundos. Utiliza agentes estabilizantes inorgánicos como cemento y sustancias
bituminosas Estos agentes al ser mezclados con el suelo, lo encapsulan en una
matriz hidrofóbica (Khan, Husain y Hejazi, 2004, p. 111). Ha mostrado resultados
favorables en tratamiento de suelos con alto contenido de materia orgánica. No es
una técnica apropiada para componentes inorgánicos y pesticidas.
1.3 EVALUACIÓN DE INFILTRACIÓN MULTICAPA
1.3.1 FENÓMENO DE INFILTRACIÓN
La cantidad de agua en movimiento que gracias a la acción de fuerzas
gravitacionales y capilares atraviesa verticalmente la superficie del suelo se define
como infiltración. Este volumen de agua se retiene o fluye hasta alcanzar el nivel
freático. En pocas palabras la infiltración es el proceso de entrada de agua en el
suelo a través de su superficie (Horton, 1940, p. 402).La infiltración es un proceso
complicado que se ve afectada por características intrínsecas del suelo entre ellas
se mencionan:
·
Textura
·
Carga hidráulica
·
Contenido de materia orgánica y carbonatos
·
Contenido de humedad inicial
·
Uniformidad del suelo
·
Microorganismos
·
Cobertura vegetal
·
Cantidad de aire atrapado
·
Nivel de compactación
22
El fenómeno de infiltración es difícil de describir inclusive si se conoce las
propiedades del fluido y el suelo es homogéneo. Se la cuantifica por lo general por
medio de la velocidad de infiltración (f). La que expresa la velocidad con la que el
agua se mueve a través de la superficie del suelo, en cm por segundo.
Por otra parte, la máxima velocidad con la que el suelo puede ser absorber el agua a
través de su superficie y se expresa en cm por segundo, se conoce como, capacidad
de infiltración (fp). Mientras que el volumen de infiltración desde el inicio del evento
de lluvia se denomina volumen de infiltración (F), se lo expresa en cm.
Entre otros conceptos importantes se mencionan la conductividad capilar, potencial
capilar, conductividad relativa y conductividad saturada. La carga hidráulica
generada por las fuerzas capilares expresada en cm de agua se conoce como
potencial capilar (߮ሻ. La succión capilar (ܵሻes la misma que el potencial capilar, pero
consigno contrario, se expresa en cm de agua. La conductividad relativa (݇‫ݎ‬ሻpor su
parte se refiere a la conductividad capilar para un valor puntual de humedad.
Finalmente la conductividad saturada (‫ݏܭ‬ሻse refiere a la conductividad capilar
(Russel y Curtis, 1991, p. 12).
Para el análisis más detallado del fenómeno de infiltración se considerará
condiciones ideales. Estas condiciones consisten en considerar al suelo homogéneo
a través de toda su superficie y sus poros se encuentran interconectados por
capilares. Además se considera que la lluvia cae uniformemente sobre toda la
superficie, así el fenómeno de infiltración puede ser considerado unidimensional.
En el análisis unidimensional el tipo de suelo y el contenido de humedad son las
propiedades que afectan la capacidad de infiltración. El tipo de suelo determina el
tamaño y número de capilares por los que fluye el agua. Mientras que el contenido
de humedad establece el potencial capilar y la conductividad relativa. En la Figura
1.10 se muestra la relación que mantiene el contenido de humedad con la succión
capilar y conductividad relativa.
23
Figura 1.10 Succión capilar y conductividad relativa como una función del contenido de
humedad
(Russel y Curtis, 1991, p. 12).
Cuando el contenido de humedad inicial es bajo la conductividad relativa es
pequeña. La humedad debe incrementarse para que el agua pueda seguir
recorriendo la masa de suelo. Por ello un frente de humedad debe formarse entre el
contenido de humedad aún bajo y aquel que se establecería cuando el suelo se
encuentre saturado.
·
Relación entre la infiltración y la intensidad de lluvia
Para este análisis se tomarán en cuenta varias consideraciones. El área de suelo es
lo suficientemente pequeña para asumir que todas sus características son
homogéneas .La intensidad de lluvia (i) se mantiene uniforme durante todo el
proceso. Además el suelo tiene un contenido bajo de humedad inicial. Bajo estas
condiciones la capacidad de infiltración (fp) y por tanto:
24
ܵ݅݅ ൏ ݂‫ ݂݋ݐ݊ܽݐݎ݋݌݌‬ൌ ݅
Al transcurrir el tiempo se evidencia encharcamiento en la superficie del suelo, a
medida que la intensidad de lluvia se incrementa así el contenido de humedad en el
suelo. Bajo estas condiciones la capacidad de infiltración disminuye como una
función del tiempo.
ܵ݅݅ ൐ ݂‫݌‬ǡ ‫ ݂݋ݐ݊ܽݐݎ݋݌‬ൌ ݂‫݌‬
El encharcamiento que se distinguía en la superficie del suelo comienza a
expandirse y así aumenta el frente húmedo. El suelo comienza a saturarse cada vez
más, hasta que la acción de las fueras capilares se vuelve despreciable. A tiempo
infinito el movimiento del agua en el suelo se limita a la acción de la gravedad, así la
capacidad de infiltración se vuelve constante (Chavárri, 2004, p. 56).
Si la intensidad de lluvia disminuye hasta un valor menor a la capacidad de
infiltración, el agua contenida en los charcos de la superficie también se infiltra y se
evapora en menor grado. Puede ocurrir que la intensidad de lluvia vuelva a
incrementarse formado charcos y repitiendo el ciclo una vez más.
En la Figura 1.11 se muestra el comportamiento ya descrito de la velocidad de
infiltración con la intensidad de lluvia.
25
Figura 1.11 Relación de la velocidad de infiltración con la intensidad de lluvia
(Russel y Curtis, 1991, p. 12)
·
Perfil de humedad en el suelo
El suelo expuesto a procesos de infiltración distingue cuatro zonas de humedad. La
primera corresponde a la zona de saturación y transición, en estas el espesor se
mantiene constante con el tiempo. Bajo ella se distingue la zona de transmisión, su
espesor varía con el tiempo de infiltración.
La última zona corresponde a la zona de humedecimiento esta termina
abruptamente con una frontera entre el avance de agua y el contenido de humedad
(Morret, Arrué, López, García y Álvaro, 2007 p, 116). La Figura 1.12 muestra el perfil
de humedad del suelo.
26
Figura 1.12 Perfil de humedad del suelo
(Chavárri, 2004, p.24)
1.3.2 MÉTODOS PARA ESTIMAR LA INFILTRACIÓN
La infiltración es un fenómeno difícil de cuantificar ya que depende de muchos
factores tanto del suelo como de la lluvia. Se han propuesto varios mecanismos para
su estimación.
·
Cilindro infiltrómetro
Se trata de un cilindro abierto que se inserta suavemente en el suelo. Se lo somete a
una carga de agua. El volumen de agua que drena es cuantificado por unidad de
tiempo, lo que permite conocer la capacidad de infiltración (Sepúlveda, 1999, p.17).
Es un método sencillo, barato y de fácil manejo. Se conocen dos tipos de
infiltrómetros de cilindro, simple y compuesto. Para el infiltrómetro simple se utiliza
un único cilindro de 40 a 50 cm de acero inoxidable. Mientras que para el
infiltrómetro se utilizan dos cilindros que requieren de 2 a 5 cm de instalación (Cerdá,
1995, p. 23). La Figura 1.13 muestra un infiltrómetro típico.
27
Figura 1.13 Infiltrómetros de cilindro
(Reddy, 2005, p.12)
Los procedimientos de medición se efectúan bajo dos métodos, carga constante y
carga variable. La carga constante se aconseja en procesos de infiltración lentos y
requiere una fuente externa que mantenga el nivel de agua. La carga variable por su
parte encharca agua en el cilindro y mide el volumen que se infiltra a cada intervalo
de tiempo, se recomienda en procesos de infiltración rápidos.
El método de carga variable emplea la relación porpuesta por Sepúlveda (1999) para
el cálculo de la constante de saturación.
‫ ݏܭ‬ൌ
‫ܮ‬
‫݋ܪ‬
Žሺ ሻ
ሺ– െ –‘ሻ
‫ܪ‬
Dónde:
Ks: conductividad hidráulica saturada
H: L + Li
L: altura de la columna de suelo
Li: carga de agua variable alcanzada al tiempo final, t.
to: tiempo inicial
[1.5]
28
t: tiempo transcurrido desde to hasta alcanzar la altura final.
Ho: altura de la columna de suelo más la carga inicial de agua
Ya que la carga hidráulica influye en los resultados, se recomienda usar una altura
pequeña de no más de 1 cm. El cilindro infiltrómetro ha sido cuestionado porque la
inundación a la que somete el suelo no se representa las condiciones reales de la
naturaleza. Pese a ello es un método confiable y práctico para la determinación de la
infiltración (Sepúlveda, 1999, p.17).
·
Simuladores de lluvia
Los simuladores de lluvia permiten el estudio de infiltración, escorrentía y erosión y
campo. Constituyen una opción económica, simple y portable. Debido a las
condiciones variables de la lluvia natural, el simulador permite realizar mediciones
programadas y bajo una intensidad de lluvia constante. En pequeña escala los
simuladores pueden ejecutar estudios de erosión de suelo con diferentes
intensidades de lluvia al considerar factores como tipo de suelo y vegetación, grado
de pendiente entre otras.
Los simuladores de lluvia presentan dos diseños básicos. Aquellos que utilizan
pequeños tubos para formar la gota, con lo cual su velocidad inicial es cero, se
denominan formadores de gota. Y los que utilizan aspersores donde el agua es
inducida con presión.
Los formadores de gota requieren una carga constante de agua proporcionada por
un reservorio de agua situado en la parte superior del simulador. El reservorio de
agua alimenta un arreglo de cientos de tubos capilares. Muchas veces agujas
hipodérmicas hacen las veces de boquillas, esto permite conocer el tamaño de gota
y tener una distribución uniforme de las mismas.
Los simuladores tipo aspersor son los más sencillos utilizan dispositivos como los
sistemas de riego empleados en jardinería.
Con ello se obtienen gotas muy
29
grandes, suele usarse alturas relativamente altas (2 a .2, 5 m) para recrear las
condiciones de la lluvia natural.
Al comparar los diseños, los formadores de gota presentan mayores ventajas frente
a los aspersores. Puesto que son más portables, pueden simular varias intensidades
diferentes y crean un patrón de lluvia aleatoria similar a la natural (Kinner y Moody,
2008, p. 271). La Figura 1.14 muestra un simulador de lluvia típico.
Figura 1.14 Simulador lluvia tipo formadores de gota
(Asseline, 1978, p. 320).
30
1.3.3 INFILTRACIÓN A TRAVÉS DE VARIAS CAPAS
·
Ley de Darcy
Darcy efectuó estudios sobre el flujo de agua a través de materiales arenosos
usando un permeámetro de carga constante. Este instrumento consta de un
recipiente de sección constante por donde fluye agua. En uno de sus extremos se
conecta se un depósito elevado de nivel constante. En el otro extremo se instala un
grifo que permite mantener el flujo constante. Sus estudios demostraron que el
caudal de agua que atravesaba el permeámetro guardaba una relación lineal con la
sección y el gradiente hidráulico. Todo esto si cumple si se mantiene el mismo
material arenoso. Por tanto el caudal que circula por m2 de sección se refleja en la
Ecuación 1.6:
‫ ݍ‬ൌ െ‫ܭ‬
݄݀
݈݀
[1.6]
La constante de proporcionalidad ‫ܭ‬, se denomina conductividad hidráulica o
permeabilidad. Es una característica propia del medio poroso. El signo negativo de
la ecuación se atribuye a que el ݄݀ es una magnitud vectorial negativa. La
permeabilidad muestra con que velocidad el fluido avanzará en condiciones unitarias
de gradiente. Por lo general se expresa en cm/s o m/s.
El tamaño de poro del material es la característica que tiene mayor influencia sobre
la permeabilidad. Arenas y gravas presentan valores de permeabilidad en el orden
de 10-3 cm/s, mientras que en limos los valores fluctúan entre 10-6.cm/s. Por ello la
permeabilidad y el tamaño de grano guardan una relación proporcional, una
reducción de tamaño generará una permeabilidad menor.
31
·
Permeabilidad equivalente
En un medio estratificado, el flujo de infiltración se produce en más de una capa.
Para su conceptualización es necesario aplicar la Ley de Darcy al conjunto de
capas. Se considera dos casos un flujo paralelo entre las capas y uno perpendicular,
se supone que las capas como homogéneas e isótropas (Romaña, 2014, p. 22).
Se requiere un valor global de conductividad hidráulica para definir el flujo multicapa.
Este valor conjunto se denomina permeabilidad equivalente. Se expresa como
permeabilidad equivalente horizontal (‫݄ܭ‬ሻo permeabilidad equivalente vertical
(‫ݒܭ‬ሻde acuerdo a los dos casos de flujo.
En la Figura 1.15 se presentan las variables consideradas en un flujo multicapa.
Figura 1.15 Esquema flujo perpendicular multicapa
(Sanchez, 2011, p.36)
Para efecto de simplicidad se considerará el flujo perpendicular, pues este es el que
mayor aproximación presenta con el fenómeno de infiltración. Sanchez (2011)
sugiere el cálculo de la ‫ ݒܭ‬mediante la Ecuación 1.7:
32
‫ ݒܭ‬ൌ
‫ܤ‬
ܾ
σ ௜
‫ܭ‬௜
Dónde:
‫ܭ‬௜ = conductividad hidráulica de cada una de las capas.
ܾ௜ = espesor de cada una de las capas
‫ ܤ‬ൌ suma de los espesores de las capas
[1.7]
33
2 PARTE EXPERIMENTAL
Esta investigación pretende valorizar un desecho con alto contenido de caolín
proveniente de una industria cerámica de grifería y sanitarios al usarlo como pasta
de confinamiento para relaves sulfurados junto con una arcilla plástica. Al tratarse de
un desecho industrial se efectuó el test TCLP (método EPA 1311) para determinar la
concentración de metales presentes. El relave sulfurado con el que se llevó a cabo
este proyecto es proveniente de la zona de Ponce Enríquez en la provincia del
Azuay. El relave tiene un alto potencial de drenaje ácido, por su alto contenido de
sulfuros, esto fue determinado con extracciones secuenciales. Tanto el desecho
como
el
relave
fueron
caracterizados
físicamente,
químicamente
y
mineralógicamente,
Se probó simultáneamente dos arcillas plásticas, una de producción nacional y la
otra importada, ambas con alto contenido de caolín y silicatos. Se efectuó una
caracterización completa de cada una de ellas. Las arcillas debían aportar
plasticidad al desecho cerámico. Varias proporciones desecho-arcilla fueron
probadas. Pruebas cerámicas (límites de Atterberg) y físicas (contracción lineal y
pérdida de peso) permitieron la elección de la formulación correcta y se pudo
obtener así la pasta con mejores condiciones de conformabilidad (plasticidad).
Una vez que la pasta fue formulada, se evaluó su impermeabilidad. La pasta debe
contener al relave sulfurado y evitar la infiltración hacia el ambiente circundante.
Para evaluar la infiltración un simulador de lluvia de 20 litros de capacidad, del tipo
formador de gotas fue construido. Varios espesores de pasta fueron probados (1, 2,
3,4 cm) conjuntamente con el relave para la determinación de la velocidad de
infiltración en cada caso. Los estudios de infiltración se complementaron con
ensayos en columnas saturadas.
Una vez que todas las propiedades y condiciones tanto de la pasta cerámica como
de la materia prima fueron determinadas, se procedió a la elaboración del diagrama
de flujo correspondiente a una producción de 100 t/día. Se dimensionaron tanques,
34
bombas y amasadora continua. Se realizó también una evaluación de factibilidad del
proceso, a través de la determinación de índices económicos (VAN, TIR). La Figura
2.1 presenta un esquema del procedimiento experimental efectuado.
Materias primas
Secado ambiental
T= 20°C, 24 h
Caracterización física, química (AA y
MEB), mineralógica (DRX)y
determinación del potencial de
drenaje ácido.(Método Dold y
Fontabé)
Agua
Selección y preparación de la pasta
cerámica (Límites de Attenberg)
Agua
Evaluación infiltración
(Columnas saturadas y simulador de
lluvia)
Elaboración diagrama de flujo
(Flujos y condiciones del proceso)
Dimensionamiento equipos
(amasadora, tanques
almacenamiento, bombas)
100 ton/día de pasta cerámica de contención de relaves
sulfurados
Figura 2.1 Esquema del procedimiento experimental efectuado
35
2.1
CARACTERIZACIÓN FÍSICA, QUÍMICA Y MINERALÓGICA
DE MATERIAL ARCILLOSO Y RELAVE SULFURADO
Se caracterizaron las materias primas que forman parte de la pasta de contención de
relaves, estas son el desecho cerámico y arcillas plásticas de producción nacional e
importada. El relave sulfurado también fue analizado. Las materias primas (arcilla
nacional e importada y desecho cerámico) fueron secadas al ambiente por un lapso
de 24 horas antes de proceder a los ensayos. Se practicaron ensayos físicos,
químicos y mineralógicos. Al relave sulfurado se aplicaron extracciones secuenciales
para determinar su potencial de drenaje ácido, algunas de sus propiedades fueron
tomadas de bibliografía.
2.1.1 CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MATERIAS PRIMAS
La caracterización de las tres materias primas (arcilla nacional, arcilla importada,
desecho cerámico) consistió en análisis granulométricos bajo Norma ASTM C 1360, granulometría láser y determinaciones de densidad real y aparente según Norma
NTE INEN 0572 y contenido de humedad bajo norma ASTM D2216-10. El
procedimiento llevado a cabo y las relaciones empleadas se muestran en el Anexo I.
2.1.2 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA DE LAS MATERIAS PRIMAS
Las materias primas (arcillas y desecho cerámico) debieron ser pulverizadas y secas
previamente, puesto se requiere muestras con un tamaño de partículas menor a 40
µm. Adicionalmente las muestras debieron ser disgregadas en microondas con ácido
nítrico, fluorhídrico y clorhídrico ante de ser analizadas.
La caracterización química comprendió el análisis por absorción atómica para la
determinación de la toxicidad del desecho cerámico y el análisis quimico semi
36
cuantittivo de las materias primas. El procedimiento llevado a cabo y las relaciones
empleadas se muestran en el Anexo I.
2.1.3 CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA DE LAS MATERIAS PRIMAS
Se llevó a cabo mediante análisis de difracción de rayos X con el equipo D8
Advance (Bruker). Para ello se pulverizó 1 gr de muestra de cada una de las
materias primas para asegurar un tamaño de partícula menor a 40 µm.
La base de datos ICCD y el programa Diffrac Plus permitieron interpretar los
difractogramas obtenidos y determinar las fases cristalinas presentes en la materias
primas.
2.1.4 DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE DRENAJE ÁCIDO DEL RELAVE
SULFURADO
Se llevó a cabo el procedimiento de extracciones secuenciales sugerido por Dold y
Fontobé (2011). Este permite extraer y diferenciar las fases minerales secundarias
generadas por el relave sulfurado al ser expuesto a condiciones ambientales.
Se compone de siete extracciones secuenciales, cada una de ellas es analizada por
difracción de rayos X y absorción atómica. La Tabla 2.1 muestra las fracciones
resultantes de cada extracción. El procedimiento llevado a cabo y las relaciones
empleadas se muestran en el Anexo I.
37
Tabla 2.1 Fracciones extraídas en la determinación de potencial de drenaje ácido
No. Extracción
Fracción resultante
1
Fracción soluble
2
Carbonatos
3
Oxihidróxidos de Fe+3 y óxidos de Mn
4
Óxidos de Fe+3 e hidroxisulfatos
5
Materia orgánica y a sulfuros secundarios
6
Sulfuros primarios
7
Fracción residual
(Dold y Fontobé, 2001, p. 64)
2.1.5 PRUEBAS ESTÁTICAS PREDICTIVAS
En los relaves sulfurados existen especies que producen ácidos y otras que son
capaces de neutralizarlos. El Potencial Ácido (AP) y el Potencial de Neutralización
(NP) permiten cuantificar la influencia de estas especies presentes. La conjugación
de estos dos parámetros permite conocer el Potencial Neto de Producción de Ácido
(NAPP) o conocido también como Potencial Neto de Neutralización (NNP).El
conocimiento de estos índices es de suma importancia en el manejo de relaves y
sus futuros tratamientos.
·
Para el cálculo del AP, se determinó el contenido de azufre en la muestra
inicial, este es convertido al máximo potencial de acidez que se expresa en
kilogramos de carbonato de calcio, lo que a su vez es equivalente a una tonelada de
material. Dold y Fontobé (2011) proponen que el 1% de sulfuro presente en la
muestra tiene el poder de neutralizar 62,5 kg de CaCO3.
·
Para el cálculo del NP fue necesario añadir ácido clorhídrico (1 N) caliente y
con hidróxido de sodio (1 N) se determinó la cantidad de ácido no consumida. Se
utilizó la relación propuesta por Dold y Fontobé (2011) que indica que cada
kilogramo de HCl consumido equivale a 1,37 kg de CaCO3.
·
El NNP fue calculado por la diferencia entre el NP y AP.
38
2.2
FORMULACIÓN DE LA PASTA (DESECHO CERÁMICO-
ARCILLA)
Debido a la composición mineralógica semejante entre la arcilla nacional e
importada,
nueve
distintas
formulaciones
fueron
evaluadas
con
distintas
proporciones del desecho cerámico, arcilla nacional y arcilla importada. Se
realizaron
ensayos
para
comparar
propiedades
cerámicas
(plasticidad
y
consistencia) y físicas (contracción lineal y pérdida de peso).
2.2.1 FORMULACIÓN DE LA PASTA DE CONFINAMIENTO DE RELAVE
SULFURADO
Para la formulación de la pasta cerámica tres materiales fueron combinados. El
desecho cerámico tiene un alto contenido de caolín. Las arcillas son de producción
nacional e internacional respectivamente.
Las nueve formulaciones de la pasta fueron evaluadas al agregar al desecho
cerámico distintas proporciones, en peso de las arcillas plásticas, como lo sugiere
(Silva, 2009, p. 910). Las formulaciones varían entre 100% y 75% de desecho. Los
estudios cerámicos y físicos, permitieron seleccionar la mejor formulación para el
confinamiento de relaves sulfurados de minería. Las distintas composiciones de
cada formulación fueron elegidas aleatoriamente En la Tabla 2.2 se presenta las
formulaciones ensayadas en esta investigación:
Tabla 2.2 Formulaciones de las pastas cerámicas de confinamiento de relaves sulfurados
COMPONENTES
Formulación de las pastas de contención de relaves
sulfurados
A
B
C
D
E
F
G
H
I
Desecho cerámico (%)
100
85
80
75
88,5
90
86,5
75
85
Arcilla nacional (%)
-
-
-
-
-
10
13,5
25
15
Arcilla importada (%)
-
15
20
25
11,5
-
-
-
-
39
2.2.2 EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES CERÁMICAS DE LAS PASTAS DE
CONFINAMIENTO DE RELAVE SULFURADO
La evaluación de las propiedades cerámicas de las pasta consistió en la
determinación de los Límites de Attenberg. Estos consisten como lo sugiere (Osorio,
2011, p. 4), en la determinación del límite líquido, plástico y el índice de plasticidad.
El límite plástico permite conocer la humedad necesaria para que la pasta cerámica
adquiera
la
plasticidad
entre
su
comportamiento
líquido
y plástico.
Las
determinaciones se realizan bajo Norma NTE INEN 0691 con el empleo del equipo
Copa de Casagrande. El límite plástico permitió conocer la humedad que se
presenta entre los estados semisólido y plástico de las distintas formulaciones.
Mientras que el índice de plasticidad corresponde a la diferencia entre el límite
líquido y plástico. Los procedimientos se detallan en el Anexo IX.
2.2.3 EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LAS PASTAS DE
CONFINAMIENTO DE RELAVE SULFURADO
Una vez se realizaron las pruebas cerámicas y los índices de plasticidad y
consistencia fueran calculados, se seleccionaron cuatro formulaciones para los
estudios físicos. Las formulaciones elegidas fueron aquellas que presentaron un
índice de plasticidad mayor a 7 y menor a 15, las que son consideradas
medianamente plásticas (Viera, 2011, p.72). Adicionalmente las formulaciones
elegidas debían tener un índice de consistencia mayor a 0,5, con lo que aseguran
ser plásticas. Las formulaciones seleccionadas fueron: 15% de arcilla importada (B),
11,5 % de arcilla importada (E), 13,5% de arcilla nacional (G) y 15% de arcilla
nacional (I).La evaluación de las propiedades físicas consistió en la comparación de
los porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso evaluados en muestras
frescas y secas al ambiente y estufa. El procedimiento llevado a cabo se detalla en
el Anexo IX.
