Desarrollo de un prototipo de sensor virtual para monitorear el proceso de neutralización de aguas ácidas con cal

Abstract

El drenaje ácido de mina representa una de las principales fuentes de contaminación ambiental en la industria minera, caracterizado por soluciones con alto contenido de metales disueltos y bajo pH. En ello radica la necesidad de realizar un tratamiento adecuado para evitar impactos en ecosistemas cercanos. Para abordar esta problemática, se desarrolló un prototipo de sensor virtual orientado al monitoreo y predicción dinámica de variables de respuesta clave como la conductividad iónica y el potencial redox durante el proceso de neutralización de soluciones ácidas, mediante la integración de datos experimentales con simulaciones geoquímicas realizadas en el software PHREEQC. La metodología aplicada se estructuró en tres etapas principales: calibración del modelo geoquímico a partir de datos experimentales obtenidos en laboratorio, validación del modelo ajustado y análisis de sensibilidad para evaluar la robustez de los parámetros estimados. En primera instancia, se calibraron los parámetros cinéticos asociados a la disolución de portlandita empleando la Solución 1, neutralizando con una concentración de 10% (CaO) de lechada de cal. Posteriormente, estos parámetros se mantuvieron constantes para neutralizar la Solución 2 por medio del mismo reactivo alcalino, incorporando ajustes únicamente sobre las constantes cinéticas del modelo de precipitación de yeso y la formación de hidróxido férrico. Finalmente, para validar la generalización del modelo, los parámetros obtenidos se utilizaron directamente en una tercera prueba con la misma Solución 2, neutralizando esta vez con una concentración del 5% (CaO) de lechada de cal, confirmando su aplicabilidad sin pérdida significativa de precisión en la simulación del proceso. Asimismo, se desarrolló y ajustó un modelo cinético simplificado para la formación de yeso, validado por comparación con balances estequiométricos del precipitado sólido(...). Acid mine drainage represents one of the main sources of environmental contamination in the mining industry, characterized by solutions with high concentrations of dissolved metals and low pH. This highlights the need for proper treatment to prevent impacts on nearby ecosystems. To address this issue, prototype virtual sensor was developed for the monitoring and dynamic prediction of key response variables, such as ionic conductivity and redox potential, during the neutralization of acidic solutions, through the integration of experimental data with geochemical simulations performed using the PHREEQC software. The applied methodology was structured in three main stages: calibration of the geochemical model based on experimental data obtained in the laboratory, validation of the adjusted model, and sensitivity analysis to assess the robustness of the estimated parameters. Initially, the kinetic parameters associated with the dissolution of portlandite were calibrated using Solution 1, neutralized with a 10% concentration of lime slurry (CaO). These parameters were then held constant to simulate the neutralization of Solution 2 using the same alkaline reagent, applying adjustments only to the kinetic constants for the gypsum precipitation and ferric hydroxide formation models. Finally, to validate the generalization of the model, the parameters obtained were directly used in a third test with the same Solution 2, this time neutralized with a 5% concentration of lime slurry, confirming their applicability without significant loss of simulation accuracy. In addition, a simplified kinetic model for gypsum formation was developed and adjusted, validated through comparison with stoichiometric balances of the solid precipitate(...).