obtencion de urea a partir de los efluentes provenientes de los

OBTENCION DE UREA A PARTIR DE LOS EFLUENTES
PROVENIENTES DE LOS PROCESOS DE CIANURACION DE
MINERALES AUROARGENTIFEROS EN EL
DEPARTAMENTO
DE ANTIOQUIA
MONOGRAFIA PARA OPTAR POR EL TITULO
MAGISTER EN INGENIERIA - RECURSOS MINERALES
CARLOS DARIO LOPEZ RAMIREZ
IMM
DIRECTOR
OSCAR JAIME RESTREPO BAENA
IMM, MSc., Ph.D
FACULTAD DE MINAS
MEDELLIN
2015
1
AGRADECIMIENTOS
Al SENA por facilitarme la flexibilidad horaria en mi trabajo que sin ello
hubiera sido difícil culminar este proceso.
A la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín por brindarme la
oportunidad de ampliar mis conocimientos.
A mis padres que aunque ya no están conmigo se que se sentirían muy
orgullosos por este logro alcanzado.
A los mineros de Segovia por el apoyo recibido a lo largo de todos estos años
en la búsqueda de un ideal.
A mis amigos y compañeros de trabajo por su voz de aliento.
A todas aquellas personas que de una u otra forma trabajan por una minería
más limpia, responsable y justa en Colombia.
2
CONTENIDO
1. INTRODUCCION.
1.1 ANTECEDENTES.
……………………………………………….
……………………………………………….
5
6
Objetivo general.
………………………………………..
Objetivos específicos. ………………………………………..
6
6
1.2 OBJETIVOS.
1.2.1
1.2.2
1.3
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
………………………..
7
1.4
JUSTIFICACIÓN.
………………………………………………..
7
1.5
ALCANCES DEL TRABAJO.
………………………………..
7
2.1 CARATERIZACION DE LOS EFLUENTES DE LOS
PROCESOS DE CIANURACION.
………………………………..
8
2. ESTADO DEL ARTE
2.2
PROCESOS DE NEUTRALIZACION DEL CIANURO MÁS
UTILIZADOS.
………………………………………………..
2.2.1
2.2.2
2.2.3
Oxidación con peróxido.
………………………………..
Oxidación con hipoclorito de sodio (cloración alcalina). ...
Oxidación con ozono.
………………………………..
8
8
9
9
2.3 COMPUESTOS QUE SE GENERAN EN EL PROCESO DE
NEUTRALIZACIÓN DEL CIANURO.
………………………
9
2.4 PROCESOS DE OBTENCION DE LA UREA.
9
……………….
2.4.1 Proceso Wӧhler.
……………………………………….
2.4.2 Proceso industrial DuPont. ……………………………….
2.4.3 Proceso biológico. ……………………………………….
3. DESARROLLO METODOLOGICO
3.1 ELEMENTOS DE LABORATORIO
9
10
10
.......................................................... 13
…………………………………
13
3.1.1 Vidriería.
…………………………………………………
3.1.2 Reactivos químicos. …………………………………………
3.1.3 Soluciones de cianuro provenientes del proceso de lixiviación
13
14
14
3
3.2 DISEÑO EXPERIMENTAL
………………………………………….
14
3.3 VARIABLES DE CONTROL
………………………………………….
14
3.3.1 Variables independientes
…………………………………..
3.3.2 Variable dependiente. o de respuesta
…………………..
3.3.3 Dominio de la variable experimental
…………………..
14
14
14
3.4 FUNCIONAMIENTO DEL METODO UREA BUN COLOR …………… 15
Ureasa
…………………………………………………..... ……. 15
4. RESULTADOS EXPERIMENTALES
…………………..........................
17
………………………………………………………….
………………………………………………………….
………………………………………………………….
………………………………………………………….
………………………………………………………….
………………………………………………………….
………………………………………………………….
…………………………………………………………
…………………………………………………………
………………………………………………………….
………………………………………………………….