40
2.2.4 SELECCIÓN Y ELABORACIÓN DE LA PASTA CERÁMICA
Los ensayos físicos y cerámicos permitieron seleccionar de entre las 9
formulaciones la más adecuada para confinamiento de relaves. La pasta
seleccionada fue aquella que presentó un comportamiento plástico mediante la
determinación de los límites de Attenberg y el menor porcentaje de contracción lineal
y pérdida de peso verificados visualmente; además de no presentar grietas o fisuras.
Para la elaboración de la pasta seleccionada, se secó las materias primas por 24
horas al ambiente. Se pesó la arcilla y el desecho cerámico en las proporciones
encontradas. Se agregó agua para alcanzar el 32% de humedad. La pasta se
maceró en fundas plásticos por 24 horas para evitar pérdida de humedad.
2.3
EVALUACIÓN DE LA INFILTRACIÓN DE LIXIVIADOS DE
RELAVE SULFURADOS EN EL MATERIAL FORMULADO
De acuerdo al artículo 91 del Reglamento Ambiental de actividades mineras, la pasta
cerámica al ser usada como una barrera de confinamiento de relaves sulfurados
debe ser impermeable y evitar la contaminación de acuíferos subterráneos. Para
estimar la infiltración de la pasta se construyó un simulador de lluvia de 20 cm3 de
capacidad y se usaron columnas saturadas. Los ensayos se realizaron con el relave
sulfurado y con la pasta de contención.
2.3.1 ESTIMACIÓN DE LA INFILTRACIÓN CON EL SIMULADOR DE LLUVIA
La estimación de la infiltración del relave sulfurado y la pasta cerámica fueron
llevadas a cabo en un simulador de lluvia. El simulador de lluvia fue construido en
base al modelo propuesto por Monge (2008). El simulador es del tipo formador de
gota, tiene un reservorio que consta de dos prismas acoplados cuya base tiene 195
agujeros en donde se colocan agujas hipodérmicas como plantea el modelo
propuesto por Bielders (1994). La intensidad de lluvia será regulada aplicando el
41
principio de la botella de Mariotte. Además se ha dispuesto de un soporte metálico
que permite graduar su altura. El detalle de la construcción del equipo al igual que
sus dimensiones y accesorios se encuentra en el Anexo VI.
2.3.1.1 Operación del equipo
El equipo debe ser calibrado siempre antes de su operación. Se realizaron pruebas
con el relave sulfurado solo y con este recubierto por la pasta formulada. Se
ensayaron cuatro espesores de la pasta, 1 cm, 2 cm, 3 cm y 4 cm. Además se varió
la altura del soporte metálico, todo con el fin de evaluar la infiltración de la pasta y el
relave. Todos los ensayos se realizaron con agua a 20ºC y con una intensidad de
lluvia de 30 mm/h. La operación del equipo a detalle se presenta a continuación.
·
Antes de poner en operación al simulador de lluvia, tanto el relave como la
pasta cerámica deben estar saturadas. Deben saturarse con agua por al menos 24
horas, antes de comenzar la simulación. El proceso de saturación fue llevado a cabo
con columnas de vidrio de 5 cm de diámetro y 30 cm de longitud. Se emplearon dos
columnas, una de ellas es llenada con el material conservando la gravedad
específica del mismo, la segunda columna fue llenada con agua. Una manguera
acoplada a las columnas permitió que el agua fluya por diferencia de presión y así el
material sea saturado.
·
Se volteó el reservorio, cerró el tubo de aeración y usó el tanque de
almacenamiento de agua y la manguera para alcanzar un volumen de agua
conocido.
·
Se instaló el soporte para aislar el área de estudio y la canaleta para la
recolección de escorrentía y sedimentos que pudiesen fluir. La caja de recolección
de muestras debe ubicarse por debajo del nivel del simulador.
·
Se colocó el equipo en posición sin retirar el tapón de aeración.
·
Se retiró el tapón, colocó el tubo vertical en la posición obtener 30 mm/h de
intensidad de lluvia e inició el cronómetro a la par.
·
Una vez transcurrido el tiempo de operación, se coloca de nuevo el tapón en
el tubo de aeración.
42
·
Se recogen todos los sedimentos depositados en la caja de recolección de
muestras y aquellos que se encuentran aún en la canaleta.
·
La velocidad de infiltración se calcula mediante la siguiente relación:
‫ ݊×݅ܿܽݎݐ݈݂݅݊ܫ‬ൌ ‫ ܽ݅ݒݑ݈݈݀ܽ݀݅ݏ݊݁ݐ݊ܫ‬െ ‫ݐ݊݁ݎݎ݋ܿݏܧ‬Àܽ
[2.1]
La velocidad de escorrentía se obtuvo al medir el volumen de escorrentía generado
en el tiempo de operación, todos los ensayos deben efectuarse bajo la misma
intensidad de lluvia. La estimación de la escorrentía consideró el área sobre la cual
se efectuó la simulación. Para la equivalencia a milímetros de lluvia debe conocerse
el área de impacto, se usará la siguiente relación empírica sugerida por Angelone y
Garibay (2006).
ͳ݈݈݉݉‫ ܽ݅ݒݑ‬ൌ ͳ
‫ܮ‬
݉ଶ
[2.2]
Por tanto la escorrentía se calcula bajo la siguiente relación:
‫ݐ݊݁ݎݎ݋ܿݏܧ‬Àܽ ൌ
·
ܸ௘௦௖௢௥௥௘௡௧À௔
‫ܽ݁ݎž כ ݋݌݉݁݅ݐ‬
[2.3]
Se realizaron mediciones de escorrentía cada 5 o 10 minutos por periodos de
2 horas. Estos datos permitieron construir las curvas de infiltración para el relave
sulfurado y para el relave cubierto con la pasta cerámica. La Figura 2.2 presenta una
fotografía del equipo operando.
43
Figura 2.2 Fotografía del simulador de lluvia
2.3.1.2 Evaluación de la resistencia de la pasta de confinamiento al impacto de las gotas
de lluvia
Como se expuso previamente el simulador de lluvia cuenta con un soporte ajustable
de aluminio, este permitió evaluar la resistencia de la pasta formulada a distintas
alturas. El valor de la energía cinética proporcionada por la caída de las gotas de
lluvia permitió evaluar la resistencia de la pasta formulada. Cobo (1999) propone una
relación con el tamaño de gota. Las relaciones empleadas y el manejo de datos se
detallan en el Anexo VI.
2.3.2 ESTIMACIÓN DE LA INFILTRACIÓN CON COLUMNAS SATURADAS
La estimación de la infiltración del relave sulfurado y la pasta formulada se efectuó
también con columnas de vidrio. Antes de cualquier medición, el relave y la pasta
fueron saturados, lo que permitió comparar resultados con las pruebas efectuadas
44
con el simulador de lluvia. La saturación se llevó a cabo con dos columnas, una llena
de agua y la otra llena de material. El agua fluyó por diferencia de presión y saturó
así al relave y pasta.
Los ensayos efectuados permitieron conocer sus valores de constante de saturación
‫ݏܭ‬. Se utilizó el concepto de permeabilidad equivalente para la estimación de
infiltración para los distintos espesores de la pasta formulada.
2.3.2.1 Determinación de la constante de saturación (Ks) para el relave sulfurado
mediante carga variable
Los ensayos se llevaron a cabo en columnas de vidrio, de 5 cm de diámetro y 30 cm
de longitud. En primer lugar las columnas fueron llenadas con una capa de 0,5 cm
de altura de grava. Posteriormente se adicionó el relave conservando su humedad
inicial. El relave fue agregado en pequeñas porciones seguidas de ligeros golpes a
la base de la columna, lo que evitó la formación de grietas. El proceso de llenado
continuó hasta alcanzar una altura aproximada de 30 cm, lo que permitió simular la
densidad aparente del relave. La altura alcanzada debe ser registrada. La Figura 2.3
y Figura 2.4 muestran las columnas de vidrio empleadas.
Carga de agua
Material (relave) 30 cm
Grava 0,5 cm
Figura 2.3 Esquema columna vidrio
45
Figura 2.4 Fotografía de la columna de vidrio con relave
Las columnas debieron ser saturadas por un período no menor a 24 horas. Una
segunda columna con agua destilada fue acoplada mediante una manguera a la
columna que contenía el relave. Por diferencia de presión, el agua contenida en la
primera columna fluye hacia la segunda, hasta que las presiones generadas por las
columnas de agua se igualen. Una vez el agua tiene contacto con la columna de
relave, la satura por capilaridad. Debe monitorearse continuamente el surgimiento de
grietas o fisuras. El proceso de saturación culmina cuando se ha alcanzado una
carga constante de agua sobre el nivel del relave, se registró este nivel. La Figura
2.5 muestra una fotografía del proceso de saturación descrita.
.
Figura 2.5 Proceso de saturación de las columnas
Por último se registra el tiempo en el que la columna de agua disminuye hasta un
nivel conocido. En los ensayos efectuados, se partió de un nivel inicial aproximado
46
de 3 cm y el tiempo registrado fue aquel en el que se alcanzó una carga de 2cm. Se
calculó el valor de la constante de saturación con los valores de tiempo y los
registros de nivel de agua en la columna.
2.3.2.2 Determinación de la constante de saturación (Ks) para la pasta formulada
Para la determinación de la constante de saturación para la pasta formulada, se
emplearon las columnas de vidrio usadas en los ensayos con el relave sulfurados.
Una capa de 0,5 cm de grava fue adicionada, se alcanzó una altura aproximada de
15 cm de la pasta para simular su densidad en campo. La saturación transcurrió de
igual forma por menos de 24 horas y siguiendo el esquema mostrado en la Figura
2.5.
A partir de la carga inicial de agua se registró el tiempo necesario para obtener una
altura de 1cm. Con los datos registrados se calculó la constante de saturación para
la pasta cerámica. La Figura 2.6 presenta un esquema de las columnas saturadas
con la pasta cerámica.
Carga de agua
Material (pasta cerámica) 15 cm
Grava 0,5 cm
Figura 2.6 Columnas saturadas para la determinación del Ks de la pasta formulada
47
2.4
DEFINICIÓN
DEL
DIAGRAMA
DE
FLUJO
Y
DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS NECESARIOS PARA LA
ELABORACIÓN DE 100 t/DÍA DE PASTA PARA CONFINAMIENTO
DE RELAVES
Localmente la industria cerámica ha cobrado gran importancia en los últimos años;
esto ha dado cabida a una alta producción de sanitarios y grifería. Su proceso
productivo requiere incorporar materia prima plástica y no plástica; se efectúa un
tamizado en húmedo previo al curado. La porción retenida del proceso de tamizado
es considerado desecho. La empresa local en la que se basa el presente estudio,
reporta una generación de 200 t/día (Zambrano, 2011, p.52) de este pasivo. Se
empleará este desecho para la producción de 100 t/día de una pasta de
confinamiento para relaves sulfurados de minería. La pasta estará conformada por
una mezcla del desecho cerámico y arcillas.
Para la definición del diagrama de flujo las mejores condiciones de operación fueron
seleccionadas, estas se obtuvieron de ensayos de laboratorio. La determinación de
los Límites de Attenberg y los porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso
aportaron
los
criterios
necesarios
para
seleccionar
una
formulación
con
comportamiento plástico que sea fácilmente moldeable por extrusión. Estas pruebas
seleccionaron la arcilla adecuada para la operación junto con sus proporciones
además del
porcentaje de humedad y espesor adecuado de la pasta de
confinamiento. Estos datos son necesarios en la dosificación de las materias primas.
Es necesario también, definir las operaciones unitarias necesarias y los equipos
requeridos para la producción de 100 t/día de la pasta de confinamiento de relaves.
Así los balances de masa y energía podrán ser efectuados. Las operaciones
involucradas son dosificación, amasado, empacado y maceración. Los procesos a
efectuarse en la planta son continuos Se ha propuesto el uso de mezcladora
continua
con
tolvas
integradas,
bombas
de
alimentación
y
tanques
de
almacenamiento .La alimentación de materias primas se realizará con dos bombas
48
rotatorias de tornillo, puesto que los materiales se tratan de pastas aguadas. Su
criterio de selección fue la altura de bomba requerida en cada operación y la
densidad relativa de los sólidos. El amasado de la pasta es el proceso central, para
ello se ha seleccionado minuciosamente una mezcladora que no sólo permita
homogenizar la pasta, también deberá permitir un ahorro energético y obtener la
pasta por extrusión. El criterio de selección de la pasta fue su capacidad en base al
flujo de materias primas que ingresan a esta. Una vez la pasta ha pasado por la
amasadora, se descargará y empacará en tanques plásticos de 50 litros. Se ha
optado por esta forma de empacado por ser económico, de fácil manejo y permite
mantener el contenido de agua en la pasta.
2.5
DETERMINACIÓN
DE
LA
FACTIBILIDAD
ECONÓMICA
PRELIMINAR DE LA PLANTA DE 100 t/DÍA
La factibilidad económica se evaluó después de definir el diagrama de flujo y
dimensionar los equipos involucrados en el proceso. Se comercializará la pasta
cerámica en tanques plásticos de 50 kg. Fue necesario definir el capital de
operación, inversión total, costos fijos y variables que incurre una planta de
producción de pasta de confinamiento de relaves con una capacidad de 100 t/día.
La inversión del proyecto contempla compra de maquinaria, alquiler de un galpón y
el capital de operación. En los costos fijos se considera materiales directos, materia
prima, mantenimiento y depreciación de equipos imprevistos, suministros y
materiales indirectos. Mientras que los costos variables incluyen la adquisición de
materias primas y servicios básicos. Es importante mencionar que se consideró que
el desecho cerámico no tiene valor comercial. Una vez analizados todos los puntos
mencionados se calcularon índices económicos como el Valor Actual Neto (VAN),
Relación Beneficio Costo (B/C) y Tasa Interna de Retorno (TIR).
Se analizó costos de operación, entre ellos costos fijos y variables. Los costos fijos
contemplaron mano de obra, depreciación y mantenimiento de equipos entre otros
parámetros. Se evaluará la inversión total considerando capital de operación,
49
maquinaria, equipos, arriendos. Con estos parámetros se pudo realizar el flujo de
caja correspondiente, al considerar la venta de la pasta cerámica de confinamiento
de relaves. El índice económico VAN se calculó de acuerdo a la siguiente relación:
௡
ܸ‫ ܰܣ‬ൌ ෍
௜ୀଵ
ܸ௧
െ ‫ܫ‬ை
ሺͳ ൅ ݇ሻ௜
[2.4]
Dónde:
݇ : Tasa de corte o de descuento (costo de capital)
ܸ௧ : Flujos de fondos en cada período t
‫ܫ‬ை : Inversión inicial
݊: Número de períodos considerado
Mientras que el TIR, corresponde al interés cuando el VAN tiene un valor de 0. Por
su parte la relación B/C expresa la relación entre la ganancia y los gastos tanto de
inversión como de operación.
50
3
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Este capítulo presenta los resultados obtenidos de la caracterización física, química
y mineralógica de las materias primas, al igual que los resultados del test TCLP y la
cuantificación de la capacidad de generación de drenaje ácido del relave sulfurado
empleado. Incluye también los resultados de los ensayos cerámicos y físicos a los
que fueron sometidos las distintas formulaciones y los criterios con los que se
seleccionó la formulación de la pasta cerámica.
Los resultados de los ensayos de infiltración con el simulador y columnas de vidrio
también se describen. Por último se presenta el diagrama de flujo propuesto para la
producción de 100 t/día de relave sulfurado y la evaluación de su factibilidad
económica mediante el cálculo de índices financieros.
3.1
RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN FÍSICA, QUÍMICA
Y MINERALÓGICA DE MATERIAS PRIMAS
Como se señaló anteriormente las materias primas ensayadas son un desecho
cerámico proveniente de una empresa cerámica local de sanitarios y grifería y dos
arcillas nacional e importada. El desecho cerámico proviene de la porción retenida
de un tamiz en base húmeda, tiene alto contenido de caolín, presenta ciertas
impurezas como maderas y residuos plásticos. La arcilla nacional presenta un color
marrón intenso mientras que la arcilla importada un color crema.
Las propiedades físicas, químicas y mineralógicas del relave sulfurado proveniente
de la región de Ponce Enríquez fueron determinadas por Mosquera (2014).
51
3.1.1
RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MATERIAS
PRIMAS
Los ensayos físicos realizados fueron: análisis granulométrico y determinación del
d80, densidad real y aparente y determinación del porcentaje de humedad. Los
resultados para las materias primas se detallan a continuación.
3.1.1.1 Resultados de los análisis granulométricos y determinación del d80
Posterior a que las materias primas fueran secadas ambientalmente por 24 horas, se
procedió a su análisis granulométrico. Se utilizó una torre de tamices agitada
mecánicamente, esto permitió separar cualitativamente las partículas de acuerdo a
sus distintos tamaños. Así se conoce el peso que aporta cada grupo de partículas.
En el Anexo I se presentan los resultados tabulados y el cálculo del d 80 para las
materias primas. La Tabla 3.1 muestra los valores de d80 obtenidos para cada
material.
Tabla 3.1 Resultados del análisis granulométrico de las materias primas
Materia Prima
d80 (µm)
Desecho cerámico
75
Arcilla nacional
68
Arcilla importada
35
Relave sulfurado
110
Se nota que el relave sulfurado tiene un tamaño de partícula menor que las arcillas y
desecho que conformarán la pasta cerámica. El desecho cerámico tiene una
granulometría mayor que las arcillas mientras que la arcilla importada tiene un
tamaño de partícula mayor a la nacional.
La granulometría del desecho cerámico no difiere por mucho de la arcilla nacional.
Esto se debe principalmente a que el desecho cerámico presenta un alto contenido
52
de caolín. La caolinita presente en el caolín tiene una baja dureza y abrasividad,
además de ser untuoso y presentar una baja viscosidad en altos porcentajes de
sólidos (Sarango, 2011, p.8). El tamaño de partícula de la caolinita modifica el brillo,
opacidad y blancura del caolín.
En general el tamaño de partícula de las arcillas influye en la resistencia mecánica
de las pastas cerámicas. Las piezas cerámicas experimentan un cambio de
dimensiones en los procesos de secado y cocción. Este encogimiento se debe a la
pérdida de agua en el proceso. Las pastas cerámicas se vuelven más porosas y por
ende más propensas a fracturas.
3.1.1.2 Resultados del análisis granulométrico láser para las materias primas.
El desecho cerámico es un material heterogéneo, el análisis con el equipo HORIBALa950-V2 obtuvo los siguientes resultados. En el Anexo II, se muestran todos los
datos obtenidos.
Los resultados obtenidos del análisis granulométrico laser son muy semejantes a los
obtenidos mediante torre de tamices. El d80 reportado para el desecho cerámico es
73 µm, 67 µm para la arcilla nacional y 23 µm para la arcilla importada.
Este tamaño de partículas obtenido es propio de las arcillas, que se caracterizan por
tener una granulometría menor a los 0,002 mm. Esto hace que adquieran plasticidad
al ser mezclados con agua (González, 2012, p.4).
El rango menor a 80 µm de las materias primas analizadas reitera el alto porcentaje
de caolinita. Esta se presenta en un rango de 0,1 a 100 µm, lo que le proporciona
excelentes propiedades en la elaboración de refractarios, cerámica blanca,
cosméticos y pinturas.
53
3.1.1.3 Resultados de la determinación de la densidad real y aparente de las materias
primas
Los valores de densidad real y aparente para las materias primas se muestran en la
Tabla 3.2.
Tabla 3.2 Resultados de la densidad real y aparente
Densidad real (g/cm3)
Densidad aparente (g/cm3)
Desecho
cerámico
2,69
1,09
Arcilla nacional
2,64
1,09
Arcilla
importada
2,64
1,1
Relave sulfurado
4,34
1,7
Material
En la Tabla 3.2 se observa que la densidad real del relave sulfurado es por mucho
mayor a la de las arcillas y desecho cerámico. Esto se debe a la presencia de
sulfuros en su composición. Las arcillas nacional e importada presentan el mismo
valor de densidad real.
El desecho cerámico presenta un valor mayor a las arcillas, este puede deberse a
que su contenido de caolín es mayor que el de las arcillas. La similitud en los
valores de las arcillas, se atribuye a que ambas tienen un contenido de caolín muy
semejante, aunque difieren en su composición mineralógica.
Se debe tomar en cuenta que la densidad real no considera los espacios entre las
partículas, por ello siempre presenta un valor mayor a la densidad aparente. Por su
parte la densidad aparente indica el volumen que ocupa la materia prima en un
espacio de almacenamiento (Chesters, 1993, p.17). En general la densidad influye
en la porosidad y granulometría del material.
54
3.1.1.4 Resultados de la determinación de humedad de las materias primas
El contenido de humedad correspondiente a cada materia prima se presenta en la
Tabla 3.3.
Tabla 3.3 Resultados del porcentaje de humedad
Material
Humedad (%)
Desecho cerámico
38,14
Arcilla nacional
4,41
Arcilla importada
27,61
Relave sulfurado
18,90
Como se puede notar en la Tabla 3.3 el mayor contenido de humedad lo tiene el
desecho cerámico. Este proviene de la porción retenida de un tamiz en base
húmeda, esto explica su alto contenido de humedad, eso también explica su
apariencia de una pasta grumosa. Por su parte la arcilla importada tiene un mayor
contenido de humedad que la arcilla de producción nacional. La arcilla importada
tiende a conglomerarse por la cantidad de agua presente. El relave sulfurado por su
parte tiene una humedad moderada, que deberá mantenerse en ensayos
posteriores.
3.1.2 RESULTADOS DE LA CARACTERIZACIÓN QUÍMICA Y MINERALÓGICA
DE LAS MATERIAS PRIMAS
3.1.2.1 Resultados de la determinación de la composición química por absorción atómica
En la Tabla 3.4 se muestra el contenido de los elementos presentes en el desecho
cerámico, arcilla nacional e importada. El análisis fue efectuado previo una
disgregación ácida en microondas de cada materia prima.
55
Tabla 3.4 Caracterización química de las materias primas
Elemento
Desecho cerámico (%)
Arcilla nacional (%)
Arcilla importada (%)
As
0,45
0,45
0,45
Ba
<0,1
<0,1
<0,1
Cd
0,03
0,04
0,05
Cu
0,10
0,16
0,14
Cr
0,14
0,02
0,25
Hg
0,05
0,05
0,05
Ni
0,16
0,11
0,10
Ag
0,01
0,05
0,02
Se
0,45
0,20
0,30
Co
0,75
0,82
1,18
Zn
0,32
0,17
0,15
Pb
0,65
0,69
0,69
Las materias primas por su origen presentan un carácter silico alumínico, esto
explica porque la suma de los elementos analizados no presentan un porcentaje
mayor del 2.5%. La composición química del relave sulfurado analizada por
absorción atómica fue realizada por Mosquera (2014), los resultados se presentan
en la Tabla 3.5
Tabla 3.5 Caracterización química del relave sulfurado
Elemento
Relave sulfurado (%)
Fe
39,6
S
17,6
Si
12,8
Ca
4,5
Al
4,2
Cu
3,6
Mg
1,5
As
0,9
K
0,8
56
(Mosquera, 2014, p.82)
El relave sulfurado tiene un alto contenido de hierro y azufre debido a la presencia
de sulfuros en su matriz. Estos elementos a la vez son los responsables de su
elevada densidad (4,34 g/cm3) y en su alto potencial de drenaje ácido.
3.1.2.2 Resultados del análisis químico semi-cuantitativo para las materias primas
El análisis semi cuantitativo llevó a cabo por microscopía electrónica de barrido con
analizador de rayos X ( Bruker). El rango de detección del equipo es del 1%.Los
resultados obtenidos se muestran en la Tabla 3.6. Los datos obtenidos se adjuntan
el Anexo III.
