DESCRIPCIÓN

El objeto principal de la presente invención es un sistema y un procedimiento para la neutralización de aguas ácidas provenientes de las minas y la recuperación de su carga metálica, mediante energía obtenida de fuentes renovables.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

De todas las causas de contaminación de los cursos fluviales, quizás el drenaje ácido de minas, AMD, sea una de las más graves, por su naturaleza, extensión y dificultad de resolución. Los ríos afectados por este tipo de contaminación se caracterizan por su acidez, así como por el alto contenido en sulfatos y metales pesados de sus aguas.

Este tipo de contaminación se origina cuando un mineral sulfuroso entra en contacto con el oxígeno y la humedad atmosférica; en la superficie del mineral comienza entonces un complejo mecanismo que se inicia con la oxidación de los sulfuros, muy insolubles, transformándolos en sulfatos con producción de ácido. La cinética de esta oxidación por oxigeno es muy lenta, entre 1,08.10-15 a 1,8. 10-14 mol/(cm2. s) , pudiendo aumentar su velocidad hasta cien veces por la presencia de ión férrico y por la actuación de bacterias catalizadoras . Junto a la oxidación de la pirita finalmente, se producen reacciones secundarias entre los productos de las reacciones anteriores y los restantes minerales presentes en la roca, siendo el resultado final un conjunto de contaminantes solubles depositados sobre el mineral, que posteriormente son disueltos y arrastrados por el agua de lluvia o de escorrentía, produciéndose un caudal líquido contaminante que lleva su acidez, sus sulfatos y metales pesados hasta los cursos de agua . La contaminación de origen metálico en medios acuáticos tiene unas posibilidades de ocurrencia muy altas, dado que de los 106 elementos conocidos, 84 se clasifican como metales. Dentro de estos 84 metales, se consideran como metales pesados, aquellos cuyo peso especifico es mayor de 4 o 5 g/cm3, siendo los más comunes hierro, cobre, cinc, plomo, manganeso, cromo, níquel, arsénico, mercurio y cadmio. La toxicidad de ciertos metales pesados a determinadas concentraciones ha originado numerosos incidentes. La contaminación por metales pesados de un agua reviste gravedad en base a tres razones fundamentales:

a) A diferencia de la materia orgánica, los metales pesados no son biodegradables, por lo que permanecen en el medio contaminado de forma indefinida, salvo procesos de transporte a otros medios.

b) Los metales pesados, una vez que los microorganismos y la microflora los incorpora, pueden ser retenidos por los tejidos del organismo, produciéndose el fenómeno de la bioacumulación. Así, en organismos filtradores se han encontrado factores de concentración de 290.000 para el zinc, 100.000 para el plomo, 35.000 para el cobre y 500 y 100 para el cromo y níquel respectivamente. Los metales acumulados se pueden transmitir a otras especies situadas en un nivel superior de la cadena trófica, produciéndose el fenómeno conocido como biomagnificación . Mediante la bioacumulación y la biomagnificación, se llegan a alcanzar valores mucho más elevados que los encontrados en el medio líquido.

c) Los metales pesados, desde el punto de vista de su influencia en la fisiología animal, pueden clasificarse en esenciales y no esenciales; así, ciertos metales pesados como cobre, zinc y manganeso son micronutrientes esenciales para plantas y animales, y sólo llegan a ser letales en elevadas concentraciones. El organismo los necesita dentro de un intervalo óptimo, por debajo del cual se produce estados carenciales y por encima toxicidad. Igualmente, los metales pesados no esenciales presentan para cada individuo un valor, por debajo del cual es tolerable y por encima tóxico. La entrada en vigor de normativas reguladoras de la composición química de los vertidos de origen minero, ha provocado severas restricciones para las empresas mineras que se han traducido en costes de restauración millonarios y que han provocado el cierre de numerosas explotaciones de sulfuros. De más de cien minas abiertas en el Suroeste de la Península Ibérica a mediados del siglo pasado, apenas quedaron tres en funcionamiento a finales del mismo. Por otra parte, el precio actual del cobre, en claro proceso de aumento, provocado, en buena parte, por la gran demanda desde países asiáticos, está permitiendo, bajo severas restricciones, y con elevados costes de prevención y restauración de la contaminación hídrica, el esperado resurgir de la minería metálica en Europa.