17
18
20
20
21
21
22
22
23
24
24
5. ANALISIS DE RESULTADOS ………………………………………….
6. CONCLUSIONES …………………………………………………………
7. BIBLIOGRAFIA …………………………………………………………
25
26
27
4.1 ENSAYO 1
4.2 ENSAYO 2
4.3 ENSAYO 3
4.4 ENSAYO 4
4.5 ENSAYO 5
4.6 ENSAYO 6
4.7 ENSAYO 7
4.8 ENSAYO 8
4.9 ENSAYO 9
4.10 ENSAYO 10
4.11 ENSAYO 11
4
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Ciclo de la úrea.
…………………………………………………………………
11
Figura 2. Estructura de la ureasa……………………………………………
15
Figura 3. Proceso de descomposición de la úrea por la metaloenzima ureasa. … 16
Figura 4. Úrea en formación
……………….………………………………
Figura 5. Amonio en formación.
………………………………………...
18
18
Figura 6. Cristales de úrea. en formación……….…………………………….. 19
Figura 7. Cristales de úrea
……………………………………………..
19
Figura 8. Ensayo: ÚREA/BUN – COLOR.
……………………….....
20
Figura 9. Ensayo fallido para úrea a pH = 14
……………….…………
21
Figura 10. Óxidos metálicos precipitados. ……………….……………...
22
Figura 11. Ensayo: Positivo para úrea
23
……………….………………
5
RESUMEN
El cianuro es uno de los reactivos más utilizados en el proceso de extracción de metales
preciosos; asi como de los más eficientes desde el punto de vista del proceso de disolución;
pero también es un producto toxico que requiere de muchos cuidados en su manejo.
Sin embargo, en los procesos industriales se recurre a la neutralización del cianuro con
peróxido de hidrógeno u otro compuesto oxidante para pasivarlo, aunque esto no garantiza
que se halla eliminado el problema de la contaminación al ambiente, principalmente las
aguas; ello debido a que durante el proceso de neutralización se forma un compuesto
denominado cianato de amonio el cual descompone rápidamente en presencia del aire y la
luz solar en gas carbónico (el cual se evidencia por la fuerte efervescencia durante el proceso
de descomposición) y en gas amoníaco, con su olor característico, ambos se desprenden
durante el proceso de degradación hacia la atmosfera ayudando al efecto invernadero. En
otras palabras se resuelve el problema de contaminar las aguas pero se incrementa la
probabilidad de contaminar el aire.
El cianato de amonio es un compuesto base para la obtención de la úrea, hecho comprobado
experimentalmente primero por Fredrich Wӧhler al obtenerla accidentalmente en 1828. (18)
En el presente trabajo, la presencia de dicho compuesto se comprobó de modo indirecto
durante el proceso experimental que se llevó a cabo, a través del empleo del kit de reactivos
ÚREA/BUN-COLOR (ver ficha técnica anexa). Este método permite la detección de la úrea
en forma de amonio, debido a la descomposición de ésta, por parte de la enzima ureasa; y la
formación de un pigmento denominado azul de prusia, el cual es indicativo de la presencia
del amonio. La concentración de éste aumenta con la intensidad del color. (22)
En los diferentes intervalos de pH en los cuales se hicieron las pruebas, se pudo constatar
que la úrea sólo se forma si la reacción:
2NaCN (s) + 2H2O(l) + 2H2O2
ΔHRXN = -193.02Kcal
Δ
OC(NH2)2(s) + H2CO3(g) + 2NaOH(g) [1]
ΔGRXN = -182.07 cal/mol T ≥ 50°C
Se encuentra cumpliendo estos dos parámetros: rango de pH ácido, pH ≤ 4.5 y se incrementa
la temperatura rápidamente a la solución, inmediatamente se adiciona el reactivo de
neutralización, en este caso peróxido de hidrogeno. Los cristales de úrea comienzan a
formarse a partir de los 50°C. La relación de cianuro/úrea obtenida en esta reacción fue de
1/7.5
Éste resultado es de suma importancia ya que existían especulaciones de que se pudiese
generar cianato de amonio en la reacción de oxidación del cianuro. Por consiguiente al
comprobarse esto se puede afirmar de manera categórica de que es posible la obtención de la
úrea por esta vía.