Tabla 3.6 Resultados del análisis químico semi-cuantitativo
Elemento
Desecho cerámico (%)
Arcilla nacional (%)
Arcilla importada (%)
Si
35,6
34,3
33,1
Al
9,4
19,1
13,0
Na
1,0
0,4
0,6
K
2,0
3,5
0,3
Mg
-
0,2
0,4
Ca
-
-
1,2
Fe
2,4
2,4
13,2
Ti
1,2
1,3
0,5
En el desecho cerámico, el elemento con mayor presencia es el silicio. Se debe a
que este contiene cuarzo y caolinita en mayor proporción. Se advierte también la
presencia de aluminio que está presente en alguno de los grupos minerales
presentes en el desecho, entre ellos se menciona la caolinita, al grupo plagioclasas y
dickita.
La arcilla nacional tiene una composición elemental semejante al del desecho
cerámico. Se advierte un contenido semejante de silicio y aluminio, que se
encuentran en la caolinita y grupo plagioclasas presente. La arcilla importada tiene
57
una composición semejante, un alto contenido de silicio y aluminio acorde a la
presencia de cuarzo, caolinita e illita.
3.1.2.3 Resultados de la caracterización mineralógica
La caracterización mineralógica permitió complementar el análisis químico y a la vez
pronosticar posibles interacciones en las formulaciones.
Así en la Tabla 3.7 se
presenta los porcentajes de los minerales presentes en las materias primas.
Tabla 3.7 Caracterización química de las materias primas
Mineral
Fórmula
Desecho
cerámico
(%)
Arcilla
nacional
(%)
Arcilla
importada
(%)
Cuarzo
SiO2
32
8
26
Grupo
plagioclasas
(Na,Ca)Al(Si,Al)Si2O8
21
59
10
Caolinita
Al2(Si2O5)(OH)4
33
32
31
Dickita
Al2(Si2O5)(OH)4
11
-
-
Muscovita
KAl2(AlSi3O10)(OH)2
1
-
3
Gypsum
CaSO4 2H2O
2
-
-
Cordierita
Mg2Al4Si5O18
-
1
-
Illita
KAl2(Si3AlO10)(OH)2
-
-
30
La caolinita es la especie mineral que mayor porcentaje presenta tanto en las arcillas
como en el desecho cerámico. Las materias primas tienen un porcentaje de caolinita
semejante, alrededor de 32%. Como se mencionó en el apartado 1.1.2, la caolinita
se trata de una arcilla blanca con un gran contenido de silicato alúmínico hidratado.
Su estructura consta de capas de tetraedros de sílice con capas de octaedros de
alúminas. Desde el punto de vista mineralógico una pasta es considerada plástica si
su composición es mayoritariamente caolín, así la pasta de contención de relaves
tendrá una buena conformabilidad.
58
En cuanto al desecho cerámico es importante destacar su alto contenido de cuarzo y
la presencia de dickita. La dickita se trata de un polimorfo de la caolinita que
cristaliza en el sistema monoclícino (Mcdougall, 2014, p.3). Esto permite que el
desecho sea fácilmente moldeable al tener una estructura mineralógica semejante.
La arcilla nacional por su parte, tiene un porcentaje del grupo plagioclasa
predominante con el 59%. Esto sugiere la presencia de albita, dado el color rojizo
que presenta la arcilla (Del Ramo, 2011, p.2). Los feldespatos son minerales no
arcillosos que proporcionan plasticidad a las pastas cerámicas.
Al analizar la arcilla importada se advierte la presencia de illita en un 30%. Esta se
trata de un silicato laminar, producto de la meteorización de la moscovita y
feldespatos (Ibañez, 2007, p.4). La illita es un mineral arcilloso que aporta
considerablemente plasticidad. Es evidente que la incorporación de ambas arcillas
mejorará considerablemente las propiedades cerámicas del desecho y permitirá
obtener una pasta de contención de relaves con carácter plástico.
La composición química del relave sulfurado fue tomada del trabajo de Mosquera
(2014) los resultados se presentan en la Tabla 3.8. El relave sulfurado tiene un gran
contenido de sulfuros metálicos, pirrotina y pirita. Se diferencian uno del otro por su
magnetismo, la pirita no presenta esta propiedad.
La pirrotina por su parte es altamente inestable ya que su concentración de hierro no
es constante, y su pH depende del medio en el que se encuentra (Klein, 2006, p.5).
El relave se encuentra expuesto al ambiente, es propenso a reacciones de oxidación
y consecuentemente a la generación de drenaje. Como se expuso en el apartado
1.2.1 este drenaje genera efluentes ácidos que pueden causar un gran impacto
ambiental
.
59
Tabla 3.8 Caracterización mineralógica del relave sulfurado
Mineral
Fórmula
Relave sulfurado (%)
Cuarzo
SiO2
10
Caolinita
Al2(Si2O5)(OH)4
13
Muscovita
KAl2(AlSi3O10)(OH)2
2
Grupo plagioclasa
(Na,Ca)Al(Si,Al)Si2O8
18
Clinocloro
(Mg,Fe)5Al(Si,Al)4O10(OH)8
4
Calcita
CaCO3
3
Calcopirita
CuFeS2
4
Pirita
FeS2
12
Pirrotina
Fe(1-X)S
30
Arsenopirita
CuFeS2
2
Merwinite
Ca3Mg(SiO4)2
2
(Mosquera, 2014, p.82)
3.1.2.4 Resultados del análisis TCLP del desecho cerámico
El análisis TCLP bajo el Method 1311 de la EPA fue ejecutado para determinar la
movilidad de los componentes inorgánicos presentes en el desecho y así clasificarlo
o no como desecho peligroso.
Como se puede notar en la Tabla 3.9 el desecho cerámico no presenta altos
porcentajes de los metales. El elemento con mayor porcentaje es el Cu, con 0,037%.
El resto de elementos no superan el 1% y todos presentan valores menores que los
la permitidos por la Ordenanza Municipal 213 de la gestión de residuos sólidos
vigente desde el 2008.
El desecho cerámico proveniente de una industria de grifería puede ser utilizado en
diferentes aplicaciones industriales, sin que esto constituya una amenaza para el
medio ambiente o el ser humano.
Los resultados de los análisis por absorción atómica se detallan a continuación.
60
Tabla 3.9 Resultados del análisis TCLP del desecho cerámico
3.1.3
Elemento
%
Ordenanza 213
%
As
<0,01
0,1
Ba
0,005
0,005
Cd
0,035
0,1
Cu
0,037
2
Cr
<0.01
0,02
Hg
<0,01
1
Ni
<0.01
0,5
Ag
<0.01
2
Se
<0,01
0,1
Ca
0,043
0,5
Zn
<0.01
0,2
Pb
<0,01
2
RESULTADOS DE LA DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE DRENAJE
ÁCIDO DEL RELAVE SULFURADO
Ya que el relave tiene un gran contenido de sulfuros (30%) este podría producir
drenaje ácido de roca. Dold y Fontabé (2011) sugirieron un procedimiento con siete
extracciones secuenciales como se detalla en el Anexo I .Cabe notar que no se pudo
proceder con el paso secuencial 7, puesto que toda la fracción sólida proveniente del
paso 6 se disolvió al agregar ácido clorhídrico, clorato potásico y ácido nítrico.
Como se menciona en el Anexo I, las fracciones clarificadas fueron las que se
analizaron por absorción atómica. Se inició con siete muestras de relave, conforme
se ejecutaban las extracciones secuenciales se reducían hasta llegar a ser dos en el
paso 6. Los resultados promedio de cada uno de los pasos se presentan a
continuación.
61
PASO 1
Tabla 3.10 Resultados de la determinación del potencial de drenaje ácido en la primera
extracción
Elemento
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Muestra 5
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
Muestra
6(%)
Muestra
7(%)
Fe
13,31
22.22
3,27
3,27
0,01
9,48
12,71
Cu
3,25
4,88
2,43
2,43
0,17
2,82
15,96
Mn
0,38
0,64
0,44
0,44
0,28
0,34
0,36
Ni
0,18
0,21
0,18
0,18
0,15
0,18
0,16
Al
0,77
0,89
3,01
3,01
0,1
28
0,05
Ti
<0,1
<0.1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,01
Ca
3,81
3,6
3,12
3,12
1,09
2,13
3,01
Mg
0,91
0,83
0,74
0,74
0,93
1,21
1,73
Na
5,21
6,13
5,67
5,67
3,06
7,21
12,13
K
7,06
3,18
2,36
2,36
1,09
4,65
4,96
PASO 2
Tabla 3.11 Resultados de la determinación del potencial de drenaje ácido en la segunda
extracción
Elemento
Muestra 1
(%)
Muestra 2
(%)
Muestra 3
(%)
Muestra 4
(%)
Muestra 5
(%)
Muestra
6(%)
Fe
0,17
0,18
0,05
0,05
0,06
0,06
Cu
0,39
0,56
0,6
0,48
0,45
0,65
Mn
0,05
0,06
0,05
0,02
0,03
0,05
Ni
0,03
0,03
0,04
0,02
0,03
0,03
Al
0,18
0,06
0,12
0,06
0,06
0,03
Ti
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<<0,1
Ca
1,06
1,12
1,18
0,91
0,87
1,17
Mg
0,38
0,66
0,71
0,21
0,63
0,91
Na
12,07
13,18
12,66
12,33
12,5
12,93
K
7,46
7,5
7,88
7,9
7,6
7,09
62
PASO 3
Tabla 3.12 Resultados de la determinación del potencial de drenaje ácido en la tercera
extracción
Elemento
Muestra 1
(%)
Muestra 2
(%)
Muestra 3
(%)
Muestra 4
(%)
Muestra 5
(%)
Fe
10,1
28,17
14,47
18,91
26,86
Cu
0,42
1,04
2,5
0,9
1,27
Mn
0,05
0,06
0,06
0,06
0,05
Ni
0,01
0,02
0,01
0,02
0,03
Al
0,3
1,38
1,45
1,5
1,88
Ti
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
Ca
4,21
7,14
6,01
6,12
9,13
Mg
3,01
3,51
3,09
2,22
4,09
Na
5,21
9,19
6,53
7,67
9,6
K
2,03
4,86
2,29
3,77
3,99
PASO 4
Tabla 3.13 Resultados de la determinación del potencial de drenaje ácido en la cuarta
extracción
Elemento
Muestra 1
(%)
Muestra 2
(%)
Muestra 3
(%)
Muestra 4
(%)
Fe
2,7
0,92
1,21
2,44
Cu
0,15
0,3
0,26
0,18
Mn
0,21
0,14
0,14
0,17
Ni
0,06
0,05
0,06
0,06
Al
4,12
1,81
2,57
3,98
Ti
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
Ca
2,11
0,91
1,12
2,04
Mg
1,12
1
1,21
0,93
Na
6,29
3,44
4,57
8,91
K
4,86
1,28
2,09
4,03
63
PASO 5
Tabla 3.14 Resultados de la determinación del potencial de drenaje ácido en la quinta
extracción
Elemento
Muestra 1
(%)
Muestra 2
(%)
Muestra 3
(%)
Fe
0,47
0,69
1,26
Cu
5,77
6,17
10,3
Mn
0,01
0,01
0,01
Ni
0,06
0,06
0,11
Al
0,08
0,018
0,2
Ti
<0,1
<0.1
<0,1
Ca
3,18
4,11
5,01
Mg
1,36
2,19
3,06
Na
3,73
2,71
4,86
K
1,63
0,66
1,81
PASO 6
Tabla 3.15 Resultados de la determinación del potencial de drenaje ácido en la sexta
extracción
Elemento
Muestra 1
(%)
Muestra 2
(%)
Fe
2,14
1,22
Cu
1,45
0,73
Mn
0,25
0,18
Ni
0,29
0,19
Al
1,32
0,77
Ti
<0,1
<0.1
Ca
2,61
2,39
Mg
1,17
1,61
Na
6,22
3,45
K
1,73
0,98
64
Los resultados promedio de cada muestra para cada paso secuencial se muestran
en la Tabla 3.16
Tabla 3.16 Resultados de la determinación de drenaje ácido del relave sulfurado por
absorción atómica
Elemento
Paso 1
(%)
Paso 2
(%)
Paso 3
(%)
Paso 4
(%)
Paso 5
(%)
Paso 6
(%)
Fe
8,60
19,70
0,10
1,82
0,81
1,68
Cu
4,72
0,52
1,23
0,22
7,41
1,09
Mn
0,40
0,04
0,06
0,17
0,01
0,22
Ni
0,18
0,03
0,02
0,06
0,08
0,24
Al
4,75
0,09
1,55
3,12
0,10
1,05
Ti
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
Ca
2,95
1,05
6,28
1,55
4,10
2,50
Mg
1,06
0,58
3,62
1,07
2,20
1,39
Na
7,20
12,61
7,00
5,80
3,77
4,84
K
4,02
7,57
3,39
3,07
1,37
1,36
Como se muestra en la Tabla 3.16 el elemento con menor representación es el
titanio, que mantiene un porcentaje menor al 1%. En el paso 2 se observa el menor
porcentaje de Ca, esto se debe a que esta extracción disuelve carbonatos.
De igual forma el paso 4 muestra el porcentaje de Fe, la extracción 3 está asociada
con oxihidróxidos de hierro. Así también el paso 4 muestra un porcentaje bajo de Fe,
esta extracción se relaciona con óxidos de hierro.
En los pasos 5 y 6 la concentración ha disminuido considerablemente, la mayoría ha
sido disuelto en las extracciones precedentes, estos pasos disuelven sulfuros
primarios y secundarios. Los resultados promedio de cada uno de los pasos
analizados por difracción de rayos X se presentan a continuación en la Tabla 3.17.
65
Tabla 3.17 Resultados de la determinación de drenaje ácido del relave sulfurado difracción de
rayos X
Mineral
Fórmula
Paso 1
(%)
Paso 2
(%)
Paso 3
(%)
Paso 4
(%)
Paso 5
(%)
Cuarzo
SiO2
19
17
25
29
34
Pirrotina
Fe(1-X)S
61
64
57
55
55
Pirita
FeS2
13
15
14
13
9
Calcopirita
CuFeS2
6
3
3
2
1
Clinocloro
(Mg,Fe)5Al(Si,Al)4O10(OH)8
1
1
1
1
1
En el paso 1 se observa una alta concentración de sulfuros metálicos, pirrotina y
pirita y la mayor concentración de calcopirita, este paso tan sólo disolvía la fracción
soluble. En el paso 2 muestra una concentración mayor de pirrotina y porcentajes
semejantes del resto de componentes, esto se explica ya que esta extracción
disuelve carbonatos únicamente.
El paso 3 muestra una disminución en la concentración de pirrotina y pirita, este se
debe a que esta extracción disuelve Fe+3, el cual está presente en ambos sulfuros.
El paso 4 muestra un descenso en la concentración de pirrotina, pirita y calcopirita
debido a que esta extracción está asociada a la disolución de Fe+3 y azufre. En el
paso 5 se muestra de nuevo una disminución de la concentración de sulfuros, este
paso se asocia con la disolución de azufre presente en la pirita, pirrotina y
calcopirita.
El porcentaje de pirrotina se mantuvo por encima del 55% en todas las extracciones,
esto confirma el alto potencial de drenaje ácido que tiene el relave sulfurado. Las
extracciones con agua y diferentes ácidos generaron lixiviados con presencia de
sulfuros en todos los pasos secuenciales. Este comportamiento también se refleja en
los porcentajes de pirita. El relave estudiado al ser expuesto a condiciones
ambientales generará efluentes ácidos que podrían contaminar el medio circundante
y posiblemente los acuíferos cercanos.
66
3.1.4 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS ESTATICAS PREDICTIVAS
De acuerdo a los resultados de las pruebas estáticas efectuadas, el relave sulfurado
proveniente de la región de Ponce Enríquez tiene un valor de NNP de
-300 kg
CaCO3/ tonelada de mineral. Los valores de NP y AP obtenidos fueron 360 kg
CaCO3/ tonelada de mineral y 60 kg CaCO3/ tonelada de mineral respectivamente.
La relación entre el NP y el AP permitió conocer el índice NPR. El valor del NPR
para el relave estudiado es 0,17.Walsh (2005) indica que todos aquellos relaves con
un valor de NPR menor a 1 sean clasificados como muy probables de generar
drenaje ácido
3.2
RESULTADOS
DE
LA
FORMULACIÓN
DE
LA
PASTA
CERÁMICA (DESECHO CERÁMICO-ARCILLA)
La formulación de la pasta cerámica constituyó una de las operaciones esenciales.
Las materias primas debían agregarse de modo que la pasta fuera plástica y a la vez
cumpliera su función de contener los relaves sulfurados. El desecho cerámico
cuenta con porcentaje de caolín del 33%, esto hace que al agregar agua se obtenga
una pasta semisólida fácilmente moldeable, aunque también untuosa. Las arcillas
nacional e importada debieron proporcionar plasticidad a la pasta para facilitar el
proceso de moldeo y homogenización.
Además la formulación debió asegurar que exista el menor porcentaje de
contracción lineal y pérdida de peso, al igual que al presentarse una variación de
humedad en la pasta no se visualice grietas o fisuras. Pruebas físicas y cerámicas
fueron llevadas a cabo para la selección de la formulación con las mejores
propiedades cerámicas y físicas, entre las 9 propuestas. Los resultados se muestran
a continuación.
67
3.2.1 RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES CERÁMICAS
DE LAS PASTAS DE CONFINAMIENTO DE RELAVES SULFURADOS
Las pruebas cerámicas permitieron la determinación de los Límites de Attenberg
según la metodología expuesta en el Anexo IV, los resultados de cada uno de ellos
se presenta a detalle.
3.2.1.1 Resultados de la determinación del límite líquido
Con el límite líquido se determina la humedad necesaria para que la pasta tenga una
plasticidad entre el comportamiento líquido y plástico. La Tabla 3.18 muestra los
resultados de humedad obtenidos para las distintas formulaciones a 25 golpes en la
Copa de Casagrande. El procesamiento de los datos se presenta en el Anexo IV.
Tabla 3.18 Resultados límite líquido para las formulaciones cerámicas
Pasta
% Arcilla
% Humedad
(25 golpes)
A
-
No plástica
B
15% arcilla importada
32
C
20% arcilla importada
29
D
25% arcilla importada
27
E
11,5% arcilla importada
32
F
10% arcilla nacional
28
G
13,5% arcilla nacional
30
H
25% arcilla nacional
30
I
15% arcilla nacional
32
Como se nota en la Tabla 3.18 la formulación A, que corresponde al desecho
cerámico sin adición de ninguna arcilla no presenta un comportamiento plástico,
puesto que registró un número mayor a 45 golpes en el ensayo con la copa de
Casagrande. Esto se debe a la presencia de sílice en el desecho, lo que impide que
68
absorba la cantidad de agua necesaria para que la pasta adquiera la plasticidad
necesaria (Santos, 2009).
Las formulaciones con 15% de arcilla importada y 15% de arcilla nacional, presentan
un comportamiento plástico, en un rango de humedad de 27% a 32%, según lo dice
la norma (NTE INEN 0691, 1982, p.3). Las formulaciones presentaron facilidad al
momento de ser moldeados. Ya que los resultados son muy próximos entre ellos, es
necesario el análisis de todos los parámetros cerámicos para discernir la formulación
con la plasticidad necesaria para el confinamiento de relaves.
3.2.1.2 Resultados de la determinación del límite plástico
Con el límite líquido se determina la humedad entre los estados semisólido y
plástico. La Tabla 3.19 muestra los resultados obtenidos para las distintas
formulaciones. El procesamiento de los datos se presenta en el Anexo IV.
Tabla 3.19 Resultados plástico para las formulaciones cerámicas
Pasta
% Arcilla
Límite plástico
A
-
23
B
15% arcilla importada
23
C
20% arcilla importada
22
D
25% arcilla importada
22
E
11,5% arcilla importada
19
F
10% arcilla nacional
23
G
13,5% arcilla nacional
22
H
25% arcilla nacional
23
I
15% arcilla nacional
22
A pesar que no fue posible determinar el límite líquido de la formulación A, sí se
presenta el valor de su límite plástico. Al igual que los datos obtenidos en el límite
líquido, los valores del límite plástico para cada una de las formulaciones tienen
valores semejantes y se mantienen en un rango de 19 a 23. Las formulación E es la
69
que presenta el menor valor, esta formulación tiene un porcentaje de 25 % arcilla
importada, esta formulación presentó la mayor facilidad al ser amasada. Mientras
que las formulaciones B, F y H tienen un límite plástico de 23, el mismo valor que
presenta el desecho sin adición de arcillas (formulación A). Estas 4 presentan un
mayor nivel de compactación o plasticidad al amasarlas
3.2.1.3 Resultados de la determinación del índice de plasticidad
Los valores de límite líquido y plástico para cada formulación permitieron calcular los
índices cerámicos y a la vez evaluar las propiedades de cada una de ellas. El índice
de plasticidad corresponde a la diferencia entre los valores del límite plástico y
líquido, los resultados se muestran en la Tabla 3.20.
Tabla 3.20 Resultados del índice de plasticidad para las formulaciones cerámicas
Pasta
% Arcilla
Límite
líquido
A
-
No plástica
23
-
B
15% arcilla importada
32
23
9
C
20% arcilla importada
29
22
7
D
25% arcilla importada
27
22
5
E
11,5% arcilla importada
32
19
13
F
10% arcilla nacional
28
23
5
G
13,5% arcilla nacional
30
22
8
H
25% arcilla nacional
30
23
7
I
15% arcilla nacional
32
22
10
Límite plástico Índice de plasticidad
Como se muestra en la Tabla 3.20 para la formulación A, no se registra valor del
índice de plasticidad puesto que el límite líquido no fue registrado. De acuerdo a lo
expuesto en la Tabla 1.1, las formulaciones D, C, F y H son consideradas
débilmente plásticas, por presentar un valor de índice de plasticidad entre 1 y 7. Al
ser débilmente plásticas no presentaron la consistencia adecuada para ser
moldeadas, tendían a desmenuzarse y por tanto son descartadas para el
70
confinamiento de relaves sulfurados. La formulación C y D correspondían a 15% y
20% de arcilla importada, mientras que las formulaciones F y H, correspondían a
10% y 25% de arcilla nacional. Por otro lado las formulaciones B, E, G e I, son
consideradas medianamente plásticas, puesto que sus valores de índice de
plasticidad se encuentran entre 7 y 15. Estas cuatro formulaciones serán
consideradas para el confinamiento de relaves.
Las formulaciones G e I presentaron una mayor facilidad al momento de ser
moldeadas, esto se debe a que el tamaño de partícula de la arcilla nacional es 20
µm menor a la importada. El material fino genera un área superficial mayor en las
pastas y por tanto una mayor plasticidad.En general la plasticidad de las pastas
aumenta con el contenido de caolín (Olmos, 2014, p.98) las cuatro formulaciones
seleccionadas presentan un contenido de desecho cerámico del 85% en promedio,
lo que asegura el contenido de caolinita necesario para que la pasta cerámica
presente una plasticidad mediana que evite untuosidad y a la vez sea fácilmente
moldeable por extrusión
Para un análisis más detallado de las formulaciones, se
calculó el índice de
consistencia puesto que las materias primas son de grano fino saturado. Los valores
se detallan en la Tabla 3.21.
Tabla 3.21 Resultados del índice de consistencia para las formulaciones cerámicas
Pasta
% Arcilla
Índice de
plasticidad
Humedad (%)
Índice de
consistencia
A
-
-
23,75
-
B
15% arcilla importada
9
27,45
0,51
C
20% arcilla importada
7
28,24
0,11
D
25% arcilla importada
5
18
1,8
E
11,5% arcilla importada
13
29,89
0,16
F
10% arcilla nacional
5
28,89
-0,18
G
13,5% arcilla nacional
8
27,6
0,3
H
25% arcillla nacional
7
27,6
0,34
I
15% arcilla nacional
10
29,29
0,27
71
Con base en lo expuesto en la Tabla 1.2, la formulación F presenta un
comportamiento líquido, que no es adecuado para contener relaves. La formulación
D por su parte presenta un comportamiento semiduro, el cual tampoco es propicio
para la operación. Las formulaciones restantes tienen un comportamiento plástico.
Las formulaciones C, E, G, H e I son consideradas plásticas muy blandas, es decir
no mantienen la forma y consistencia durante el moldeado. Mientras que la
formulación B con 15% de arcilla importada se considera plástica blanda, lo que le
permite ser moldeada con facilidad y a la vez evitar desprendimientos de la misma.