Las técnicas preventivas y correctoras que se resumen vienen siendo empleadas en diferentes instalaciones, no existiendo un patrón común, y dependiendo la elección de cada sistema corrector de diferentes factores como, exigencias impuestas por las normativas nacionales, autonómicas y locales, tipo de mineral, tamaño de las explotaciones, caudal y composición química del efluente a tratar.

Entre las técnicas empleadas como medidas preventivas caben citar los métodos de barrera, los métodos químicos y los de inhibición bacteriana, todos ellos conducentes a la con contaminación de las aguas.

Una vez contaminada el agua, las técnicas al uso más frecuentemente empleadas como medidas correctoras para remediar o paliar el proceso son, entre otras, las plantas de neutralización química, la neutralización con aguas no contaminadas, la osmosis inversa, el intercambio iónico, los tratamientos biológicos y en ciénagas, las trampas calizas anóxicas, la biolixiviación de escombreras, la electrocoagulación, y un sinfín de variantes y combinaciones de las anteriores. El denominador común de todas ellas puede resumirse en un elevado coste de instalación y mantenimiento, en el caso de las que realmente consiguen como resultado final un agua de vertido que cumpla la normativa, o un escaso rendimiento para otras, más baratas, que provocan vertidos con contaminantes residuales indeseables .

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN Para evitar los problemas descritos, se ha desarrollado el sistema y método para la neutralización de aguas ácidas de mina y recuperación de carga metálica, objeto de la presente invención y que es del tipo que consiste en aprovechar una energía renovable para evaporar el agua ácida procedente de la mina y recuperar el mineral desecado, y que comprende, al menos

(i) unos primeros medios de generación de energía renovable; y

(ii) unos segundos medios evaporadores de agua contaminada por AMD y extracción de su carga metálica, y que se caracteriza porque (a) comprende un evaporador continente del agua contaminada por AMD hasta llevarla a su punto de ebullición, para lo cual se emplea un calentador por cuyo interior pasa un fluido térmico a elevada temperatura proviniendo dicho fluido de los primeros medios de generación de energía y una pluralidad de eyectores o bombas de vacío configuradas para bajar el punto de ebullición del agua ácida mediante la generación de vacío en el interior del evaporador; y (b) una vez que el agua contaminada por AMD se hace vapor, todos los materiales contaminantes que estaban disueltos en ella precipitan al fondo del evaporador, siendo movidos por un agitador; y porque cuando el nivel del material depositado alcance una altura prefijada por la propia operación de la planta, en el fondo del evaporador se desliza una compuerta de corredera accionada por un motor, la cual permite el vaciado del evaporador con una válvula de llenado cerrada; y donde una vez vaciado el evaporador, la compuerta se cierra, se abre la válvula y comienza un nuevo ciclo llenado-evaporación-vaciado. A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

FIG. 1 muestra un esquema de principio de uno de los módulos (los demás hasta el número N necesario -dependiendo del caudal de tratamiento- de la instalación serían todos análogos) que forman la planta de neutralización de aguas ácidas de mina y recuperación de su carga metálica.

FIG. 2 muestra un campo de sistemas de aprovechamiento de energía renovable, energía solar, que proporcionan la energía eléctrica necesaria para los sistemas que lo necesiten presentes en el esquema de la FIG.l.