3.2.2 RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE
LAS PASTAS DE CONFINAMIENTO DE RELAVES SULFURADOS
Las pruebas cerámicas permitieron descartar cinco formulaciones, puesto que no
presentaban la plasticidad adecuada para el confinamiento de relaves. Es así que
las propiedades físicas de las formulaciones con 15% arcilla importada (B),11,5% de
arcilla importada (E),13,5% de arcilla nacional (G) y 15% de arcilla nacional (I) fueron
analizadas.
Las formulaciones fueron preparadas con la humedad obtenida en el ensayo de
límite líquido. Así se aseguró que las probetas tuvieran una plasticidad entre el
comportamiento líquido y plástico. Para la evaluación de las propiedades físicas se
elaboraron probetas cilíndricas de 28 mm de diámetro y 7 mm de espesor, por
prensado de un molde de yeso como se señala en el Anexo IV. Se tomaron sus
dimensiones iniciales y posteriores al secado al ambiente y en la estufa. De igual
forma se registró el peso inicial y final de las probetas. Los resultados de los
porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso, se muestran en las Tablas 3.22
y 3.23. En el Anexo V, se presentan cada una de las medidas tabuladas y el
procesamiento de datos.
72
Tabla 3.22 Evaluación de propiedades físicas de las muestras secadas al ambiente
MUESTRAS SECADAS AL AMBIENTE
Contracción
Pérdida de
lineal
peso
(Espesor )
FORMULACIÓN
% Arcilla
Contracción lineal
(Diámetro)
E
11,5% arcilla importada
2,09%
8,17%
19,17%
B
15% arcilla importada
1,13%
2,38%
15,99%
G
13,5% arcilla nacional
2,36%
8,96%
18,21%
I
15% arcilla nacional
2,18%
7,08%
18,60%
Los efectos que genera el proceso de secado en las arcillas dependen de su
cristalografía, naturaleza química y granulometría. El proceso de secado se
evidencia en variación de dimensiones, pérdida de agua residual y plasticidad
Tabla 3.23 Evaluación de propiedades físicas de las muestras secadas en estufa a 110 ºC
MUESTRAS SECADAS EN ESTUFA (110 ºC)
Contracción Contracción
Pérdida de
lineal
lineal
peso
(Diámetro) (Espesor )
FORMULACIÓN
% Arcilla
E
11,5% arcilla importada
2,20%
8,55%
19,64%
B
15% arcilla importada
1,76%
8,10%
18,83%
G
13,5% arcilla nacional
3,28%
4,12%
19,22%
I
15% arcilla nacional
2,06%
6,52%
20,99%
Las pastas cerámicas son una mezcla de arcillas finas y agua, en el proceso de
moldeo las partículas están separadas por películas de agua, así pueden deslizarse
una sobre otra. En el momento de la evaporación las partículas se aproximan y
hacen que las muestras se contraigan. La pérdida de volumen en las arcillas
continúa hasta que todas las partículas se pongan en contacto entre ellas (Boniila,
2012, p.8).Las piezas secas presentan un color más claro y adquieren cierta rigidez,
lo que produce el aparecimiento de grietas y fisuras.
La Tabla 3.22 muestra los resultados de los porcentajes de contracción lineal y
pérdida de peso. Se advierte que la formulación B presenta los menores porcentajes
73
en diámetro, espesor y pérdida de peso. La formulación G con 13,5% de arcilla
nacional, por su parte presenta el mayor porcentaje de contracción lineal (diámetro y
espesor), mientras que la formulación I presenta el valor más alto en pérdida de
peso.
En la Tabla 3.23 se muestra que la formulación B, presenta el menor porcentaje en
pérdida de peso y contracción lineal del diámetro mientras que la formulación G
presenta el menor valor en contracción lineal en espesor. En contraposición el mayor
valor de contracción lineal en diámetro lo tiene la formulación G, los mayores valores
de contracción lineal en espesor y pérdida de peso lo tiene la formulación I con 15%
de arcilla nacional.
En las piezas cerámicas recién extruidas, que son el caso de las cuatro
formulaciones analizadas; el agua asociada se presenta de tres maneras: intersticial,
higroscópica y cristalográfica. El agua intersticial proviene de la adición en el
amasado y se encuentra entre partículas minerales en los capilares. El agua
higroscópica se encuentra asociada a las partículas minerales por fuerzas eléctricas,
esta depende la granulometría del mineral y su pérdida no afecta el volumen de la
pieza. Por último el agua cristalográfica está asociada químicamente a los cristales
presentes, se elimina durante la cocción (Torres, 2013, p .65).
Por tanto, la variación de volumen en las probetas está asociada a la pérdida de
agua intersticial de las formulaciones. Las cuatro formulaciones fueron preparadas
con un porcentaje de humedad semejante del 30%. Pese a ello existe una gran
diferencia en los porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso.
Las formulaciones B con 15% de arcilla importada y E con 11,5% de arcilla
importada, tiene un tamaño de partícula mayor puesto que la arcilla importada es 25
µm mayor que la importada. Esto hace que las partículas se aproximen con mayor
dificultad y que las piezas se contraigan en menor proporción.
74
Es evidente que la formulación B presenta los menores valores de contracción lineal
y pérdida de peso tanto en el secado al ambiente como en la estufa. Así se presenta
como la formulación seleccionada para confinamiento de relaves sulfurados
3.2.3 EVALUACIÓN
MACROSCÓPICA
DE
LAS
FORMULACIONES
EVALUADAS
Adicional a la evaluación de las propiedades físicas y cerámicas, es necesario
verificar visualmente la aparición de grietas o fisuras posterior al proceso de secado
al ambiente y en la estufa.
En la Tabla 3.24, 3.25 y 3.26 se muestran una colección de fotografías de las
probetas frescas y secas de las formulaciones con 15% y 11,5% de arcilla importada
y 13,5% y 15% de arcilla nacional(B, E, G ,l) comparar las fotografías, se advierte la
aparición de grietas y fisuras en algunas formulaciones posterior al secado.
Tabla 3.24 Fotografías de las probetas frescas
MUESTRAS FRESCAS
FORMULACIONES
B (85% desecho y 15 % arcilla importada)
E (75% desecho y 25% arcilla importada)
Ligeras grietas no considerables
Grietas y fisuras fácilmente perceptibles
G (86,5% desecho y 13,5% arcilla nacional)
I (85% desecho y 15% arcilla nacional)
Presencia de grietas menores
Grietas y deformaciones considerables
75
Tabla 3.25 Fotografías de las probetas secas al ambiente
MUESTRAS SECAS AL AMBIENTE
FORMULACIONES
B (85% desecho y 15 % arcilla importada)
E (75% desecho y 25% arcilla importada)
Ligeras grietas no considerables
Grietas y fisuras fácilmente perceptibles
G (86,5% desecho y 13,5% arcilla nacional)
I (85% desecho y 15% arcilla nacional)
Presencia de grietas menores
Grietas y deformaciones considerables
Tabla 3.26 Fotografías de las probetas secas a la estufa 110 °C
MUESTRAS SECAS EN ESTUFA (110 º C)
FORMULACIONES
B (85% desecho y 15 % arcilla importada)
E (75% desecho y 25% arcilla importada)
Ligeras grietas no considerables
Grietas y fisuras fácilmente perceptibles
G (86,5% desecho y 13,5% arcilla nacional)
I (85% desecho y 15% arcilla nacional)
Presencia de grietas menores
Grietas y deformaciones considerables
En cuanto a las formulaciones que contienen arcilla importada la formulación B con
15% de arcilla importada presenta ligeras grietas en el secado a la estufa y al
ambiente, es necesario mencionar que estas no son considerables. Por su parte la
formulación E con 11,5% de arcilla importada no presenta en general fisuras
perceptibles a simple vista. Las formulaciones que contienen arcilla nacional por su
76
parte tienen comportamientos contrarios. La formulación G con 13,5% de arcilla
nacional presenta grietas menores mientras que la formulación I tiene grietas
mayores y posibles fracturas. Para el objeto de este estudio, aquellas formulaciones
que presentan grietas considerables son descartadas. La presencia de fracturas
puede desembocar en filtraciones del relave hacia el suelo circundante y así generar
un grave impacto ambiental.
3.2.4 EVALUACIÓN
GENERAL
DE
LAS
PROPIEDADES
DE
LAS
FORMULACIONES CERÁMICAS
A continuación se presenta un resumen de las propiedades cerámicas, físicas y
visuales analizadas para la determinación de la formulación de la de confinamiento
de relaves sulfurados. En la evaluación de las propiedades cerámicas, se descartó
las formulaciones que no presentaran un comportamiento plástico. Con los valores
del índice de plasticidad se conoció a todas aquellas que tenían una plasticidad débil
o nula, estas fueron eliminadas del estudio. Las formulaciones con 15% y 11,5% de
arcilla importada y 13,5% y 15% de arcilla nacional (B, E, G, l) se clasificaron como
medianamente plásticas.
Para un mayor análisis de las propiedades cerámicas, se tomó en cuenta el índice
de consistencia. Las formulaciones F con 10% de arcilla nacional y D con 25% de
arcilla importada fueron nuevamente descartas por presentar comportamientos
líquidos y semiduros respectivamente. Todas las formulaciones restantes presentan
un comportamiento plástico, se advierte que la formulación B con 15% de arcilla
importada es plástica blanda, lo que la hace muy moldeable.
Así las pruebas físicas, se efectuaron únicamente para las 4 formulaciones
consideradas plásticas (B, E, G, I). Los porcentajes de contracción lineal y pérdida
de peso, mostraron que la formulación B era aquella que presentaba menor
variación en el volumen de las probetas. Mientras que la formulación I sufrió cambios
significativos en sus dimensiones.
77
La evaluación visual, permitió detectar la presencia de grietas o fisuras. Las
formulaciones B con 15% de arcilla importada y G con 13,5% de arcilla nacional
tienen pequeñas fracturas, la formulación E con 11,5% de arcilla importada no
presenta fragmentaciones visibles, mientras que la formulación I con 15% de arcilla
nacional tiene grandes irregularidades. Al analizar los parámetros mencionados, se
concluye que la formulación selecciona es la B (85% desecho cerámico 15% arcilla
importada). La pasta de confinamiento de relaves se elaborará con base a esta
proporción y su humedad está en base a los resultados del límite plástico, que
corresponde al 32%.
3.3
RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN DE LA INFILTRACIÓN DE
LA PASTA FORMULADA
Se presentan a continuación los resultados de infiltración efectuados con el
simulador de lluvia construido y con las columnas saturadas. Ambos métodos
pusieron a prueba la capacidad de la pasta formulada para contener al relave
sulfurado como lo estipula el Artículo 91 del Reglamento ambiental de actividades
mineras.
3.3.1 RESULTADOS DE LA ESTIMACIÓN DE LA INFILTRACIÓN CON EL
SIMULADOR DE LLUVIA
Con el propósito de comparar objetivamente los resultados, todas las simulaciones
se efectuaron la misma intensidad de lluvia y siguiendo el procedimiento descrito en
la sección 2.3.1. Se fijó la altura del capilar en 5,68 cm, lo que permitió obtener una
simulación con 30 mm/h. El área de estudio para todas las pruebas fue de 0,042 m2.
Los ensayos se efectuaron en el relave sin recubrimiento y con la pasta formulada
sobre él a distintos espesores (1, 2. 3, 4 cm).
78
Todos los ensayos se llevaron a cabo manteniendo la misma temperatura del agua
en el simulador, puesto que la viscosidad cinemática de la misma afecta el valor de
las constantes de permeabilidad. El relave y la pasta cerámica estuvieron
previamente saturados en la ejecución de todas las pruebas.
Las simulaciones tuvieron una duración de 2 horas aproximadamente, con toma de
muestras cada 5 y 10 minutos. La tasa de escorrentía para cada simulación fue
estimada con la Ecuación 2.1 y al conocer la intensidad de lluvia, fue posible
construir las curvas de infiltración para cada condición. Los datos experimentales
obtenidos y las curvas para cada espesor y el relave solo se presentan a
continuación.
Tabla 3.27 Datos experimentales obtenidos en la determinación de la tasa de infiltración del
relave sulfurado
Tiempo
Tiempo
simulación
(minutos)
(minutos)
Tiempo
(horas)
Tasa de
Escorrentía Escorrentía
infiltración
(L/h m2)
(mm/h)
(mm/h)
Volumen
(mm)
Volumen
(litros)
39,6
0,0396
16
16
0,267
3,54
3,54
26,46
15,2
0,0152
21
5
0,083
4,34
4,34
25,66
37
0,037
30
9
0,150
5,87
5,87
24,13
51
0,051
40
10
0,167
7,29
7,29
22,71
54
0,054
50
10
0,167
7,71
7,71
22,29
63
0,063
60
10
0,167
9,00
9,00
21,00
71
0,071
70
10
0,167
10,14
10,14
19,86
77
0,077
80
10
0,167
11,00
11,00
19,00
79
0,079
90
10
0,167
11,29
11,29
18,71
81
0,081
100
10
0,167
11,57
11,57
18,43
82
0,082
110
10
0,167
11,71
11,71
18,29
Tasa de infiltración (mm/h)
79
30,00
27,00
24,00
21,00
18,00
15,00
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo (minutos)
Figura 3.1 Curva infiltración de únicamente el relave de Ponce Enríquez
La Figura 3.1 muestra un perfil característico de una función potencial inversa, que
alcanza un valor constante de 18. En curvas de infiltración los datos tasa de
infiltración que permanecen constantes corresponden a la constante de saturación
(Ks) (Alvarez, 2009, p.9). Como se expuso en el apartado 1.3.1, la Ks es la
conductividad capilar del suelo cuando este se encuentra saturado.
Tabla 3.28 Datos experimentales obtenidos en la determinación de la tasa de infiltración del
relave sulfurado con un 1 cm de pasta cerámica
Tiempo
Tiempo
simulación
(minutos)
(minutos)
Tiempo
(horas)
Tasa de
Escorrentía Escorrentía
infiltración
(L/h m2)
(mm/h)
(mm/h)
Volumen
(mm)
Volumen
(litros)
37
0,037
16
16
0,267
3,30
3,30
26,70
24
0,024
21
5
0,083
6,86
6,86
23,14
54
0,054
30
9
0,150
8,57
8,57
21,43
68
0,068
40
10
0,167
9,71
9,71
20,29
71
0,071
50
10
0,167
10,14
10,14
19,86
77
0,077
60
10
0,167
11,00
11,00
19,00
82
0,082
70
10
0,167
11,71
11,71
18,29
96
0,096
80
10
0,167
13,71
13,71
16,29
112
0,112
90
10
0,167
16,00
16,00
14,00
115
0,115
100
10
0,167
16,43
16,43
13,57
116
0,116
110
10
0,167
16,57
16,57
13,43
Tasa de infiltración (mm/h)
80
28,00
25,00
22,00
19,00
16,00
13,00
10,00
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo (minutos)
Figura 3.2 Curva infiltración del relave con 1 cm de pasta formulada
La curva mostrada presenta la misma tendencia analizada en la Figura 3.1, el valor
de Ks para el relave sulfurado con 1 cm de espesor es de 13 mm/h. La tasa de
infiltración cuantifica la cantidad de agua que puede absorber el agua a lo largo del
tiempo, así el valor constante del ensayo de relave con 1 cm de espesor se
esperaría sea menor. La adición de 1cm de pasta formulada genera una disminución
de 5 mm/h en la velocidad de infiltración.
Tabla 3.29 Datos experimentales obtenidos en la determinación de la tasa de infiltración del
relave sulfurado con un 2 cm de pasta cerámica
Tiempo
Tiempo
simulación
(minutos)
(minutos)
Tiempo
(horas)
Tasa de
Escorrentía Escorrentía
infiltración
(L/h m2)
(mm/h)
(mm/h)
Volumen
(mm)
Volumen
(litros)
40
0,04
16
16
0,267
3,57
3,57
26,43
24
0,024
21
5
0,083
6,86
6,86
23,14
54
0,054
30
9
0,150
8,57
8,57
21,43
68
0,068
40
10
0,167
9,71
9,71
20,29
75
0,075
50
10
0,167
10,71
10,71
19,29
79
0,079
60
10
0,167
11,29
11,29
18,71
90
0,09
70
10
0,167
12,86
12,86
17,14
96
0,096
80
10
0,167
13,71
13,71
16,29
98
0,098
90
10
0,167
14,00
14,00
16,00
98
0,098
100
10
0,167
14,00
14,00
16,00
98
0,098
110
10
0,167
14,00
14,00
16,00
81
Tasa de infiltración (mm/h)
28,00
25,00
22,00
19,00
16,00
13,00
10,00
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo (minutos)
Figura 3.3 Curva infiltración del relave con 2 cm de pasta formulada
Tabla 3.30 Datos experimentales obtenidos en la determinación de la tasa de infiltración del
relave sulfurado con un 3 cm de pasta cerámica
Tiempo
Tiempo
simulación
(minutos)
(minutos)
Tiempo
(horas)
Tasa de
Escorrentía Escorrentía
infiltración
(L/h m2)
(mm/h)
(mm/h)
Volumen
(mm)
Volumen
(litros)
42
0,042
16
16
0,267
3,75
3,75
26,25
26
0,026
21
5
0,083
7,43
7,43
22,57
58
0,058
30
9
0,150
9,21
9,21
20,79
69
0,069
40
10
0,167
9,86
9,86
20,14
83
0,083
50
10
0,167
11,86
11,86
18,14
85
0,085
60
10
0,167
12,14
12,14
17,86
88
0,088
70
10
0,167
12,57
12,57
17,43
95
0,095
80
10
0,167
13,57
13,57
16,43
101
0,101
90
10
0,167
14,43
14,43
15,57
101
0,101
100
10
0,167
14,43
14,43
15,57
101
0,101
110
10
0,167
14,43
14,43
15,57
82
Tasa de infiltración (mm/h)
28,00
25,00
22,00
19,00
16,00
13,00
10,00
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo (minutos)
Figura 3.4 Curva infiltración del relave con 3 cm de pasta formulada
Tabla 3.31 Datos experimentales obtenidos en la determinación de la tasa de infiltración del
relave sulfurado con un 4 cm de pasta cerámica
Tiempo
Tiempo
simulación
(minutos)
(minutos)
Tiempo
(horas)
Tasa de
Escorrentía Escorrentía
infiltración
(L/h m2)
(mm/h)
(mm/h)
Volumen
(mm)
Volumen
(litros)
45
0,045
16
16
0,267
4,02
4,02
25,98
26
0,026
21
5
0,083
7,43
7,43
22,57
55
0,055
30
9
0,150
8,73
8,73
21,27
66
0,066
40
10
0,167
9,43
9,43
20,57
79
0,079
50
10
0,167
11,29
11,29
18,71
82
0,082
60
10
0,167
11,71
11,71
18,29
86
0,086
70
10
0,167
12,29
12,29
17,71
94
0,094
80
10
0,167
13,43
13,43
16,57
100
0,1
90
10
0,167
14,29
14,29
15,71
100
0,1
100
10
0,167
14,29
14,29
15,71
100
0,1
110
10
0,167
14,29
14,29
15,71
83
Tasa de infiltración (mm/h)
28,00
25,00
22,00
19,00
16,00
13,00
10,00
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo (minutos)
Figura 3.5 Curva infiltración del relave con 4 cm de pasta formulada
Las Figuras 3.3, 3,4 y 3.5 muestran la misma tendencia analizada, pero sus valores
de Ks varían. Con 2 cm de pasta se observa un valor de 16 mm/h, con 3 cm 15,57
mm/h y con 4cm 15,71 mm/h. Todos estos valores son superiores al observado con
1 cm de espesor. Esto puede deberse a la textura de la pasta, a la presencia de
burbujas de aire atrapadas en la superficie o al estado de compactación que se tiene
al colocar más de 1 cm de espesor de la pasta formulada (Landini, 2007, p.8).
·
Resultados de la evaluación de la resistencia de la pasta de confinamiento al
impacto de las gotas de lluvia.
La resistencia de la pasta al impacto de las gotas de lluvia es evaluada con los
distintos valores de energía cinética. El diámetro promedio de las gotas de lluvia se
obtuvo siguiendo el procedimiento escrito en el Anexo VI, los datos experimentales
se muestran en la Tabla 3.32 a continuación.
84
Tabla 3.32 Datos experimentales para la determinación del tamaño de gota
Masa
Pellets (g)
Diámetro
gota (mm)
0,02
3,55
0,02
3,56
0,02
3,42
0,03
4,15
0,03
3,85
0,02
3,57
0,02
3,57
0,03
3,88
0,02
3,51
0,02
3,63
0,03
3,80
0,02
3,59
0,02
3,55
0,03
3,86
0,02
3,76
0,03
3,79
0,02
3,49
El valor promedio es de 3,68 cm. El simulador cuenta con 195 agujeros, en base a
esto se calculará la masa total de gotas de lluvia. La Tabla 3.33 muestra los
resultados de energía cinética y velocidad terminal de las gotas de lluvia calculados
siguiendo el procedimiento mencionado en el Anexo VI y en sección 2.3.1.
Tabla 3.33 Resultados evaluación de la resistencia de la pasta al impacto de las gotas
Altura (m)
Velocidad
terminal
(m/s)
Energía
cinética (J)
0,5
4,64
297,84
0,52
4,66
300,41
0,54
4,67
301,70
0,56
4,68
302,98
0,58
4,69
304,29
85
Una carga de 300 J en general, soporta la pasta durante la simulación. Con esta
energía impartida se advierten pequeñas grietas producto de la caída de las gotas,
mas estas no desestabilizan la estructura general de la pasta. La Figura 3.6 y 3.7
muestran fotografías de las pruebas efectuadas. Al incrementar el tiempo de
simulación las grietas tienden a incrementar su tamaño, pero durante el transcurso
del ensayo la pasta no colapsa, esto prueba la resistencia que tiene la pasta al
confinamiento de relaves sulfurado.
Figura 3.6 Evaluación resistencia de la pasta formulada a la caída de gotas de lluvia desde
una altura de 0,58 cm
Figura 3.7 Evaluación resistencia de la pasta formulada a la caída de gotas de lluvia desde
una altura de 0,50 m
86
3.3.2 RESULTADOS DE LA ESTIMACIÓN DE LA INFILTRACIÓN CON
COLUMNAS SATURADAS
Los ensayos con columnas saturadas permitieron encontrar los valores de • para la
pasta cerámica y el relave sulfurado. El concepto de permeabilidad equivalente
expuesto en el apartado 1.1.3 fue aplicado y así se pudo conocer los valores de la
constante de saturación a distintos espesores. Para cada medición el relave y la
pasta fueron saturados por un período no menor a 24 horas.
3.3.2.1 Resultados de la determinación de la constante de saturación (Ks) para el relave
sulfurado mediante carga variable
Columnas de vidrio de 5 cm de diámetro y 30 cm de largo fueron empleadas en las
determinaciones. Una capa de 0,5 cm de grava se adicionó conjunto con el relave.
Las columnas fueron saturadas por diferencia de presión al acoplarlas a otras llenas
de agua. Para la determinación de la constante de saturación del relave saturado
todos los ensayos se efectuaron bajo las mismas condiciones: Altura de la columna
de suelo (L) 15 cm, carga variable final (Li) 1cm, altura de la columna de suelo más
la carga inicial de agua (Ho) 18 cm. Los tiempos registrados para el relave sulfurado
se muestran en la Tabla 3.34
Tabla 3.34 Datos experimentales obtenidos en la determinación del Ks para el relave
sulfurado con columnas de vidrio
Ensayo
Tiempo
final
(horas)
1
1,12
2
1,01
3
0,87
4
1,13
5
0,88
87
Se calculó la constante de saturación para el relave sulfurado de acuerdo a la
relación presentada en el punto 1.2 mediante el método del permeámetro variable.
Los resultados se muestran en la Tabla 3.35
Tabla 3.35 Valores de Ks del relave sulfurado calculados con las columnas de vidrio
Ensayo
Constante de
saturación
(Ks)
mm/hora
1
15,8 ±1.6
2
17,5 ±1.6
3
20,2 ±1.6
4
15,6 ±1.6
5
20,1 ±1.6
La Tabla 3.35 muestra los cinco ensayos efectuados en la determinación de Ks para
el relave sulfurado, el valor promedio es de 17,84 mm/h. Este valor es el mismo que
el encontrado en las pruebas con el simulador de lluvia (18 mm/h).
3.3.2.2 Resultados de la determinación de la constante de saturación (Ks) para la pasta
formulada
En los ensayos con la pasta formulada se emplearon las mismas columnas de vidrio
descritas en el pastado anterior. De igual forma la pasta fue saturada por un período
no menor a 24 horas previo a las pruebas.
Para la pasta formulada, las condiciones de los ensayos fueron: Altura de la columna
de suelo (L) 10 cm, carga variable final (Li) 1cm, altura de la columna de suelo más
la carga inicial de agua (Ho) 13 cm. Los tiempos registrados para la pasta cerámica
se muestran en la Tabla 3.36.
88
Tabla 3.36 Datos experimentales obtenidos en la determinación del Ks para la pasta cerámica
con columnas de vidrio
Ensayo
Tiempo
final
(horas)
1
18,56
2
33,41
3
37,97
4
32,76
5
39,77
Se calculó la constante de saturación para la pasta cerámica de acuerdo a la
relación presentada en el punto 1.2 mediante el método del permeámetro variable.
Los resultados se muestran en la Tabla 3.37
En la Tabla 3.37 se muestran los resultados para los ensayos con la pasta
formulada, el valor promedio obtenido es de 0,55 mm/h. Este valor se comparó con
datos obtenidos por Flores y Alcalá (2010) y se comprobó que corresponde a valores
de arcillas. La pasta formulada resulta ser una mezcla de arcillas y silicatos por lo
que el valor encontrado es coherente.
Tabla 3.37 Valores de Ks de la pasta formulada calculados con las columnas de vidrio
Ensayo
Constante de
saturación
(Ks)
mm/hora
1
0,90 ± 0,2
2
0,50± 0,2
3
0,44± 0,2
4
0,51± 0,2
5
0,42± 0,2
89
3.3.2.3 Resultados de la determinación de las constantes de saturación utilizando el
concepto de permeabilidad equivalente.
Al conocer los valores de constante de saturación del relave sulfurado y pasta
formulada y al aplicar el concepto expuesto en la sección 1.3.3, es posible conocer
los valores de constante de saturación vertical (Kv) para el relave sulfurado
conjuntamente con la pasta cerámica. Se ensayaron distintos espesores y los
resultados obtenidos mediante la ecuación 1.7 se muestran en la Tabla 3.38.Todos
los ensayos se realizaron con 1 cm de relave.
Tabla 3.38 Valores de Kv de la pasta formulada a distintos espesores de pasta cerámica y 1
cm de relave sulfurado
Espesor pasta
formulada (mm)
Kv
(mm/hora)
10
1,07
20
0,82
30
0,73
40
0,69
Se conoce que los valores de suelos inalterados son diferentes a los moldeados, el
valor de Ks disminuye con la manipulación. La pasta formulada, es una mezcla de
arcillas moldeadas que hace que el valor del coeficiente de permeabilidad
disminuya.
Angelone y Garibay (2006) señalan que el rango de valores para la constante de
saturación obtenidos para el relave contenido con la pasta formulada, corresponde al
grupo de suelos prácticamente impermeables. La diferencia de valores entre los
cuatro espesores ensayados no es considerable, todos se encuentran dentro del
rango de 10-6 expresado en cm/s. Por ello se seleccionó el menor espesor, una
contención con 1 cm de pasta formulada permite un correcto tratamiento del relave
sulfurado estudiado.
90
Todas estas características hacen de la pasta cerámica un material adecuado para
el confinamiento del relave sulfurado. Constituye una opción ecológica y barata en el
tratamiento de relaves de minería y cumple con el artículo 91 del Reglamento
Ambiental de actividades mineras.
3.4
DEFINICIÓN
DEL
DIAGRAMA
DE
FLUJO
Y
DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS NECESARIOS PARA LA
ELABORACIÓN
DE
100
TON/DÍA
DE
PASTA
PARA
CONFINAMIENTO DE RELAVES
Para la definición del diagrama de flujo y el posterior dimensionamiento de los
equipos, se consideraron las mejores condiciones obtenidas de las pruebas en
laboratorio. Se presenta una descripción de cada operación unitaria involucrada y los
balances de masa y energía para la producción de 100 t/día de pasta formulada para
el confinamiento del relave sulfurado.
Las operaciones involucradas en el proceso son dosificación, amasado, empacado y
maduración. Para la dosificación se emplearán bombas de tornillo rotatorio, una para
cada materia prima. El amasado es la operación principal, se ha seleccionado una
amasadora continua con tolvas incorporadas que permite un amasado homogéneo.
Por último, se empacará la pasta en tanques plásticos de 50 kg.
3.4.1 CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LOS PROCESOS
Para la elaboración de la pasta formulada no se requiere un sistema de reducción de
tamaño Tanto el desecho cerámico como la arcilla importada tienen un porcentaje de
partículas inferiores a 53 µm mayor al 70%, este porcentaje de finos es propio de
materiales plásticos Las operaciones involucradas son dosificación, amasado,
maceración y empacado. El proceso que se ha diseñado, es del tipo continuo.
91
Constará de tanques de almacenamiento de materia prima, bombas de alimentación,
una mezcladora continua con tolvas y extrusora acopladas. Se comercializará en
tambores plásticos de 50 litros.
Se requiere una dosificación precisa de los componentes para mantener la
proporción de 85% desecho cerámico y 15% de arcilla importada, con una humedad
de 32% en base seca. La dosificación se efectuará con tolvas, que se encuentran
acopladas a la amasadora seleccionada. Las tolvas a su vez, tomarán las materias
primas de tanques de almacenamiento cerrados, que conservarán sus propiedades,
esencialmente el porcentaje de humedad.
Los tanques serán construidos en acero al carbono ACE 306, se ha dispuesto un
tiempo de residencia de 8 horas. El tanque de almacenamiento del desecho
cerámico tendrá una forma cilíndrica con un diámetro de 6 ft y una altura de 24 ft.
Por su parte el tanque de la arcilla importada, tendrá las siguientes dimensiones,
diámetro 6 ft y altura 6 ft.
El transporte de las materias primas hacia las tolvas, se efectuará con bombas
rotatorias, del tipo tornillo simple. La bomba del desecho cerámico requiere
transportar un flujo de 12,507 gpm, mientras que la bomba de la arcilla importada un
flujo de 2,801 gpm. Los modelos seleccionados para cada servicio fueron: BMO-720526 para el desecho cerámico y BMO-525 para la arcilla importada. Las bombas no
requieren un recubrimiento adicional, puesto que las materias primas no son de
carácter abrasivo.
La amasadoras seleccionada, es una continua marca IKA HKC 6/50, con una
capacidad de flujo de 2000 l/h. Este tipo de amasadora fue seleccionada por su
combinación de esfuerzo cortante de baja velocidad, molturado, frotamiento,
estiramiento y comprensión. El modelo seleccionado cuenta con cuchillas de
amasado que reciben las materias primas de dos tolvas de alimentación. El modelo
HKC 6/50 cuenta con 6 cámaras horizontales dispuestas en serie. El producto es
descargado por una extrusora acoplada a la amasadora. Debido al calor
desarrollado por la fricción, la amasadora cuenta con un sistema de refrigeración. Se
92
presenta a continuación las condiciones de operación de la amasadora en la Tabla
3.39.
Tabla 3.39 Condiciones de operación de la amasadora
Flujo másico material seco (kg)
2828,8
Flujo másico agua (kg)
1331,2
Humedad pasta (%)
32%
Ya que las materias primas tienen un contenido de humedad inicial alto, no se
requiere la adición de agua en el proceso. El empacado se realizará en tanques de
50 litros de plástico. Se llenarán manualmente 8 tanques por hora, generando una
aproximado de 199 tanques de pasta cerámica para confinamiento de relaves
sulfuraos al día. Es necesario mencionar que la pasta requiere un tiempo de
maceración previo a su uso, se recomienda un tiempo no menor a las 24 horas
previas a la distribución del producto.
3.4.2 BALANCE DE MASA
Para el balance de masa se considera un flujo másico mensual de desecho
cerámico de ͵Ͳͻ͸
௞௚
௛௢௥௔
con una humedad inicial de 38,13% y un flujo de ͷͶͷǡͻ
௞௚
௛௢௥௔
de arcilla importada con una humedad inicial de 27,61%. Las materias primas son
amasadas, sin la adición de agua.
El diagrama de bloques (BFD) de la Figura 3.8 muestra el proceso de producción de
la pasta cerámica. Se obtiene un flujo másico de 4160 kg/h de pasta cerámica con
una humedad resultante de 32%, este porcentaje se mantiene constante durante el
amasado. La maceración se efectuará por 24 horas en los tanques plásticos de 50
kg donde posteriormente se comercializará la pasta cerámica. Los cálculos a detalle
se exponen en el Anexo VII . Es importante notar que el proceso es continuo, lo que
permite una mayor producción de pasta de contención de relaves sulfurados.
93
Arcilla importada
545,9 kg/h
27.61%
humedad
1% hum
umed
um
Desecho cerámico
3096 kg/h
38,13%
humedad
,13%
3% hhum
Dosificación
(85% desecho cerámico15% arcilla importada
4160 kg/h
32% humedad
Amasado (32%
humedad)
4160 kg/h
32% humedad
Empacado y
maduración (24h)
Pasta cerámica
100 ton/día
Figura 3.8 Diagrama de bloques del proceso de producción de pasta cerámica para
confinamiento de relaves sulfurados
3.4.3 BALANCE DE ENERGÍA
El balance de energía del proceso se realizó en base a las capacidades de los
equipos y los tiempos de operación definidos, los resultados se muestran en la Tabla
3.40. No existe ninguna corriente energética proveniente de reacciones o soluciones,
por tanto todo el aporte energético se debe solamente a los equipos que procesarán
la pasta cerámica.
94
Tabla 3.40 Balance de energía de los equipos principales
Equipos
Cantidad
Potencia
( kWh)
Tiempo
operación
(h/día)
Energía
consumida
(kWh/día)
Bomba tornillo simple
BMO-720-526
1
7,46
24
179,04
Bomba tornillo simple
BMO-525
1
5,97
24
143,28
Amasadora IKA HKC
6/50
1
143
24
3432
TOTAL
3754,32
3.4.4 DIMENSIONAMIENTO EQUIPOS PRINCIPALES PARA LA PRODUCCIÓN
DE 100 t/DÍA DE PASTA CERÁMICA
La planta de producción de pasta cerámica para la confinamiento de relaves
sulfurados cuenta con tres operaciones. En la dosificación, el relave sulfurado y la
arcilla importada son alimentados a la siguiente operación por medio de bombas
rotatorias. La operación principal es el amasado, donde se emplea una amasadora
continua que extruye a la pasta homogenizada.
Finalmente se empaca manualmente y madura en tanques plásticos de 50kg por un
periodo no menor a 24 horas. A continuación se detalla el dimensionamiento de los
equipos citados.
3.4.4.1 Criterios de selección de la amasadora
La selección de la amasadora se remitió a su capacidad, con el objetivo de producir
100 t/día de la pasta formulada, se requiere la producción de 4,16 t/hora del
producto. Al tomar la densidad encontrada para la pasta, se calcula el flujo
volumétrico requerido.
95
ܳ ൌ Ͷǡͳ͸
ͳͲ଺ ݃
ͳ݈݅‫݋ݎݐ‬
‫݉ܿͳ ݊݋ݐ‬ଷ
ൈ
ൈ
ൈ ଷ ଷ
ʹǡ͹݃
ͳ‫݉ܿ Ͳͳ ݊݋ݐ‬
݄
ܳ ൌ ͳͷͶͲǡ͹Ͷ
݈݅‫ݏ݋ݎݐ‬
՜ ͸ǡ͹ͺͶ݃‫݉݌‬
݄‫ܽݎ݋‬
De acuerdo a esta capacidad, se seleccionó la amasadora IKA HKC 6/50, con una
capacidad de flujo de 2000 l/h, el equipo seleccionado se muestra en el Anexo VIII.
La amasadora está construida en acero ASTM 36, cuenta con 6 cámaras de
amasado con un volumen útil de 50 l en cada una y opera a una temperatura de 60
C.
3.4.4.2 Dimensionamiento de las bombas de alimentación
Se requieren dos bombas para esta aplicación, cada una de ellas transportará a las
materias primas. El tipo de bombas seleccionadas son rotarias de tornillo sencillo, ya
que se trata de una operación con pasta aguada. De acuerdo al balance de masa
efectuado y a las pruebas efectuadas en el laboratorio, se tienen los siguientes
criterios. Ambas bombas deben superar una altura de bomba requerida de 9,8 ft. De
acuerdo a las curvas publicadas por el fabricante, se seleccionará el modelo de
bombas
·
·
12,507 gpm de desecho cerámico, densidad relativa de los sólidos (ܵௌ ) 2,6
2,801 gpm de arcilla importada, densidad relativa de los sólidos (ܵௌ ) 2,6
96
Figura 3.9 Curva características de las bombas seleccionadas
La zona de colores grises oscuros en la Figura 3.9.se advierte operaciones con
fluidos abrasivos, que no es el caso para el desecho cerámico o la arcilla importada.
De acuerdo al gráfico mostrado, se seleccionaron los siguientes modelos para cada
materia prima:
·
Desecho cerámico : BMO-720-526
·
Arcilla importada: BMO-525
Las especificaciones dadas por el fabricante se muestran en el Anexo VIII.
3.4.4.3 Dimensionamiento de los tanques de alimentación
·
Tanque de almacenamiento del desecho cerámico
Para esta materia prima se ha dispuesto un tiempo de residencia de 8 horas, el
caudal de operación fue obtenido en el balance de masa, por tanto:
ܸ݊‫݈ܽ݊݅݉݋‬ௗ௘௦௘௖௛௢௖௘௥ž௠௜௖௢ ൌ ‫ܽ݅ܿ݊݁݃݊݅ݐ݊݋ܿ݋݌݉݁݅ݐ‬ௗ௘௦௘௖௛௢௖௘௥ž௠௜௖௢ ൈ ܳ‫݊×݅ܿܽݎ݁݌݋‬ௗ௘௦௘௖௛௢௖௘௥ž௠௜௖௢
ܸ݊‫݈ܽ݊݅݉݋‬ௗ௘௦௘௖௛௢௖௘௥ž௠௜௖௢ ൌ ͺ݄‫ ݏܽݎ݋‬ൈ ʹǡͺ͵͹
݉ଷ
ൌ ʹʹǤ͸ͻ݉ଷ ՜ ͳͶʹǡ͹ʹ‫ܮܤܤ‬
݄
97
Con este volumen nominal, es necesario agregar 4 ft a la altura del tanque.
ܸ‫݊×݅ܿܽݎ݁݌݋‬ௗ௘௦௘௖௛௢௖௘௥ž௠௜௖௢ ൌ ܸ݊‫݈ܽ݊݅݉݋‬ௗ௘௦௘௖௛௢௖௘௥ž௠௜௖௢ ൅ Ͷ݂‫ݐ‬
Y por tanto, el diámetro debe ser menor a su altura. Al tener un volumen nominal
menor a 2000 BBL, se utilizarán planchas de 6 ft.
Así el tanque dimensionado para el desecho cerámico, tendrá las siguientes
dimensiones:
‫݁ݑݍ݊ܽݐ݋ݎݐ݁݉ž݅ܦ‬ௗ௘௦௘௖௛௢௖௘௥ž௠௜௖௢ ൌ ͸݂‫ݐ‬
‫݁ݑݍ݊ܽݐܽݎݑݐ݈ܣ‬ௗ௘௦௘௖௛௢௖௘௥ž௠௜௖௢ ൌ ʹͶ݂‫ݐ‬
Se usará una cubierta cóncava puesto que la presión interior es menor que 15 bar.
El material de construcción del tanque y la tapa serán en acero inoxidable al carbono
ASTM 36.
·
Tanque de almacenamiento de la arcilla importada
Para esta materia prima se ha dispuesto un tiempo de residencia de 8 horas, el
caudal de operación fue obtenido en el balance de masa, por tanto:
ܸ݊‫ ܽ݀ܽݐݎ݋݌݈݈݉݅ܽ݅ܿݎ݈ܽܽ݊݅݉݋‬ൌ ‫ ܽ݀ܽݐݎ݋݌݈݈݉݅ܽ݅ܿݎܽܽ݅ܿ݊݁݃݊݅ݐ݊݋ܿ݋݌݉݁݅ݐ‬ൈ ܳ‫ܽ݀ܽݐݎ݋݌݈݈݉݅ܽ݅ܿݎܽ݊×݅ܿܽݎ݁݌݋‬
ܸ݊‫݈ܽ݊݅݉݋‬௔௥௖௜௟௟௔௜௠௣௢௥௧௔ௗ௔ ൌ ͺ݄‫ ݏܽݎ݋‬ൈ Ͳǡ͸ʹʹ
݉ଷ
ൌ Ͷǡͻ͹ͷ݉ଷ ՜ ͵ͳǡʹͻ‫ܮܤܤ‬
݄
Con este volumen nominal, es necesario agregar 4 ft a la altura del tanque.
ܸ‫݊×݅ܿܽݎ݁݌݋‬௔௥௖௜௟௟௔௜௠௣௢௥௧௔ௗ௔ ൌ ܸ݊‫݈ܽ݊݅݉݋‬௔௥௖௜௟௟௔௜௠௣௢௥௧௔ௗ௔ ൅ Ͷ݂‫ݐ‬
Y por tanto, el diámetro debe ser menor a su altura. Al tener un volumen nominal
menor a 2000 BBL, se utilizarán planchas de 6 ft.
Así el tanque dimensionado para el desecho cerámico, tendrá las siguientes
dimensiones:
‫݁ݑݍ݊ܽݐ݋ݎݐ݁݉ž݅ܦ‬௔௥௖௜௟௟௔௜௠௣௢௥௧௔ௗ௔ ൌ ͸݂‫ݐ‬
‫݁ݑݍ݊ܽݐܽݎݑݐ݈ܣ‬௔௥௖௜௟௟௔௜௠௣௢௥௧௔ௗ௔ ൌ ͸݂‫ݐ‬
98
Se usará una cubierta cóncava puesto que la presión interior es menor que 15 bar.
El material de construcción del tanque y la tapa serán en acero inoxidable al carbono
ASTM 36.
En la Figura 3.10 se presenta el diagrama de flujo (PFD), en que se muestran todos
los equipos mencionados.
Se muestra que la bomba P-101 impulsa el desecho cerámico desde el tanque
T-
101 hacia la amasadora, mientras que la bomba P-201 impulsa la arcilla importada
desde el tanque T-201. Las materias primas son procesadas en la amasadora K101, después de ser extruidas y homogenizadas se obtiene la pasta cerámica con
las condiciones planteadas previamente.
Figura 3.10 PFD del proceso
99
100
3.5
RESULTADOS
DE
LA
DETERMINACIÓN
DE
LA
FACTIBILIDAD ECONÓMICA PRELIMINAR DE LA PLANTA DE 100
TON/DIA
Para determinar la factibilidad económica preliminar de la planta de producción de
pasta formulada para confinamiento de relaves se evaluó índices financieros y se
estimaron costos fijos y variables. Se plantea que el proyecto arranque con un 40%
de aporte de socios y el 60% con un préstamo con el 7,67% de interés a 8 años
plazo. El capital de operación tiene una duración prevista de 3 meses. Ante cualquier
imprevisto se ha planteado el 3% del costo de producción.
Para mantenimiento de equipos y maquinaria el 4% de su costo, adicionalmente 2%
para su reparación. Se consideró un tiempo de amortización para la maquinaria y los
equipos de 5 años. De acuerdo al Código de trabajo y leyes anexas se deben
considerar el aporte patronal al IESS del 11.15% para todos los empleados. Todos
estos parámetros se reflejan en la Tabla 3.41
Tabla 3.41 Parámetros de inversión para la producción de 100 ton/día de pasta cerámica
PARÁMETRO
VALOR
Duración capital de
operación
3 meses
Imprevistos
3% del costo de
producción
Mantenimiento equipos y
maquinaria
4% valor
maquinaria y
equipos
Reparación equipo y
maquinaria
2% valor
maquinaria y
equipos
Tiempo amortización de
maquinaria y equipos
5 años
Aporte patronal al IESS
11,15% del valor
del salario
101
Los costos de operación están fijados por los costos variables y fijos. Entre los
costos fijos están los salarios de los trabajadores. La planta contará con un gerente
técnico y seis trabajadores que se encargarán de empacar la pasta en los tanques
de 50 kg y supervisar el proceso en general. Los operarios trabajarán en turnos
rotativos de 8 horas diarias, mientras que el gerente técnico laborará 6 horas diarias
para supervisar el proceso productivo. El salario y beneficios de ley para los
trabajadores, se detallan en la Tabla 3.42. Para ello se consideró que la planta se
localiza en la región Sierra y los trabajadores llevan un año laborando.
Tabla 3.42 Salarios de los trabajadores de la planta
Aporte
mensual IESS
Décimo 13avo
Fondos
reserva
anual
Trabajador
No.
Salario ($)
Décimo 14avo
TOTAL
Gerente
técnico
1
$
700
$
78,05
$
729,17
$
737,91
$
699,72
$ 11 503,40
Operario
6
$
366
$
40,81
$
381,25
$
385,83
$
365,85
$ 36 087,83
$ 47 591,23
TOTAL
Dentro de los costos fijos contemplados, se encuentran varios ítems adicionales a
los salarios, estos se ven reflejados en la Tabla 3.43.
Tabla 3.43 Costos fijos de producción anuales
Ítem
Valor anual
Mano obra
$
47 591,23
Materiales directos e indirectos
$
149,20
Mantenimiento equipos
$
1 903,65
Depreciación equipos
$
2 379,56
Mantenimiento instalaciones
$
3 600,00
Imprevistos
$
1 639,57
Suministros
$
2 186,09
TOTAL
$
59 449,30
102
Para el cálculo de los costos variables se ha considerado las materias primas e
insumos. No se ha considerado al desecho cerámico puesto que no tiene un valor
comercial definido. Se muestran a detalle en la Tabla 3.44.
Tabla 3.44 Costos de materia prima e insumos
Ítem
Costo
unitario
Cantidad
mensual
Costo
mensual
Arcilla importada
$ 0,05/kg
393 048 kg
$ 19 652,40
3
3
Agua potable
$ 0,72/m
10 m
$ 72
Energía eléctrica
$ 0,06/ kW-h
112 629,6 kW-h
$ 6 757,77
TOTAL
Costo anual
$
235 828,8
$ 864
$
81 093,24
$
317 786,04
Las cantidades reflejadas en los costos variables fueron obtenidas del balance de
masa y energía respectivamente. Aunque la pasta no considera la adición de agua,
la cantidad mensual considerada se utilizará en funciones de limpieza y
mantenimiento de la planta.
La compra de equipos constituye el mayor costo de inversión, en la Tabla 3.45 se
muestran los valores de la maquinaria necesaria para la planta de producción de
pasta cerámica. La tasa de amortización considerada es del 5%.
Tabla 3.45 Costos equipos de la planta de producción de pasta cerámica
Unidad
Valor
unitario ($)
Valor ($)
Dividendo de
amortización
Bomba rotatoria BMO
720-526
1
$ 330
$ 330
17
Bomba rotatoria BMO
525
1
$ 280
$ 280
14
Amasadora continua
HKC 6/50
1
$ 12 500
$ 12.500
625
Tanques metálicos
2
$ 6 500
$ 13 000
650
$ 26 110
1306
Equipo
TOTAL
Se ha propuesto que la planta se localice en la provincia de Pichincha, en el sector
industrial de la ciudad de Quito. No requiere un área extensa, por ello se ha
103
dispuesto un galpón de 100 m2. No requiere una obra civil, el galpón será arrendado
con un costo mensual de $ 500.
La Tabla 3.46 presenta los montos de inversión, incluyendo los valores por concepto
de arriendo del galpón.
Tabla 3.46 Monto de inversión total para la planta de pasta cerámica
Ítem
Valor ($)
Adquisición de
maquinaria
$ 26 110,00
Arriendo
galpón
$
Reactivos de
arranque
$ 235 828,80
Costos
asociados
$
TOTAL
6 000,00
2 000,00
$ 269 938,80
En la Tabla 3.46 se reflejan los costos asociados que se refieren a gastos por
concepto de gastos de constitución, registro de nombre, permisos municipales y
ambientales y plan de manejo ambiental. Se indica también los reactivos de
arranque, estos fueron obtenidos de los respectivos balances de masa y energía.
La pasta cerámica se comercializará como se expuso previamente en tanques
plásticos de 50 kg, el aporte económico que reflejará la venta de estos se muestra
en la Tabla 3.47.