EXPOSICION DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN Y EJEMPLOS

El objeto de la invención consiste en aprovechar una energía renovable, como es la energía solar, para evaporar el agua ácida procedente de la mina y recuperar el mineral desecado. En la Figura 1 se muestra un esquema de principio de uno de los módulos (los demás hasta el número N necesario -dependiendo del caudal de tratamiento- de la instalación serían todos análogos) que forman la planta de neutralización de aguas ácidas de mina y recuperación de su carga metálica. El proceso consiste en calentar en un evaporador (1) el agua contaminada por AMD (2) hasta llevarla a su punto de ebullición, para lo cual se emplea un calentador (3) por cuyo interior pasa un fluido térmico a elevada temperatura (aprox. 400° C) . El punto de ebullición del agua ácida puede ser bajado drásticamente (hasta en torno a los 40 °C) realizando vacio en el interior del evaporador (1); para ello se pueden utilizar eyectores de vapor o bombas de vacio (no dibujados en el esquema de la Figura 1) .

Una vez que el agua contaminada por AMD se hace vapor, todos los materiales contaminantes que estaban disueltos en ella precipitan al fondo (4) del evaporador (1) . Con objeto de que el material precipitado no se apelmace, el evaporador (1) tiene en su interior un agitador (5) movido por un motor. Cuando el nivel del material depositado alcance una altura prefijada por la propia operación de la planta, en el fondo del evaporador (1) se desliza una compuerta de corredera accionada por un motor (6), la cual permite el vaciado del evaporador (1). En caso de ser necesario -no dibujado en la figura 1- la base del evaporador puede estar dotada de una mesa de sacudidas accionada por una leva excéntrica, iniciándose el movimiento de sacudidas en el momento de apertura para favorecer la caída del material decantado hacia fuera del evaporador (1) . Durante el proceso de vaciado de éste, la válvula de llenado (7) ha de estar cerrada. Una vez vacío el evaporador, la compuerta (6) se cierra, se abre la válvula (7) y comienza un nuevo ciclo.

En general, una instalación completa constará de N evaporadores análogos al descrito y esquematizado en la Figura 1, con lo cual los procesos de llenado con aguas contaminadas por AMD y vaciado de los materiales disueltos en ellas, se hará de forma sincronizada, con objeto de que no haya tiempos de espera; para ello se implementará el sistema de control adecuado.

Los contaminantes extraídos de cada uno de los N evaporadores van a parar a una cinta transportadora (8) que los recorre todos. Ésta va depositando de forma continua el material transportado (9) hasta las cubetas o los contenedores habilitados para ello (10) . Respecto del vapor producido (11), éste tiene 3 cometidos fundamentales. La mayor cantidad de vapor irá, a través de un condensador (12) y ya licuado, a una torre de refrigeración (13) para su enfriamiento. Esta agua enfriada y limpia irá, en una pequeña parte a alimentar (14) el condensador y, en gran medida, a la tubería (15) que alimente el cauce o cauces del entorno. El segundo cometido del vapor producido será generar una línea de vapor, de la presión adecuada, para toda la instalación (16) . El último cometido del vapor generado será que una pequeña parte del mismo sea inyectada (17) en la camisa del evaporador (éste ha debido ser construido con esta característica) , lo cual provocará un precalentamiento de éste y, como consecuencia, una mayor eficiencia energética del proceso . Los posibles "arrastres" no deseados de materia particulada potencialmente transportados por el vapor de agua a la salida de cada evaporador, pueden ser recogidos en un sifón u otro elemento retenedor de partículas antes de su incorporación a los circuitos de vapor.

Con objeto de hacer todo el proceso completamente renovable y limpio, la energía necesaria para que el calentador (3) eleve la temperatura del agua contaminada por AMD (2) hasta llevarla a su punto de ebullición, será obtenida según los siguientes ejemplos prácticos.

Ejemplo 1: el sistema funciona sólo de dia y es 100% renovable.

En este caso se dispone de un campo de reflectores cilindro parabólicos (18) en número M acorde con las necesidades energéticas de la instalación. Los componentes principales del reflector cilindro parabólico son: la superficie especular (19) del cilindro parabólico se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da la suficiente rigidez. Esta superficie refleja los rayos del sol sobre un tubo absorbedor (20) calentándolo. El tubo absorbedor consta de dos tubos concéntricos separados por una capa de vacío. El interior, por el que circula el fluido térmico que se calienta (un aceite por ejemplo) , es metálico, y el exterior de cristal. Con objeto de optimizar el funcionamiento del cilindro parabólico de modo que siempre esté de cara al sol en el recorrido de éste por el horizonte, el sistema consta de un seguidor solar (21) , un dispositivo que rota los reflectores cilindro parabólicos del colector alrededor de un eje. Por último, la estructura mecánica (22) del colector tiene por objeto dar rigidez al conjunto de elementos que lo componen.