Tabla 3.47 Monto de ingreso por venta de pasta cerámica
Producto
Cantidad de
producto
mensual
Cantidad de
producto
anual
Tanque de 50 kg de
pasta cerámica para
contención de relaves
sulfurados
5970
71640
Precio
venta ($)
$
3,26
Ingresos
anuales ($)
$
233.546,40
104
Con el precio de venta de $ 3,26 por cada tanque de 50 kg, el metro cúbico de pasta
cerámica se comercializaría en $ 192,99. Este no es un valor competitivo en la
industria, puesto que el concreto, el que es el material de contención de relaves más
empleado tiene un costo menor al de la pasta. El precio del concreto fluctúa
alrededor de los $ 110, con el cual la pasta cerámica no podría competir
comercialmente. De acuerdo a los montos presentados previamente, se elaboró el
estado de pérdida y ganancias para la producción de 100 ton/día de pasta cerámica.
La Tabla 3.48 da muestra que los ingresos por venta de la pasta cerámica son
menores a los costos de producción. Esto se debe principalmente al ato de costo de
la arcilla importada, que se requiere adicionar al desecho cerámico para la
elaboración de la pasta de contención. El proyecto no resulta por tanto atractivo
financieramente, pero su análisis debe enfocarse en la valorización de un pasivo
ambiental, el cual es el desecho cerámico proveniente de una fábrica de sanitarios y
grifería. Los resultados se exponen en la Tabla 3.48
Tabla 3.48 Estado de pérdidas y ganancias
Ítem
Valor
Ventas
$
233 546,40
(-) Costos de
producción
$
377 235,34
Utilidad bruta por
ventas
$ (143 688,94)
(-) Gastos por
ventas
0
Utilidad neta por
ventas
$ (143 688,94)
(-) Gastos de
administración
$
47.591,23
Utilidad bruta en
operaciones
$ (19 280,17)
(-) Impuesto a la
renta
$
Utilidad neta en
operaciones
$ (143 460,12)
(47 820,04)
105
Para un análisis más detallado, los principales índices financieros son calculados y
los resultados se muestran a continuación en la Tabla 3.49. Para ello fue
considerada una depreciación lineal a partir de los 10 años para la maquinaria.,
además de un crecimiento anual de las ventas del 3,33%.
Tabla 3.49 Resultados de índices financieros
Índices financieros
Valor
TIR (%)
7,72%
VAN ($)
$ 1 220,37
Beneficio/Costo
0,62
El valor actual neto (VAN) debe tener un valor mayor a cero, para que el proyecto se
considere rentable. El valor que refleja este proyecto es de alrededor de 1000
dólares, eso implica que al invertir en la planta de pasta cerámica, se recupera la
inversión y adicionalmente se obtiene un capital mayor al que se obtendría en renta
fija.
La tasa interna de retorno (TIR) debe ser mayor a la tasa entregada por los bancos
(5,25%) y considerando que el proyecto es de alto riesgo la tasa debe ascender a
15,25%, para que el proyecto sea considerado viable y rentable. El valor de 7,72%
que muestra este proyecto no lo hace atractivo para inversión. Pero se debe tomar
en cuenta que el proyecto pretende valorizar un pasivo ambiental y este es su
principal objetivo. Pese a ello el proyecto genera aunque pequeña, una rentabilidad.
La relación beneficio-costo debe ser mayor a uno, puesto que el beneficio debe
superar a los costos de inversión y operación para que el proyecto sea
financieramente fiable. La relación de 0,62 implica que el beneficio es menor
inversión. Después de evaluar financieramente el proyecto, se concluye que la
producción de 100 ton/día de pasta cerámica para confinamiento de relaves no es
proyecto que generará alta rentabilidad, pero si valorizará un pasivo ambiental
106
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1 CONCLUSIONES
·
De acuerdo a la caracterización química efectuada, las materias primas tienen
un carácter sílico alumínico (Desecho cerámico: 35,6% Si, 9,4% Al; arcilla nacional:
34,3% Si, 19,1%; arcilla importada: 33,1% Si, 13% Al). Esto mejorará las
propiedades de la pasta al reducir su contracción ante un calentamiento brusco.
·
De acuerdo a la caracterización mineralógica, las materias primas contienen
en mayor porcentaje caolinita y el grupo plagioclasas (Desecho cerámico: 21%
plagioclasas, 9,4% caolinita; arcilla nacional: 59% plagioclasas, 32% caolinita; arcilla
importada: 10% plagioclasas, 13% caolinita) Su presencia hace que las arcillas y el
desecho cerámico sean fácilmente moldeables y presenten propiedades refractarias
por su alto contenido en alúmina.
·
El desecho cerámico proveniente de una empresa cerámica de grifería y
sanitarios no constituye una fuente de contaminación considerable debido a sus
bajas concentraciones de metales pesados (menores a 0,04%) que presentó la
solución de lixiviación del test TCLP.
·
El relave sulfurado de la zona de Ponce Enríquez contiene 30% de pirrotina
capaz de generar drenaje ácido, las pruebas estáticas obtuvieron los valores de
NNP de -300 kg CaCO3/ tonelada de mineral y 0,17 del índice NPR.
Estos
indicadores permitieron concluir que el relave tiene un alto potencial de drenaje
ácido y no puede ser confinado sin barrera impermeabilizante.
·
La composición seleccionada para la pasta cerámica de confinamiento de
relaves sulfurados fue 85% de desecho cerámico y 15% de arcilla importada, con
una humedad del 32%. Esta proporción hizo que la pasta tenga un carácter
medianamente plástico y plástico blando a la vez. Además esta no presentó grietas
107
ni fisuras después del secado, pero sí un porcentaje mínimo de contracción lineal y
pérdida de peso (valores). Estas características hacen que la pasta tenga las
características apropiadas para la fabricación de materiales por extrusión.
·
De acuerdo a las pruebas de infiltración efectuadas en el simulador de lluvia,
el valor de la constante de saturación para el relave solo es 18 mm/h, y para el
relave, junto con la pasta formulada, varía entre 13 mm/h y 16 mm/h.
·
Las pruebas de infiltración efectuadas en las columnas saturadas, por su
parte, obtuvieron un valor de la constante de saturación para el relave solo de 17,84
mm/h, mientras que, los valores para la pasta cerámica oscilan entre 0,69 mm/h y
1,07 mm/h. Los valores obtenidos permiten clasificar a la pasta cerámica como
prácticamente impermeable, dando así cumplimiento al artículo 91 del Reglamento
Ambiental de actividades mineras.
·
El análisis financiero estimó que una planta de 100 ton/día de pasta cerámica
para el confinamiento de relaves sulfurados requiere una inversión inicial de $ 269
938,80. El proyecto presenta una Tasa Interna de Retorno (TIR) de 7,72%, el Valor
Actual Neto (VAN) calculado fue de $ 1 120,37 y el tiempo de retorno de la inversión
fue de 3 meses. Todos estos indicadores señalan que el proyecto de pasta cerámica
de contención de relaves no es rentable, pero si valoriza el pasivo ambiental.
4.2 RECOMENDACIONES
·
Realizar un estudio de valorización del desecho cerámico para la elaboración
de material refractario (ladrillos, crisoles); ya que su alto contenido de alúmina
sugiere excelente resistencia al choque térmico y a las elevadas temperaturas.
·
Investigar la adición de aglomerantes como yeso, cal o alquitrán a la pasta
cerámica, ya que estos se moldean con facilidad y podrían mejorar la resistencia
108
mecánica de la pasta, además, tienen la ventaja de unir y proteger materiales entre
sí.
·
Considerando los resultados obtenidos para esta investigación se podría
evaluar el uso de la pasta cerámica como material de contención impermeabilizante
para otro tipo de residuos industriales.
·
Considerando los resultados obtenidos en la evaluación económica, se podría
probar con arcillas más económicas, lo que permitiría reducir costos de producción e
incrementar la rentabilidad del proyecto.
109
BIBLIOGRAFÍA
1.
Acucho,
R.
(2010).
Drenaje
ácido
de
roca.
Recuperado
de
http://ifcext.ifc.org/ifcext/spiwebsite1.nsf/0/00DB06A86B84D2538525
76BA000E2AF0/$File/ESIA%20Pipeline%20Anexo%20Drenaje%20A
cido.pdf. (Diciembre, 2015).
2.
Adebowale, K., Unuabonah, I., & Olu-Owolabi, B. (2006). The effect of some
operating variables on the adsorption of lead and. Journal of
Hazardous Materials B134, 130–139.
3.
Albán,
T.
(2015).
Apuntes
sobre
cerámica.
Recuperado
de
http://www.ceramicatrespiedras.com/cursos/apuntes/plasticidadencog
imiento-y-densidad-de-las-arcillas/. (Noviembre, 2015).
4.
Alexander, M. (1994). Biodegradtion and Bioremediation. San Diego, USA:
Academic Press.
5.
Álvarez, A., Sastre, S., Gutiérrez, A., & Carral, P. (2009). Tendencias
observadas en el estudio de curvas de infiltración de suelos.
Recuperado
de
http://ingenierosdeminas.org/documentos/03-
Metodos%20matematicos %20en%20geoquimica-1.pdf. (Diciembre,
2015).
6.
Angelone, S., & Garibay, M. (2006). Permeabilidad de suelos. Recuperado
de
http://www.fceia.unr.edu.ar/geologiaygeotecnia/Permeabilidad%20en
%20Suelos.pdf . (Enero , 2016).
7.
Asseline, J., & Valentin, C. (1978). Construction et mise au point d’un
infiltrometre. Cahiers ORSTOM. Série Hydrology 15, 321-349.
110
8.
Bartolomé, J. (1997). El Caolín: composición, estructuras, génesis y
aplicaciones. Boletín de la sociedad española de cerámica y vidrio, 813.
9.
Bernard, I., Sanz, G., Dorado, M., & Villar, S. (2007). Técnicas de
recuperación de suelos contaminados. Alcalá: Elecé Industria
Gráfica.
10. Bielders, Ch. (1994). Spatial distribution and formation mechanisms.
Dissertation presented to obtain the degree of doctor of Philosophy.
Cornell University.168-190
11. Boniila, D. (2012). Lección6-Cerámicas y secado. Recuperado de
http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion6.SECADO.pdf.
(Diciembre, 2015).
12. Cerdá, I. (1995). Factores y varaciones de espacio temporales de la
infiltración de los ecosistemas mediterráneos. Logroño, España: Ed.
Geoforma.
13. Chavárri, E. (2004). Infiltración. Maracaibo,Venezuela: DRAT.
14. Chesters, J. (1993). Refractories, production and properties. London-Gran
Bretaña: IN The Institute of Materials,58-60
15. Cobo, L., & Amézquita, E. (1999). Design, construction and evaluation of a
portable rainfall minisimulationto be used in studies of susceptibility of
hillside soil erosio. Recuperado de http://webpc.ciat.cgiar.org/suelos
/e_nacionales /minisimulador_lluvias.pdf. (Diciembre, 2015).
16. Del Ramo, A., & Guillén, F. (2011). Los minerales-Plagioclasa. Recuperado
de
https://www.regmurcia.com/servlet/s.Sl?sit=c,365,m,108&r=ReP-
111
26865-DE TALLE_REPORTAJESABUELO. (Diciembre, 2015).
17. Dold, B., & Fontobé, L. (2011). Element cycling and secon-dary mineralogy
in porphyry copper tailings as a func-tion of climate, primary
mineralogy, and mineral pro-cessing. Special Issue. Geochemical
studies of Mining and the Environment, Journal of Geochemical
Exploration, 74(1-3), 3-55.
18. Flores, L., & Alcalá, J. (2010). Manual de procedimientos analíticosLaboratorio de suelos. Recuperado de http://www.geologia.unam.
mx/igl/deptos/edafo/l fs/manualLFS.pdf. (Diciembre, 2015).
19. González, D. (2012). Caolín y arcillas caoliníticas. Recuperado de
http://www.igme.es/PanoramaMinero/actual/CAOL%C3%8DN%20Y
%20ARCILLAS%20CAOLI2012.pdf. (Octubre, 2015).
20. Horton, R. (1940). An approach toward a physical interpretation of infiltration
capacity. Proc. Soil Sci , 399-417.
21. Ibáñez, A., Gisbert, M., & Moreno, H. (2007). Filosilicatos. Recuperado de
https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/12885/Filosilicatos%202
1.pdf?sequence=3. (Diciembre, 2015).
22. Ibañez, A., Gonzalez, J., & Sandoval, F. (1990). Tratamientos del caolín y
su utilidad en la fabricación de papel. Boletín de la sociedad española
de cerámica y vidrio, 159-162.
23. Illangasekare, T., & Reible, D. (2001). Pump-and-Treat for remediation and
plume containment: applications, limitations and relevant processes.
Manuals and Reports on Enginieering Practice American Society of
Civil Enginieers, 79-119.
112
24. Jamaroto,
M.
(2011).
Frasco
de
Marriote.
Recuperado
de
http://www4.ujaen.es/~jamaroto/F21.HTML. (Noviembre, 2015).
25. Khan, F., Husain, T., & Hejazi, R. (2004). An overview and anylisis of site
remedation technologies. Journal Enviroment Managment, 71:95122.
26. Kinner, D., & Moody, J. (2008). Infiltration and Runoff measurements on
steep burned hillslopes using a rainfall simulator. US Geological
Survey, Investigation Reports, 2711.
27. Klein, C., & Hurbult, C. (2006). Manual de Mineralogía. Barcelona, España:
Editorial Reverté.
28. Landini, A., Martinez, D., & Dias, H. (2007). Modelos de infiltración y
funciones de pedotransferencia aplicados a suelos de distinta textura.
Recuperado
de
http://uniciencia.ambientalex.info/infoCT/
Modinffunpedaplsuedistexar.pdf. (Octubre, 2015).
29. Martinez, R. (2004). Estrategias de aislamiento y técnicas de inmovilización.
Recuperado
de
http://www.miliarium.com/ProyectosSuelos
Contaminados/DescontaminacionSuelos/EstrategiasAislamiento/Es
trategiasAislamientoSuelos.asp. (Noviembre, 2015).
30. Mcdougall, M. (2014). Dickite Mineral Data. Recuperado de http://webmin
eral.com/data/Dickite.shtml#.Vn7BZy5_Oko. (Diciembre, 2015).
31. Monge, J., & Aguilar, J. (2008).Manual de operación del simulador de lluvia
para la cuantificación de la infiltración, escorrentía y erosión de
suelos.
Recuperado
de
al/a00222.pdf. (Noviembre, 2015)
http://www.mag.go.cr/bibliotecavirtu
113
32. Moon, C., Lee, J., Ohman, B., & Choi, S. (2007). Organically modified lowgrade kaolin as a secondary. Environ Geochem Health 29, 271–280.
33. Morret, D., Arrúe, M., López, R., García, J., & Álvaro, F. (2007).
Determinación del perfil de humedad del suelo utilizando una sola
sonda TDR: El método del nomograma. Estudios de la Zona No
saturada del Suelo Volumen VIII, 127-129.
34. Mosquera, M. (2014). Evaluación de procesos no convencionales de
remedación de relaves sulfurados contaminados con cobre, zinc y
plomo. Proyecto previo a la obtención del título de ingeniera química.
Escuela Politécnica Nacional, 60-61.
35. Muñoz, J. (2012). Capacidad de neutralización de protones en suelos
ácidos
de
Galicia.
Recuperado
de
http://natres.psu.ac.th/link/
soilcongress/bdd /symp24/2429-t.pdf. (Noviembre, 2015)
36. Olmos, J. (2014). Diseño de una planta piloto para la producción de crisoles
semirefractarios a partir de desechos refractarios industriales y
arcillas ecuatorianas. Proyecto previo a la obtención del título de
ingeniera química. Escuela Politécnica Nacional, 62.
37. Osorio, E. (2011). Apuntes de Geotecnia con Énfasis en Laderas.
Recuperado de http://geotecnia-sor.blogspot.com/2010/11/consisten
cia-del-suelolimites-de_2498.html. (Octubre, 2015).
38. Peters, R. (1999). Chelant extraction of heavy metals from contamined soils.
Journal of Hazardous Materials, 151-210.
39. Reddy, K. (2005). Permeability ( Hydraulic Conductivity) Test Constant
Method.
Recuperado
de
http://www.uic.edu/clas
ses/cemm/cemmlab/Experime nt%2010-Permeability.pdf. (Octubre,
114
2015)
40. Romaña, J. (2014). Los lìmites de la ley de Darcy. Recuperado de
http://www.bdigital.unal.edu.co/45359/1/200722150.2014.pdf.
(Octubre, 2015)
41. Romero, E. (2002). Las arcillas: Propiedades y usos. Recuperado de
http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/Arcillas.htm#caol. (Octubre,
2015)
42. Russel, G., & Curtis, L. (1991). Modeling the Infiltration Component of the
Rainfall-Runoff Process. Minneapolis, Minesota: Wallowit Editions
43. Sánchez, I., & Asseline, J. (2007). Tipos de simuladores de lluvia.
Recuperado
de
http://horizon.documentation.ird.fr/exl-
doc/pleins_textes/pleins_textes_7
/b_fdi_53-54/010020394.pdf.
(Diciembre, 2015).
44. Sánchez, J. (2011). Ley de Darcy. Conductividad Hidràulica. Recuperado de
http://ocw.usal.es/ciencias-experimentales/hidrologia/conte
nidos/08.Ley_Darcy.pdf. (Octubre, 2015)
45. Santos, J., Malagán, P., & Córdoba, E. (2009). Caracterización de arcillas y
preparación de pastas cerámicas para la fabricación de tejas y
ladrillos en la región de Barichara-Santander. Recuperado de
http://www.scielo.org.co /pdf/dyna/v78n167/a06v78n167.pdf. (Abril,
2015).
46. Sarango, M. (2011). Estudio de la dosificación de una colección de arcillas
ecuatorianas en función del tamaño de partícula y de la temperatura
de sintetización. Proyecto previo a la obtención del título de ingeniera
química. Escuela Politécnica Nacional, 8-10.
115
47. Sepúlveda, R. (1999). El infiltrómetro de cilindro simple como método de
cálculo de la conductividad hidraúlica de los suelos. Recuperado de
http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=9544.(Octubre, 2015)
48. Silva, G. (2009). Use of clays as liners in solar pounds. Solar Energy 83,
905-919.
49. Smith, L., Means, J., Chen, A., Alleman, B., Champma, C., Tixer, J., y otros.
(1995). Remedial Option for Metals-Contaminated Sites. Boca Ratón,
USA: Lewis Publihers.
50. Torres, J. (2013). Plasticidad, encogimiento y densidad de las arcillas.
Recuperado
de
http://www.ceramicatrespiedras.com/
cursos/apuntes/plasti cidad-encogimiento-y-densidad-de-las-arcillas/.
(Agosto, 2015)
51. Venegas, P., & Hernández, L. (2007). El caolín y sus aplicaciones
industrales.
Recuperado
de
http://www.uaeh.edu.mx/scige/
boletin/icbi/n2/e1.html. (Octubre, 2015)
52. } Viera, N. (2011). Caracterización física, cerámica y térmica de arcillas
ecuatorianas.(Proyecto previo a la obtención del título de Ingeniero
Químico no publicado). Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador.
53. Villarino,
A.
(2011).
Materiales
Cerámicos.
Recuperado
de
http://ocw.usal.es/ensenanzas-tecnicas/ciencia-y-tecnologia-de-losmateriales/contenido/TEMA%204%20MATERIALES%20CERAMICOS.pdf. (Diciembre, 2015)
116
ANEXOS
117
ANEXO I
FICHAS TÉCNICAS Y CARACTERIZACIÓN DE MATERIAS PRIMAS
CARACTERIZACION FÌSICA DE MATERIAS PRIMAS
Análisis granulométrico y determinación del d80
El procedimiento llevado a cabo se detalla a continuación:
·
250 g de muestra fueron secados al ambiente por un periodo de 24 horas.
·
Se ordenó el juego de tamices de forma decreciente de acuerdo a los
tamaños de abertura de la malla. La Tabla A.I.1 muestra los diferentes
tamices utilizados en el ensayo.
Tabla A.I. 1 Juego tamices usados en la distribución granulométrica
No. Malla
ASTM
100
150
200
270
325
400
Abertura
tamiz (µm)
150
100
75
53
45
38
·
Se colocó la muestra en el tamiz superior, se encendió el vibrotamiz a 150
rpm por un periodo de 15 minutos.
·
Se registró el peso de cada una de las porciones retenidas en cada malla.
·
Se calculó el porcentaje de retenido parcial junto el porcentaje de retenido
acumulado. Se determinó el d80 correspondiente a cada materia prima.
Análisis granulométrico láser para las materias primas
Posterior al análisis de granulometría con la serie de tamices se pudo notar la
heterogeneidad de las 3 materias primas, por ello ameritó un análisis granulométrico
láser. Se empleó el equipo HORIBA-La950-V2, que a partir del índice de refracción
del material analizado genera datos precisos sobre su granulometría. Muestras de 1
g aproximadamente son colocadas en el equipo para su análisis.
118
Determinación de la densidad real y aparente de las materias primas
Para la determinación de la densidad real de las materias primas se remitió al
método del picnómetro. Se tomó aproximadamente un gramo de material
previamente seco, se lo colocó en un picnómetro de 10 mL de capacidad y se
registró su peso. Se llenó el mismo con agua y su peso fue registrado también. Por
el último al picnómetro seco se le adicionó agua destilada y este peso se registró de
igual manera. La densidad real se obtuvo obedeciendo la siguiente relación:
ߜൌ
ͳ
‫ݓ‬௣௜௖ା௔௚௨௔ ൅ ‫ݓ‬௣௜௖ା௔௚௨௔ା௠௨௘௦௧௥௔
ͳ൅
‫ݓ‬௣௜௖ା௠௨௘௦௧௥௔ ൅ ‫ݓ‬௣௜௖
[A.I.1.]
Dónde:
‫ݓ‬௣௜௖ା௔௚௨௔ = Masa del picnómetro con agua
‫ݓ‬௣௜௖ା௔௚௨௔ା௠௨௘௦௧௥௔ =Masa del picnómetro con agua y muestra
‫ݓ‬௣௜௖ା௠௨௘௦௧௥௔ = Masa del picnómetro y la muestra
‫ݓ‬௣௜௖ = Masa del picnómetro
Para la determinación de la densidad aparente se empleó una probeta graduada de
100 cm3 de capacidad, su peso fue registrado. Se tomó una muestra de las materias
primas previamente secas, se la colocó en la probeta hasta completar con esta una
lectura de volumen definido. Se pesó la probeta junto con la muestra para el cálculo.
Para la determinación de la densidad aparente se remitió a la siguiente relación:
ߜൌ
‫ݓ‬௣௥௢௕௘௧௔ା௠௨௘௦௧௥௔ ൅ ‫ݓ‬௣௥௢௕௘௧௔
‫ܽݎݐݏ݁ݑ݉݊݁݉ݑ݈݋ݒ‬
Dónde:
‫ݓ‬௣௥௢௕௘௧௔ା௠௨௘௦௧௥௔ : Masa de la probeta con la muestra de desechos de caolín
‫ݓ‬௣௥௢௕௘௧௔ : Masa de la probeta vacía
‫ܽݎݐݏ݁ݑ݉݊݁݉ݑ݈݋ݒ‬: Volumen registrado en la probeta
[A.I.2]
119
Determinación del contenido de humedad
Para la determinación del contenido de humedad presente en las materias primas se
remitió a la norma internacional ASTM D2216-10. Se presenta a continuación el
procedimiento empleado. Se tomó una muestra de cada una de las materias primas
secas al ambiente. Tomando intervalos de al menos dos horas, se pesaron las
muestras, las mismas debían ser enfriadas previamente en el desecador. Se repitió
el proceso hasta alcanzar un peso constante de las muestras seca. El cálculo del
porcentaje de humedad obedece a la siguiente relación:
ܹ ൌ ሾሺ݉௖௠௦ െ ݉௖ௗ௦ ሻȀሺ݉௖ௗ௦ െ ݉௖ ሻሿ ൈ ͳͲͲΨ
[A.I.3]
Dónde:
ܹ= Porcentaje de humedad de la muestra
݉௖௠௦ =Masa del recipiente y de la muestra húmeda
݉௖ௗ௦ = Masa del recipiente y de la muestra seca
݉௖ = Masa del recipiente.
CARACTERIZACION QUÌMICA DE MATERIAS PRIMAS
Análisis químico semi-cuantitativo para las materias primas
El análisis químico semi cuantitativo se llevó a cabo en el Microscopio Electrónico
de Barrido (Vega-Tescan) con analizador de rayos X (Bruker). Los datos fueron
procesados con el Programa Esprit 1.9. Por medio de este análisis se pudo
determinar el contenido de Si, Al, Na, K, Mg, Ca, Fe, Ti, en las arcillas y el desecho
cerámico.
Determinación de la toxicidad del desecho cerámico
Al tratarse de un desecho industrial el análisis Toxicity Charasteristic Leaching
procedure (TCLP) bajo el Method 1311 de la EPA es requerido. El procedimiento
llevado a cabo se detalla a continuación:
120
·
10 g del desecho cerámico fueron colocados en un envase plástico
conjuntamente con 200 mL de agua destilada, con lo que se obtuvo una
suspensión con una relación 1:20.
·
Se ajustó el pH de la suspensión hasta un valor de 4.5 con la adición de
ácido acético (20% en peso).
·
El envase plástico fue sellado y agitado mecánicamente a 30 rpm por un
período de 20 horas.
·
Transcurrido este tiempo, se tomó una alícuota de la solución clarificada y se
envió a análisis por absorción atómica.
121
CARACTERIZACION MINERALÓGICA DE MATERIAS PRIMAS
Determinación del potencial de drenaje ácido del relave sulfurado
i.
A las siete muestras de relave se adicionaron 30 mL de agua destilada por
cada gramo. Se requirió agitación por una hora a temperatura ambiente.
Transcurrido este tiempo se filtra cada una de las suspensiones. Las 7
fracciones clarificadas se enviaron a absorción atómica. Una de las 7
fracciones sólidas es enviada a difracción de rayos X, mientras que las 6
restantes continúan con la segunda extracción.
ii.
A cada una de las 6 fracciones se les adicionó acetato amónico 1 M a pH 4,5,
agitando durante dos horas a temperatura ambiente. Las 6 suspensiones son
filtradas, las fracciones clarificadas se enviaron a absorción atómica. Una de
las 6 fracciones sólidas es enviada a difracción de rayos X, mientras que las 5
restantes continúan con la tercera extracción.
iii.
A cada una de las 5 fracciones se les adicionó utilizó oxalato amónico 0,2 M,
a pH 3, agitando durante una hora en oscuridad. Las 5 suspensiones son
filtradas, las fracciones clarificadas se enviaron a absorción atómica. Una de
las 5 fracciones sólidas es enviada a difracción de rayos X, mientras que las 4
restantes continúan con la cuarta extracción.
iv.
A cada una de las 4 fracciones se les adicionó de nuevo oxalato amónico 0,2
M, a pH 3, pero en baño de agua a 80° C, agitando durante dos horas. Las 4
suspensiones son filtradas, las fracciones clarificadas se enviaron a absorción
atómica. Una de las 4 fracciones sólidas es enviada a difracción de rayos X,
mientras que las 3 restantes continúan con la quinta extracción.
v.
A cada una de las 3 fracciones se les adicionó agua oxigenada al 35% en
baño termostático durante una hora. Las 3 suspensiones son filtradas, las
fracciones clarificadas se enviaron a absorción atómica. Una de las 3
fracciones sólidas es enviada a difracción de rayos X, mientras que las 2
restantes continúan con la sexta extracción.
vi.
A cada una de las 2 fracciones se les adicionó 10 mL de ácido clorhídrico
(grado técnico) y 2 g de clorato potásico, seguido de ebullición con 10 mL de
ácido nítrico 4M. Las 2 suspensiones son filtradas, las fracciones clarificadas
122
se enviaron a absorción atómica. Una de las 2 fracciones sólidas es enviada a
difracción de rayos X, mientras que la fracción restante continúa con la
séptima extracción.
vii.
A la fracción restante se obtuvo por digestión con una mezcla de ácidos,
fluorhídrico, nítrico, clorhídrico, y perclórico, en digestor abierto sobre una
placa calefactora. La suspensión fue filtrada, la fracción clarificada se envió a
absorción atómica. La fracción sólida se envió a difracción de rayos X.
123
NÚMERO DE ENSAYO
TÍTULO DE ENSAYO
TIPO DE ENSAYO
TIPO DE MUESTRA
OBJETIVO
FICHA TÉCNICA #1
1
Caracterización física del desecho cerámico
Análisis granulométrico
Determinación de densidad real y aparente
Determinación del porcentaje de humedad
Desecho cerámico con alto contenido de caolín
Determinar d80, densidad real, densidad aparente y
porcentaje de humedad.
Tabla A.I. 2 Resultados del análisis granulométrico del desecho cerámico
% Pasado acumulado
Peso
MALLA No. ABERTURA
retenido % Retenido
ASTM
(µm)
(g)
+65
212
46,2
16,721
+100
150
15,5
5,610
+140
106
0,2
0,072
+200
75
7,4
2,678
+270
53
7,7
2,787
-270
0
199,3
72,132
276,3
100
TOTAL
% Retenido
acumulado
% Pasado
acumulado
16,72095548
22,33079986
22,40318494
25,08143322
27,86825914
100
83,28
77,67
77,60
74,92
72,13
0,00
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
0
50
100
150
200
250
Abertura tamiz (µm)
Figura A.I. 1 Gráfica para determinación del d80 del desecho cerámico
Tabla A.I. 3 Parámetros para la determinación de la densidad aparente del desecho
cerámico
31
Volumen probeta (mL)
105,2014
Masa probeta (g)
139,1102
Masa probeta y muestra (g)
124
Tabla A.I. 4 Parámetros para la determinación de la densidad real del desecho
cerámico
17.7673
Masa picnómetro seco (g)
18.5523
Masa picnómetro y muestra seca (g)
Masa picnómetro y muestra húmeda
44.2216
(g)
43.8026
Masa picnómetro y agua (g)
Tabla A.I. 5 Parámetros para la determinación del porcentaje de humedad del desecho
cerámico
Masa del recipiente y de la muestra
105,1211
húmeda (g)
Masa del recipiente y de la muestra
89,2412
seca (g)
47,5989
Masa del recipiente (g)
125
FICHA TÉCNICA #2
2
Caracterización física de la arcilla importada
Análisis granulométrico
TIPO DE ENSAYO
Determinación de densidad real y aparente
Determinación del porcentaje de humedad
Desecho cerámico con alto contenido de caolín
TIPO DE MUESTRA
Determinar d80, densidad real, densidad aparente y
OBJETIVO
porcentaje de humedad.
Tabla A.I. 6 Resultados del análisis granulométrico de la arcilla importada
NÚMERO DE ENSAYO
TÍTULO DE ENSAYO
ABERTURA
(um)
Peso
retenido
(g)
% Pasado acumulado
150
104
74
53
45
38
0
TOTAL
% Retenido
17
14
10,2
7,7
2,6
2
201,6
255,1
6,664
5,488
3,998
3,018
1,019
0,784
79,028
100,000
%
% Pasado
Retenido
acumulado
acumulado
6,66405331
12,1520972
16,1505292
19,1689534
20,1881615
20,9721678
100
93,34
87,85
83,85
80,83
79,81
79,03
0,00
100,00
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Abertura tamiz (µm)
Figura A.I. 2 Gráfica para determinación del d80 de la arcilla importada
Tabla A.I. 7 Parámetros para la determinación de la determinación de humedad de la
arcilla importada
Masa del recipiente y de la muestra
60,88222
húmeda (g)
Masa del recipiente y de la muestra seca
56,9641
(g)
42,7629
Masa del recipiente (g)
126
Tabla A.I. 8 Parámetros para la determinación de la densidad real de la arcilla
importada
15,7718
Masa picnómetro seco (g)
16.8424
Masa picnómetro y muestra seca (g)
Masa picnómetro y muestra húmeda
42,3243
(g)
41,7536
Masa picnómetro y agua (g)
Tabla A.I. 9 Parámetros para la determinación de densidad aparente de la arcilla
importada
Masa del recipiente y de la muestra
8
húmeda (g)
Masa del recipiente y de la muestra
27,7126
seca (g)
34,5716
Masa del recipiente (g)
127
FICHA TÉCNICA #3
NÚMERO DE ENSAYO 3
Caracterización física de la arcilla nacional
TÍTULO DE ENSAYO
Análisis granulométrico
TIPO DE ENSAYO
Determinación de densidad real y aparente
Determinación del porcentaje de humedad
Desecho cerámico con alto contenido de caolín
TIPO DE MUESTRA
Determinar d80, densidad real, densidad aparente y
OBJETIVO
porcentaje de humedad.
Tabla A.I. 10 Resultados del análisis granulométrico de la arcilla nacional
TAMIZ # ABERTURA
(um)
malla
+100
+150
+200
+270
+325
+400
-400
150
104
74
53
45
38
0
Peso
retenido
(g)
% Retenido
12
25,3
32,5
14,4
28,2
13,7
236,3
362,4
TOTAL
3,311
6,981
8,968
3,974
7,781
3,780
65,204
100,000
%
% Pasado
Retenido
acumulado
acumulado
3,31125828
10,2924945
19,2604857
23,2339956
31,0154525
34,7958057
100
96,69
89,71
80,74
76,77
68,98
65,20
0,00
% Pasado acumulado
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Abertura del tamiz (µm)
Figura A.I. 3 Gráfica para determinación del d80 de la arcilla nacional
Tabla A.I. 11 Parámetros para la determinación del porcentaje de humedad de la
arcilla nacional
Masa del recipiente y de la muestra
56,8001
húmeda (g)
Masa del recipiente y de la muestra
56,2336
seca (g)
43,3012
Masa del recipiente (g)
128
Tabla A.I. 12 Parámetros para la determinación de la densidad real de la arcilla
nacional
15,7724
Masa picnómetro seco (g)
16,7623
Masa picnómetro y muestra seca (g)
Masa picnómetro y muestra húmeda
42,3014
(g)
41,7526
Masa picnómetro y agua (g)
Tabla A.I. 13 Parámetros para la determinación de la densidad aparente de la arcilla
nacional
Masa del recipiente y de la muestra
7
húmeda (g)
Masa del recipiente y de la muestra
27,7315
seca (g)
36,3614
Masa del recipiente (g)
129
ANEXO II
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO PARA MATERIAS PRIMAS
Figura A.II.1 Análisis granulométrico para el desecho cerámico
130
Figura A.II.2 Análisis granulométrico para la arcilla importada
131
Figura A.II.3 Análisis granulométrico para la arcilla importada
132
ANEXO III
DETERMINACIÓN DE LA COMPOSICIÓN QUÍMICA ELEMENTAL
MEDIANTE LECTURA EN EL MICROSCOPIO DE BARRIDO (MEB)
FICHA TÉCNICA 4
Objetivo: Determinar la composición química elemental de la arcilla importada
14
cps/eV
12
10
8
6
Ti
Fe
Mg
K
Ca O
Na
Al Si
K
Ca
Ti
Fe
4
2
0
1
2
3
4
5
keV
6
7
8
Figura A.III.1 Análisis MEB para la arcilla importada
9
10
133
Objetivo: Determinar la composición química elemental de la arcilla nacional
cps/eV
16
14
12
10
8
Ti Fe
Mg
K O
Na Al Si
K
Ti
Fe
6
4
2
0
1
2
3
4
5
keV
6
7
8
9
Figura A.III. 2 Análisis MEB para la arcilla nacional
10
134
Objetivo: Determinar la composición química elemental del desecho cerámico
cps/eV
12
10
8
6
Ti Fe
K O
Na
Al Si
K
Ti
Fe
4
2
0
1
2
3
4
5
keV
6
7
8
Figura A.III.3 Análisis MEB para desecho cerámico
9
10
135
ANEXO IV
DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES CERÁMICAS DE LAS
PASTAS DE CONTENCIÓN DE RELAVES-DETERMINACIÓN DE LOS
LÍMITES DE ATTERBERG
Objetivo: Determinar los límites de Atterberg de las distintas formulaciones de la
pasta cerámica de contención de relaves sulfurados.
Determinación del límite líquido
Para la determinación del límite líquido se construyeron curvas de fluidez mediante
gráficos semi-logarítmico, donde la humedad se coloca en el eje de las ordenadas y
el número de golpes registrados en la copa de Casagrande en el eje de las abscisas.
El límite líquido se obtiene de la humedad correspondiente a 25 golpes.
FORMULACIÓN A: 100% desecho cerámico
Tabla A.IV. 1 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
líquido para la formulación A
Peso de
muestra
seca + crisol
(g)
Humedad
(%)
Número de
golpes
Prueba
Peso crisol (g)
Peso muestra
húmeda +
crisol (g)
1
23,09
26,19
25,65
-
47
2
20,41
23,16
22,66
-
40
3
19,14
23,02
22,34
-
45
4
18,41
21,41
20,71
30,43%
16
Por sobre los 45 golpes, la pasta se considera no plástica. Por ello los datos no son
considerados para elaboración de la curva de fluidez.
136
FORMULACIÓN B: 85% desecho cerámico y 15% arcilla importada
Tabla A.IV. 2 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
líquido para la formulación B
Peso de
muestra
seca + crisol
(g)
Humedad
(%)
Número de
golpes
Prueba
Peso crisol (g)
Peso muestra
húmeda +
crisol (g)
1
20,81
24,2
23,4
30,89%
42
2
23,82
26,85
26,12
31,74%
25
3
21,86
26,02
25,01
32,06%
22
4
20,6
28,94
26,89
32,59%
20
Formulación B
% Humedad
33,00%
32,50%
32,00%
31,50%
Formulación B
y = -0,0007x + 0,3366
R² = 0,9019
31,00%
30,50%
1
10
Lineal (Formulación B)
100
Número de golpes
Figura A.IV. 1 Curva de fluidez de la formulación B
FORMULACIÓN C: 80% desecho cerámico y 20% arcilla importada
Tabla A.IV. 3 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
líquido para la formulación C
Peso de
muestra
seca +
crisol (g)
Humedad
(%)
Número de
golpes
Prueba
Peso crisol (g)
Peso muestra
húmedo +
crisol (g)
1
19,14
23,01
22,14
29,00%
30
2
23,08
26,76
25,97
27,34%
13
3
24
28,15
27,23
28,48%
23
4
21,72
25
24,28
28,12%
22
137
Formulación C
29,20%
y = 0,001x + 0,2606
R² = 0,9761
29,00%
28,80%
% Humedad
28,60%
28,40%
28,20%
Formulación C
28,00%
Lineal (Formulación C)
27,80%
27,60%
27,40%
27,20%
1
10
Número de golpes
100
Figura A.IV. 2 Curva de fluidez de la formulación C
FORMULACIÓN D: 75% desecho cerámico y 25% arcilla importada
Tabla A.IV. 4 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
líquido para la formulación D
Peso de
muestra
seca + crisol
(g)
Humedad
(%)
Número de
golpes
Prueba
Peso crisol (g)
Peso muestra
húmeda +
crisol (g)
1
20,61
25,62
24,76
20,72%
29
2
19,14
26,67
23,81
61,24%
13
3
20,81
23,34
22,78
28,43%
22
4
20,41
24,16
23,31
29,31%
23
138
Formulación D
70,00%
60,00%
% Humedad
50,00%
40,00%
Formulación D
30,00%
Lineal (Formulación D)
20,00%
y = -0,0261x + 0,918
R² = 0,9235
10,00%
0,00%
1
10
100
Número de golpes
Figura A.IV. 3 Curva de fluidez de la formulación D
FORMULACIÓN E: 75% desecho cerámico y 25% arcilla importada
Tabla A.IV. 5 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
líquido para la formulación E
Peso de
muestra
seca + crisol
(g)
Humedad
(%)
Número de
golpes
Prueba
Peso crisol (g)
Peso muestra
húmeda +
crisol (g)
1
23,82
28,77
27,65
29,24%
17
2
35,12
40,37
39,19
28,99%
18
3
41,97
46,43
45,39
30,41%
21
4
18,1
21,7
20,85
30,91%
22
139
Formulación E
31,50%
% Humedad
31,00%
y = 0,0037x + 0,2267
R² = 0,9192
30,50%
30,00%
Formulación E
29,50%
Lineal (Formulación E)
29,00%
28,50%
1
10
100
Número de golpes
Figura A.IV. 4 Curva de fluidez de la formulación E
FORMULACIÓN F: 90% desecho cerámico y 10% arcilla nacional
Tabla A.IV. 6 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
líquido para la formulación F
Prueba
Peso crisol
(g)
Peso muestra
húmeda +
crisol (g)
Peso de
muestra
seca +
crisol (g)
Humedad
(%)
Número de
golpes
1
21,87
25,97
25,07
28,13%
26
2
24
28,1
27,16
29,75%
17
3
23,08
26,35
25,62
28,74%
21
4
23,82
27,43
26,62
28,93%
20
Formulación F
% Humedad
30,00%
29,50%
29,00%
Formulación F
28,50%
y = -0,0017x + 0,3253
R² = 0,9422
28,00%
Lineal (Formulación F)
27,50%
1
10
100
Número de golpes
Figura A.IV. 5 Curva de fluidez de la formulación F
140
FORMULACIÓN G: 86,5% desecho cerámico y 13,5% arcilla nacional
Tabla A.IV. 7 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
líquido para la formulación G
Peso de
muestra
seca + crisol
(g)
Humedad
(%)
Número de
golpes
Prueba
Peso crisol (g)
Peso muestra
húmeda +
crisol (g)
1
21,72
27,91
26,54
28,42%
34
2
20,41
24,23
23,43
26,49%
45
3
19,13
24,11
23,04
27,37%
40
4
20,81
24
23,3
28,11%
33
% Humedad
Formulación G
29,00%
28,50%
28,00%
27,50%
27,00%
26,50%
26,00%
Formulación G
y = -0,0015x + 0,333
R² = 0,9487
1
10
Lineal (Formulación G)
100
Número de golpes
Figura A.IV. 6 Curva de fluidez de la formulación G
FORMULACIÓN H: 75% desecho cerámico y 25% arcilla nacional
Tabla A.IV. 8 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
líquido para la formulación H
Peso de
muestra
seca + crisol
(g)
Humedad
(%)
Número de
golpes
Prueba
Peso crisol (g)
Peso muestra
húmeda +
crisol (g)
1
21,72
27,91
26,54
28,42%
34
2
20,41
24,23
23,43
26,49%
45
3
19,13
24,11
23,04
27,37%
40
4
20,81
24
23,3
28,11%
33
141
Formulación H
29,00%
% Humedad
28,50%
28,00%
27,50%
Formulación H
27,00%
Lineal (Formulación H)
y = -0,0015x + 0,333
R² = 0,9487
26,50%
26,00%
1
10
100
Número de golpes
Figura A.IV. 7 Curva de fluidez de la formulación H
FORMULACIÓN I: 85% desecho cerámico y 15% arcilla nacional
Tabla A.IV. 9 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
líquido para la formulación I
Peso de
muestra
seca + crisol
(g)
Humedad
(%)
Número de
golpes
Prueba
Peso crisol (g)
Peso muestra
húmeda +
crisol (g)
1
21,87
26,3
25,24
31,45%
26
2
20,4
23,04
22,43
30,05%
16
3
21,72
23,77
23,28
31,41%
24
4
23,09
27,11
26,13
32,24%
28
Formulación I
32,50%
y = 0,0017x + 0,2731
R² = 0,9582
% Humedad
32,00%
31,50%
31,00%
Formulación I
30,50%
Lineal (Formulación I)
30,00%
29,50%
1
10
100
Número de golpes
Figura A.IV. 8 Curva de fluidez de la formulación I
142
Determinación del límite plástico
El límite plástico se calculó de acuerdo a la siguiente relación:
‫ ܲܮ‬ൌ ‫݄ܽݎݐݏ݁ݑ݈݉ܽ݊݁݁ݐ݊݁ݏ݁ݎ݌ܽݑ݃ܽܽݏܽܯ‬ï݉݁݀ܽ
‫ͲͲͳݔ‬
‫ܽܿ݁ݏܽݎݐݏ݁ݑ݉ܽݏܽܯ‬
[ A.IV.1]
Tabla A.IV. 10 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
plástico para la formulación A
Prueba
Peso crisol
Peso crisol +
muestra húmeda
Peso crisol +
muestra seca
Humedad
Límite plástico
1
24
25,58
25,27
24,41%
24
2
19,13
21,38
20,96
22,95%
23
3
21,87
23,46
23,18
21,37%
21
Promedio
23
Tabla A.IV. 11 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
plástico para la formulación B
Prueba
Peso crisol
Peso crisol +
muestra húmeda
Peso crisol +
muestra seca
Humedad
Límite
plástico
1
23,82
25,54
25,22
22,86%
23
2
20,81
22,61
22,29
21,62%
22
3
23,09
25,37
24,95
22,58%
23
Promedio
23
Tabla A.IV. 12 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
plástico para la formulación C
Prueba
Peso crisol
Peso crisol +
muestra húmeda
Peso crisol +
muestra seca
Humedad
Límite plástico
1
20,41
22,98
22,52
21,80%
22
2
21,72
23,98
23,59
20,86%
21
3
20,6
22,53
22,18
22,15%
22
Promedio
22
143
Tabla A.IV. 13 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
plástico para la formulación D
Prueba
Peso crisol
Peso crisol +
muestra húmeda
Peso crisol +
muestra seca
Humedad
Límite plástico
1
20,41
22,98
22,52
21,80%
22
2
21,72
23,98
23,59
20,86%
21
3
20,6
22,53
22,18
22,15%
22
Promedio
22
Tabla A.IV. 14 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
plástico para la formulación E
Prueba
Peso crisol
Peso crisol +
muestra húmeda
Peso crisol +
muestra seca
Humedad
Límite plástico
1
41,45
43,57
43,23
19,10%
19
2
43,28
46,14
45,68
19,17%
19
3
18,09
20,91
20,44
20,00%
20
Promedio
19
Tabla A.IV. 15 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
plástico para la formulación F
Prueba
Peso crisol
Peso crisol +
muestra húmeda
Peso crisol +
muestra seca
Humedad
Límite plástico
1
21,72
25,9
25,07
24,78%
25
2
23,82
26,54
26,04
22,52%
23
3
21,87
24,37
23,92
21,95%
22
Promedio
23
Tabla A.IV. 16 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
plástico para la formulación G
Prueba
Peso crisol
Peso crisol +
muestra húmeda
Peso crisol +
muestra seca
Humedad
Límite plástico
1
41,97
44,93
44,38
22,82%
23
3
41,44
43,7
43,3
21,51%
22
Promedio
22
144
Tabla A.IV. 17 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
plástico para la formulación H
Prueba
Peso crisol
Peso crisol +
muestra húmeda
Peso crisol +
muestra seca
Humedad
Límite plástico
1
20,61
22,98
22,55
22,16%
22
2
19,13
21,28
20,9
21,47%
22
3
24
26,29
25,83
25,14%
25
Promedio
23
Tabla A.IV. 18 Datos experimentales obtenidos en el ensayo de determinación del límite
plástico para la formulación I
Prueba
Peso crisol
Peso crisol +
muestra húmeda
Peso crisol +
muestra seca
Humedad
Límite plástico
1
20,81
23,08
22,66
22,70%
23
2
20,41
22,66
22,25
22,28%
23
3
23,08
25,08
24,75
19,76%
20
Promedio
22
Determinación del índice de plasticidad y consistencia
El índice de plasticidad se calcula de acuerdo a la siguiente relación:
‫ ݌ܫ‬ൌ ‫ܮ‬À݉݅‫݁ݐ‬௟À௤௨௜ௗ௢ െ ‫ܮ‬À݉݅‫݁ݐ‬௣௟ž௦௧௜௖௢
[A.IV.2]
Por su parte el índice de consistencia se calcula bajo la siguiente relación:
‫ ܥܫ‬ൌ
ሺ‫ܮ‬À݉݅‫݁ݐ‬௟À௤௨௜ௗ௢ െ ܹሻ
‫݌ܫ‬
Dónde:
ܹ: Corresponde a la humedad promedio de la muestra.
[A.IV.3]
145
ANEXO V
DETERMINACIÓN DE LOS PORCENTAJES DE CONTRACCIÓN
LINEAL Y PÉRDIDA DE PESO DE LAS PASTAS CERÁMICAS AL
AMBIENTE Y 110 ºC
Los porcentajes de pérdida de peso y contracción lineal se calculan con los valores
iniciales y finales de los mismos. Los valores iniciales y finales de diámetro, espesor
y peso se presentan en las tablas adjuntas.