En el funcionamiento diurno las válvulas (23) están cerradas y la recirculación del fluido térmico se produce a través del reflector cilindro parabólico, de modo que el fluido calentado (hasta 400 °C) es impulsado por una bomba (25) hasta el calentador (3) para provocar la ebullición del agua contaminada por AMD. El fluido enfriado (26) vuelve, mediante la impulsión de una bomba (27) al reflector cilindro parabólico para ser de nuevo calentado. El circuito consta además de un vaso de expansión (28) con objeto de absorber las dilataciones y cambios de volúmenes que se originen, de modo que no se creen sobre presiones.

Ejemplo 2: el sistema funciona de dia y de noche de forma continua y es 100% renovable.

Durante el día el proceso es el ya descrito, sin embargo, cuando la luz solar decae de un cierto nivel, el fluido térmico ya no alcanza la temperatura adecuada, con lo cual se le impide el paso al reflector cilindro parabólico (cerrando las válvulas (29) ) y se le obliga, abriendo las válvulas (23) , a circular por un calentador eléctrico (30) . Este calentador puede ser externo al evaporador (1) o interno, concéntrico con el que aloja (3) el fluido térmico. Por supuesto, con objeto de hacer el sistema renovable, la energía eléctrica necesaria es generada también de forma limpia y no contaminante. El procedimiento para hacer esto se explica en la Figura 2.

La Figura 2 muestra un campo de paneles solares que, durante el día, proporciona la energía eléctrica necesaria para los sistemas que lo necesiten presentes en el esquema de la Figura 1 (dependiendo del grado de automatización que se le dé a la planta, serán fundamentalmente sistemas de instrumentación y control, así como motores y bombas) . Además de lo anterior, el campo de paneles alimenta a un electrolizador, el cual a partir de agua genera hidrógeno que es almacenado en un tanque. Durante el día, el vapor del circuito de la instalación (16 en Figura 1) alimenta a una turbina que, junto a los paneles, genera energía eléctrica de forma no contaminante. En el caso de que la energía eléctrica generada sea superior a la demandada por la instalación, ésta puede ser vendida a la red eléctrica .

Durante la noche, cuando los paneles solares y los reflectores cilindro parabólicos no actúan, el hidrógeno generado durante el día sirve para alimentar una pila de combustible de alta temperatura (> 400 °C) . Ésta genera electricidad mediante hidrógeno sin producir residuos contaminantes y, la reacción exotérmica que produce, permite realizar cogeneración, lo cual alimenta la línea de vapor que mueve a la turbina.

El banco de baterías (Figura 2) es un sistema únicamente de respaldo, con objeto de mantener sistemas críticos ante cualquier fallo y garantizar la energía eléctrica necesaria para arrancar la pila (sus sistemas electromecánicos) , ya que cuando ésta está en marcha se auto abastece. Ejemplo 3: el sistema funciona de dia o también de noche y es en parte renovable.

Se puede dar la circunstancia que, dependiendo del tipo de explotación o de las necesidades de la empresa explotadora, se plantee la posibilidad de instalar un sistema mixto renovable/red eléctrica o con una caldera de apoyo alimentada por cualquier combustible. En este caso el esquema de la Figura 1 se mantendría en su totalidad. Sin embargo, en la Figura 2 ya no estarían: campo de paneles solares, electrolizador, tanque de hidrógeno y pila de combustible. Esto es, las necesidades de energía de la planta durante el día y la noche (mayor, ya que el campo de reflectores cilindro parabólicos no actúa) deberían ser satisfechas mediante conexión a la red eléctrica o por medios propios, tales como una caldera que genere el vapor suficiente para mover una turbina.