Tabla A.V. 1 Valores iniciales y finales de las pruebas de propiedades físicas de la
formulación B
FORMULACIÓN B
Muestras frescas
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,66
0,76
8,16
2
2,67
0,71
7,81
3
2,64
0,68
7,85
Muestras secadas al ambiente
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,62
0,75
6,85
2
2,64
0,70
6,53
3
2,62
0,65
6,63
Muestras secadas en estufa (110 ºC)
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,59
0,64
6,56
2
2,63
0,66
6,63
3
2,61
0,67
6,14
146
Tabla A.V. 2 Valores iniciales y finales de las pruebas de propiedades físicas de la
formulación E
FORMULACIÓN E
Muestras frescas
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,77
0,74
8,25
2
2,64
0,77
7,98
3
2,72
0,79
7,70
Muestras secadas al ambiente
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,7
0,72
6,72
2
2,59
0,68
6,46
3
2,67
0,71
6,17
Muestras secadas en estufa (110 ºC)
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,69
0,72
6,68
2
2,61
0,72
6,43
3
2,65
0,66
6,14
Tabla A.V. 3 Valores iniciales y finales de las pruebas de propiedades físicas de la
formulación G
FORMULACIÓN G
Muestras frescas
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,73
0,74
8,12
2
2,72
0,71
7,75
3
2,79
0,73
8,05
Muestras secadas al ambiente
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,57
0,7
6,54
2
2,66
0,68
6,37
3
2,72
0,63
6,56
147
Tabla A.V. 4 Valores iniciales y finales de las pruebas de propiedades físicas de la
formulación I
FORMULACIÓN I
Muestras frescas
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,8
0,63
7,97
2
2,69
0,66
8,24
3
2,68
0,71
7,93
Muestras secadas al ambiente
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,7
0,58
6,61
2
2,65
0,6
6,69
3
2,64
0,68
6,47
Muestras secadas en estufa (110 ºC)
Ensayo
Diámetro
(cm)
Espesor
(cm)
Peso (g)
1
2,7
0,59
6,54
2
2,66
0,61
6,27
3
2,64
0,67
6,26
De forma general ambos porcentajes se calculan bajo la siguiente relación:
ܲ‫ ݆݁ܽݐ݊݁ܿݎ݋‬ൌ ܸ݈ܽ‫ ݈ܽ݅ܿ݅݊݅ݎ݋‬െ ܸ݈ܽ‫݈݂ܽ݊݅ݎ݋‬
ܸ݈ܽ‫݈ܽ݅ܿ݅݊݅ݎ݋‬
[A.V.1]
Se efectuaron 3 ensayos en la determinación de contracción lineal y pérdida de peso
de cada formulación, el valor final corresponde a un promedio simple.
148
Tabla A.V. 5 Resultados de los porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso de la
formulación B
FORMULACIÓN B
Muestras secadas al ambiente
Ensayo
Contracción
lineal
(Diámetro)
Contracción lineal
(Espesor )
Pérdida de
peso
1
1,50%
1,32%
15,99%
2
1,12%
1,41%
16,40%
3
0,76%
4,41%
15,59%
1,13%
2,38%
15,99%
PROMEDIO
Muestras secadas en estufa (110ºC)
Ensayo
Contracción
lineal
(Diámetro)
Contracción lineal
(Espesor )
Pérdida de
peso
1
2,63%
15,79%
19,62%
2
1,50%
7,04%
15,09%
3
1,14%
1,47%
21,79%
1,76%
8,10%
18,83%
PROMEDIO
Tabla A.V. 6 Resultados de los porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso de la
formulación E
FORMULACIÓN E
Muestras secadas al ambiente
Ensayo
Contracción
lineal
(Diámetro)
Contracción lineal
(Espesor )
Pérdida de
peso
1
2,53%
2,70%
18,57%
2
1,89%
11,69%
19,04%
3
1,84%
10,13%
19,91%
2,09%
8,17%
19,17%
PROMEDIO
Muestras secadas en estufa (110ºC)
Ensayo
Contracción
lineal
(Diámetro)
Contracción lineal
(Espesor )
Pérdida de
peso
1
2,89%
2,70%
19,06%
3
2,57%
16,46%
20,36%
2,20%
8,55%
19,64%
PROMEDIO
149
Tabla A.V. 7 Resultados de los porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso de la
formulación G
FORMULACIÓN G
Muestras secadas al ambiente
Ensayo
Contracción
lineal
(Diámetro)
Contracción lineal
(Espesor )
Pérdida de
peso
2
2,21%
4,23%
17,90%
3
2,51%
13,70%
18,52%
2,36%
8,96%
18,21%
PROMEDIO
Muestras secadas en estufa (110ºC)
Ensayo
Contracción
lineal
(Diámetro)
Contracción lineal
(Espesor )
Pérdida de
peso
1
4,76%
1,35%
20,00%
2
1,84%
1,41%
18,52%
3
3,23%
9,59%
19,15%
3,28%
4,12%
19,22%
PROMEDIO
Tabla A.V. 8 Resultados de los porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso de la
formulación I
FORMULACIÓN I
Ensayo
Contracción
lineal
(Diámetro)
Contracción lineal
(Espesor )
Pérdida de
peso
1
3,57%
7,94%
19,39%
2
1,49%
9,09%
17,90%
3
1,49%
4,23%
18,52%
2,18%
7,08%
18,60%
PROMEDIO
Muestras secadas en estufa (110ºC)
Ensayo
Contracción
lineal
(Diámetro)
Contracción lineal
(Espesor )
Pérdida de
peso
1
3,57%
6,35%
18,01%
2
1,12%
7,58%
23,91%
3
1,49%
5,63%
21,04%
2,06%
6,52%
20,99%
PROMEDIO
150
ANEXO VI
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SIMULADOR DE LLUVIA
Un simulador de lluvia permite cuantificar infiltración y escorrentía. Permite
manipular la intensidad de lluvia, duración, energía cinética. Debe ser portable y
versátil. El mini simulador que se construyó tiene su base en el propuesto por Monge
(2008). El mini simulador consta de tres partes principales:
·
Regadera con un regulador de presión interno
La regadera utiliza el principio de la Botella de Mariotte que permite alcanzar una
velocidad constante de efusión simultáneamente para un líquido y un gas (Jamorato,
2011, p. 12). Se emplea un recipiente con uno o más orificios cerca de su base, en
su garganta se ajusta perfectamente un tubo de vidrio. Se llena de agua el recipiente
al bloquear la salida de agua por los orificios inferiores, el nivel siempre deberá
permanecer a una altura h por encima del nivel marcado por el tubo horizontal. La
Figura A.VI.1 esquematiza el principio de la Botella de Mariotte descrito.
Figura A.VI. 1 Esquema Botella de Mariotte
El agua fluye a velocidad constante por los orificios horizontales, a pesar de que el
nivel del agua descienda siempre y cuando se mantenga el nivel sobre la altura h.
Se observan la entrada de burbujas de aire por el tubo vertical, con ello se constata
la velocidad de efusión constante para el aire.
151
La regadera se compone de dos primas acoplados que hacen las veces de la Botella
de Mariotte. Esta se construyó en acrílico de 6 mm de espesor. El prisma superior se
construyó con las siguientes dimensiones: 13 cm x 22 cm x 13cm. Mientras que la
base 27 cm x 5 cm x 27 cm. La Figura A.VI.2 muestra un esquema de las
dimensiones de la regadera. Ambos prismas se ajustan perfectamente para evitar la
entrada de aire y la alteración del flujo constante.
La regadera cuenta con una regleta que permite controlar la altura de agua en el
reservorio. Además cuenta con un agujero de aeración por el cual se llenará la
regadera. Adicionalmente el tubo vertical, cuenta con un tapón el mismo que se usa
en el proceso de llenado. En la base del prisma inferior se encuentran distribuidos
195 agujeros (Bielders, 1994, p.168) en forma octagonal, lo que permite excluir las
esquinas y aprovechar la mayor superficie. Los agujeros tienen una distancia entre
sí de 15 mm. Cada agujero tiene un diámetro de 6 mm. En cada agujero se
colocaron agujas hipodérmicas 21G X 1 ½, esto permitió que el tamaño sea
uniforme. En la Figura A.VI.3 se muestra el esquema de los agujeros.
Figura A.VI. 2 Dimensiones del reservorio del simulador de lluvia
152
Figura A.VI. 3 Esquema de los agujeros en el simulador de lluvia
(Bielders, 1994, p.168)
·
Soporte ajustable de aluminio.
La regadera se sostiene en un soporte ajustable de aluminio de 50 cm de longitud.
En sus bases se encuentran tornillos regulables que permiten variar la altura del
soporte y por tanto la energía cinética asociada a las gotas de lluvia.
·
Armazón de acrílico para el terreno
Esta actúa como una barrera, evita movimientos laterales del agua. Se ajusta
perfectamente a la parte baja del soporte de aluminio.
·
Accesorios
La regadera es alimentada por medio de una manguera desde un reservorio de
agua, que se coloca sobre el nivel del simulador. Se requiere una canaleta que se
adapte al armazón de acrílico, además de una caja de recolección de muestras. La
Figura A.VI.4 muestra un esquema del equipo y sus accesorios.
153
Figura A.VI. 4 Esquema del mini simulador de lluvia
(Monge, 2008, p.14)
CALIBRACIÓN DEL EQUIPO
El simulador de lluvia debe ser calibrado antes de su operación. El rango de
descarga debe mantenerse constante durante la simulación. Las agujas no deben
presentar obstrucciones y la temperatura del agua debe ser controlada, puesto que
su viscosidad interfiere en el rango de descarga. El principal parámetro a tomar en
cuenta, es la intensidad de lluvia. Es necesario conocer la relación que guarda la
altura del tubo vertical con la intensidad de lluvia. Se realizaron varios ensayos con
el tubo vertical colocado en distintas alturas. El procedimiento llevado a cabo para la
calibración del simulador de lluvia se detalla a continuación.
·
Antes de cualquier calibración u operación del equipo se debe tomar la
temperatura del agua, puesto que la viscosidad de la misma interviene en las
mediciones.
·
Se volteó el reservorio, cerró el tubo de aeración y usó el tanque de
almacenamiento de agua y la manguera para alcanzar un volumen de agua
conocido. Se anotó el nivel de agua alcanzado. La Figura A.VI.5 muestra el
esquema de llenado del simulador.
154
Figura A.VI. 5 Esquema llenado simulador de lluvia
(Monge, 2008, p.12)
·
Se colocó el equipo en posición sin retirar el tapón de aeración.
·
Se retiró el tapón, colocó el tubo vertical en la altura determinada e inició el
cronómetro a la par.
·
Una vez transcurrido el tiempo de operación, se colocó el tapón y anotó el
nivel de agua en el reservorio.
·
La intensidad de lluvia para cada ensayo se obtuvo por diferencia de altura en
el reservorio, en el tiempo transcurrido en cada prueba.
·
‫ ܽ݅ݒݑ݈݈݀ܽ݀݅ݏ݁ݐ݊ܫ‬ൌ
݄௔௡௧௘௦ௗ௘௟௔௦௜௠௨௟௔௖௜×௡ െ ݄ௗ௘௦௣௨±௦ௗ௘௟௔௦௜௠௨௟௔௖௜×௡
‫݊×݈݅ܿܽݑ݉݅ݏ݋݌݉݁݅ݐ‬
[A.VI.1]
Mediante una regresión lineal simple, se obtuvo la relación entre la altura del
tubo vertical y la intensidad de lluvia. Todos los ensayos de infiltración fueron
efectuados a 30 mm/h.
Otro parámetro que debe ser calibrado es el diámetro de gota. Para ello se utilizó el
método de las bolitas de harina propuesto por (Asseline, 1978, p. 326). El
procedimiento llevado a cabo fue el siguiente:
·
Bajo el simulador se coloca un recipiente lleno de harina
·
Se volteó el reservorio, cerró el tubo de aeración y usó el tanque de
almacenamiento de agua y la manguera para alcanzar un volumen de agua
conocido.
·
Se colocó el equipo en posición sin retirar el tapón de aeración.
155
Se retiró el tapón, colocó el tubo vertical en la altura determinada y se inició la
·
simulación.
El agua al entrar en contacto con la harina formó pequeños pellets, se evitó
·
que las gotas caigan más de una vez sobre el mismo lugar.
Los pellets son pesados en una balanza analítica por separados, se usa la
·
relación propuesta por Asseline (1978) para encontrar su diámetro
‫ܦ‬ௗ ൌ ͳ͵Ǥͳͺ‫ܯ‬௙଴Ǥଷସ
[A.VI.2]
Dónde:
‫ܦ‬ௗ = Diámetro de la gota en mm
‫ܯ‬௙ = Masa del pellet de harina en gramos.
La Figura A.VI.6 muestra los pellets de harina formados durante el ensayo.
Figura A.VI. 6 Pellets de harina para la determinación del tamaño de gota
EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA DE LA PASTA DE CONFINAMIENTO AL
IMPACTO DE LAS GOTAS DE LLUVIA
‫ ܿܧ‬ൌ
ͳ
݉‫ ݒ‬ଶ
ʹ
Dónde:
݉: Masa de las gotas de lluvia
[A.VI.3]
156
‫ݒ‬: Velocidad terminal de las gotas de lluvia
Las masas de las gotas de lluvia se obtuvieron a partir de su diámetro calculado bajo
la ecuación A.VI.4 y al considerar la densidad del agua como 1 kg/m3.Mientras que
la velocidad terminal, está relacionada con la altura de caída de la gota y se
considera que la velocidad inicial es nula. Cobo (1999) sugiere la siguiente relación
para su cálculo:
݃
݃
‫ ݒ‬ൌ ඨ൬ െ ൬ െ ‫ ݋ݒ‬ଶ ൰ ݁ ିଶ௑ఊ ൰
ߛ
ߛ
[A.VI.4]
Dónde:
݃: Valor gravedad (m2/s]
ߛ: Coeficiente rozamiento (m-1)
‫݋ݒ‬: Velocidad inicial (m/s)
ܺ: Altura de caída de la gota (m)
Se evaluaron 5 distintas alturas de caída de las gotas: 50, 52, 54, 56 y 58 cm.
157
ANEXO VII
CRITERIOS SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS PARA LA
PRODUCCIÓN DE 100 TON/DIA DE PASTA FORMULADA
Objetivo: Determinar capacidades y seleccionar los equipos adecuados para la
producción de 100 ton/día de pasta cerámica para la contención de relaves
sulfurados de minería.
BALANCE DE MASA EN LA AMASADORA
El amasado es la operación principal en la producción de la pasta cerámica, el
balance de masa en esta etapa permitió conocer los flujos másicos de materia prima
requeridos para generar 100 ton/día de producto.
Arcilla importada (A)
Desecho cerámico (D)
27,61 % Humedad
38,13 % Humedad
MEZCLADO
Pasta formulada (P)
‫݁ݏܽܤ‬ǣ
ͳ݄‫ܽݎ݋‬
32
% Humedad
‫ܽݑ݈݃ܽ݁݀݁ܿ݊ܽܽܤ‬
ܱǡ ʹ͹͸ͳ‫ ܣ‬൅ Ͳǡ͵ͺͳ͵‫ ܦ‬ൌ Ͳǡ͵ʹ‫ܦ‬
ܲ‫ܽݐݏܽ݌݈ܽ݁݀݊×݅ܿݎ݋݌݋ݎ‬
ͷǡ͸͹‫ ܣ‬ൌ ‫ܦ‬
ܱǡ ʹ͹͸ͳ‫ ܣ‬൅ ʹǡͳ͸ͳ‫ ܣ‬ൌ Ͳǡ͵ʹܲ
ʹǡͶ͵ͺͳ‫ ܣ‬ൌ Ͷǡͳ͸ሺͲǡ͵ʹሻ
‫݊݋ݐ‬
݇݃
՜ ͷͶͷǡͻ
݄‫ܽݎ݋‬
݄‫ܽݎ݋‬
݇݃
‫݊݋ݐ‬
՜ ͵Ͳͻ͸
‫ ܦ‬ൌ ͵ǡͲͻ͸
݄‫ܽݎ݋‬
݄‫ܽݎ݋‬
‫ ܣ‬ൌ ͲǡͷͶͷͻ
158
Al usar los datos de densidad relativa encontrados experimentalmente se obtiene el
flujo volumétrico de cada una de las materias primas.
‫ ܣ‬ൌ ʹǡͺͲͳ݃‫݉݌‬
‫ ܦ‬ൌ ͳʹǡͷͲ͹݃‫݉݌‬
159
ANEXO VIII
HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS PRINCIPALES
160
161
162
ANEXO IX
PRUEBAS CERAMICAS Y FÌSICAS
Determinación del límite líquido
Los ensayos se realizaron para cada una de las nueve formulaciones, de la siguiente
manera:
·
150 g de materia prima (desecho cerámico-arcilla) de acuerdo a las
formulaciones propuestas fueron secados al ambiente por un periodo de 24 horas.
Una vez secas se usó un tamiz malla No.40 para eliminar la porción mayor a 425
µm.
·
Se agregó 38 mL de agua destilada a los 150 g de materia prima seca y
pulverizada. Se amasó la mezcla y se dejó reposar por 24 horas en una funda
plástica sellada.
·
Con la ayuda de una espátula se colocó una porción de la muestra en la taza
de la Copa de Casagrande; se evitó la incorporación de burbujas de aire. Se niveló
la muestra a un espesor máximo de 10 mm.
·
Se dividió la muestra con el acanalador, se procuró que las mitades sean
semejantes.
·
Se giró la manivela de la Copa de Casagrande con una frecuencia de 2
golpes por segundo. Se contabilizó el número de golpes necesarios para que las
divisiones de la muestra se unieran en un tramo de 10 mm.
·
Se tomó una alícuota del fondo del surco de la taza. Se determinó su
humedad con un crisol previamente tarado.
·
La operación se repitió varias veces con distintos contenidos de humedad
inicial para la misma formulación.
·
La curva de fluidez fue construida para cada formulación. La humedad
correspondiente a 25 golpes determinó el límite líquido de cada una. En la Figura
A.IX.1 se muestra la ejecución del ensayo de determinación del límite plástico
163
Figura A.IX. 1 Determinación del límite líquido
Determinación del límite plástico
El límite plástico permitió conocer la humedad que se presenta entre los estados
semisólido y plástico de las distintas formulaciones. El procedimiento llevado a cabo
se detalla a continuación.
·
Se empleó 10 g de la muestra preparada para la determinación del límite
líquido. Se amasó hasta conformar una esfera homogénea. Posteriormente sobre
una superficie se aplicó presión hasta formar un cilindro.
·
Se amasó el cilindro hasta alcanzar un diámetro de 3 mm. Una vez alcanzado
esta medida, se reamasó la muestra y se volvió a conformar un cilindro. Este
proceso se repitió hasta la aparición de grietas. El cilindro que evidencia fracturas
fue divido en fracciones de 0,5 cm a 1 cm de largo.
·
Se determinó la humedad de los cilindros fraccionados, con un crisol
previamente tarado.
·
El proceso se repitió por varias ocasiones, el resultado proviene de una media
simple de todos los ensayos.
En la Figura A.IX.2 se muestra la ejecución del ensayo de determinación del límite
plástico
164
Figura A.IX. 2 Determinación del límite líquido
El límite plástico se calcula de acuerdo a la siguiente relación:
‫ ܲܮ‬ൌ
‫݈ܽܿݖ݈݁݉ܽ݊݁ܽ݀݅݊݁ݐ݊݋ܿܽݑ݃ܽ݁݀ܽݏܽܯ‬
ൈ ͳͲͲ
ܲ݁‫ܽܿ݁ݏܽݎݐݏ݁ݑ݈݉ܽ݁݀݋ݏ‬
[A.IX.1]
Determinación del índice de plasticidad
El índice de plasticidad corresponde a la diferencia entre el límite líquido y plástico.
No todas las formulaciones permitieron el cálculo del índice de plasticidad, puesto
que algunas de ella superaron los 45 golpes en la prueba del límite líquido. Viera
(2011) sugiere clasificar como no plásticas (NP) a estas muestras.
Evaluación de los porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso de las pastas
cerámicas
Los porcentajes de contracción lineal y pérdida de peso se efectuaron en muestras
frescas, secas al ambiente por 24 horas y secas en la estufa a 110 ºC por 4 horas. El
procedimiento llevado cabo se detalla a continuación.
165
·
200 g de cada una de las formulaciones seleccionadas fueron preparadas. La
humedad de cada una de ellas se definió en los ensayos cerámicos. Las
muestras fueron maceradas en fundas plásticas por un período de 24 horas.
·
Con un molde de yeso, se conformaron probetas cilíndricas. Se determinó el
diámetro y espesor de cada una de ellas con un calibrador, al igual que su
peso en una balanza analítica.
·
Las mediciones se efectuaron a las probetas secas y frescas. La Figura
A.IV.3 esquematiza el proceso descrito.
5 cm
21 cm
Figura A.IX. 3 Esquema ensayos físicos aplicados a las pastas formuladas
Año 3
-$ 2 611,00
-$ 2 611,00
Flujo neto
Valor residual
Amortización
Préstamo
-$ 348 221,05
$ 107 975,52
-$ 186 257,77
Capital de trabajo
$ 3 222,62
$ 10 272,97
$ 2 611,00
Depreciación
-$ 269 938,80
-$ 9 661,35
Utilidad neta
Inversiones
$ 19 180,85
$ 38 645,41
$ 8 876,70
$ 11 060,91
$ 2 611,00
-$ 4 795,21
-$ 76 723,42
-$ 154 581,66
Utilidad antes de
impuestos
Impuestos (25%)
Depreciación
-$ 74 112,42
-$ 151 970,66
Utilidad bruta
-$ 7 493,79
-$ 8 281,72
Intereses
-$ 59 449,30
-$ 59 449,30
Costos fijos
Año 4
$ 25 675,69
$ 12 822,72
$ 2 611,00
$ 10 241,97
-$ 40 967,90
$ 163 871,59
-$ 2 611,00
$ 166 482,59
-$ 5 731,97
-$ 59 449,30
$ 549 449,90
Año 5
$ 38 053,07
$ 13 806,22
$ 2 611,00
$ 21 635,85
-$ 86 543,39
$ 346 173,56
-$ 2 611,00
$ 348 784,56
-$ 4 748,47
-$ 59 449,30
$ 730 768,37
Año 6
$ 54 241,29
$ 14 856,16
$ 2 611,00
$ 36 774,13
-$ 147 096,52
$ 588 386,06
-$ 2 611,00
$ 590 997,06
-$ 3 689,53
-$ 59 449,30
$ 971 921,93
Tabla A.X.1 Flujo fondos del proyecto
$ 16 184,56
$ 11 909,28
$ 2 611,00
$ 1 664,28
-$ 6 657,12
$ 26 628,48
-$ 2 611,00
$ 29 239,48
-$ 6 645,41
-$ 59 449,30
$ 413 120,23
-$ 317 786,04 -$ 317 786,04 -$ 317 786,04 -$ 317 786,04 -$ 317 786,04 -$ 317 786,04
Año 2
$ 310 616,71
Costos variables
Año 1
$ 233 546,40
Año 0
Ingreso por ventas
Designación
FLUJO DE CAJA
ANEXO X
FLUJO FONDOS DEL PROYECTO
Año 7
$ 75 507,60
$ 16 005,32
$ 2 611,00
$ 56 891,28
-$ 227 565,12
$ 910 260,46
-$ 2 611,00
$ 912 871,46
-$ 2 549,37
-$ 59 449,30
-$ 317 786,04
$ 1 292 656,17
Año 8
Año 9
Año 10
-$ 59 449,30
-$ 317 786,04
-$ 59 449,30
-$ 317 786,04
-$ 2 611,00
-$ 2 611,00
$ 103 472,97
$ 17 232,93
$ 2 611,00
$ 83 629,04
-$ 334 516,15
$ 121 781,82
$ 2 611,00
$ 119 170,82
-$ 476 683,29
$ 168 942,52
$ 2 611,00
$ 166 331,52
-$ 665 326,10
$ 1 338 064,60 $ 1 906 733,16 $ 2 661 304,39
-$ 2 611,00
$ 1 340 675,60 $ 1 909 344,16 $ 2 663 915,39
-$ 1 321,77
-$ 59 449,30
-$ 317 786,04
$ 1 719 232,70 $ 2 286 579,50 $ 3 041 150,73
166
166