6
1. INTRODUCCION
En los procesos de la metalurgia extractiva del oro, el uso de la lixiviación con cianuro, es
tal vez el método más empleado a nivel mundial; por la facilidad de la operación, su bajo
costo y altos niveles de recuperación del metal precioso. Sin embargo, la neutralización, en
la mayoría de las plantas de procesamiento, no se hace adecuadamente, y se arrojan a las
corrientes de agua restos de solución con cianuro libre, en concentraciones nocivas para el
medio ambiente sobre todo animales y seres humanos.
Pero si por el contrario, se ha hecho una buena neutralización, a través de reactivos
oxidantes, el cianuro, deja de ser un compuesto tóxico, y por el contrario, debido a esa
reacción, se genera desprendimiento, de amoniaco y gas carbónico a la atmosfera, los
cuales, se evidencian por la fuerte efervescencia de la reacción, y un penetrante olor a
amoniaco, que irritan las mucosas respiratorias y los ojos; no obstante por ser gases de
efecto invernadero se consideran contaminantes.
Este trabajo lo que plantea es utilizar el mismo procedimiento empleado para obtener la úrea
por primera vez; el proceso Wӧhler (18), y así demostrar que es posible bajo condiciones
controladas obtener dicho compuesto.
Durante la etapa experimental, se utilizaron soluciones de cianuro provenientes de
vertimientos sin neutralización previa, los cuales se trabajaron con diferentes intervalos de
pH, que luego de determinar la concentración de este compuesto, utilizando el método
colorimétrico, se realizó el cálculo respectivo del peróxido de hidrógeno que se debía
adicionar y se procedió a calentar toda la mezcla, en algunos casos y en otros no para luego
emplear el kit de ÚREA/BUN-COLOR (Biosystems Reagents & Instruments), ampliamente
utilizado en laboratorio clínico veterinario para determinar presencia de amonio y úrea; en
orina, plasma y leche. La reacción generada por los reactivos del kit permite detectar por
colorimetría, la presencia de úrea en forma de amonio (ya que uno de los reactivos es la
ureasa (úrea amidohidrolasa), enzima que la descompone en amonio, que al ser detectado
por los demás reactivos de titulación produce una coloración azul de prusia, (que aumenta su
intensidad con la concentración de este ión) (22), para luego ser leída la absorbancia de la
muestra a 600nm ± 20nm por medio de espectrofotómetro UV, empleando un patrón de
blanco como referencia, y asi determinar la concentración de la úrea.
No siendo el alcance de este trabajo, determinar la concentración de la úrea, sino establecer,
si es posible obtenerla, este último procedimiento, no se realizó, sino que sólo, se determinó
su presencia vía colorimetría.
Los resultados obtenidos, arrojan que para la formación de la úrea, es necesario, en el
momento de realizar la neutralización, con el peróxido de hidrógeno, se incremente la
temperatura inmediatamente, hasta alcanzar los 50°C, (cuando empiezan a formarse los
cristales de úrea) y continuar incrementándose ésta hasta la evaporación de la solución;
además el pH de la misma, debe de estar en el rango ácido, pH≤ 4.5.
7
La proporción de transformación de CN / ÚREA obtenida fue de 1:7.5 según la reacción
propuesta:
2NaCN (s) + 2H2O(l) + 2H2O2
ΔHRXN = -193.02Kcal
Δ
OC(NH2)2(s) + H2CO3(g) + 2NaOH(g) [1]
ΔGRXN = -182.07 cal/mol T ≥ 50°C
Los óxidos de los metales disueltos, remanentes del proceso de beneficio, precipitan de
manera independiente sobre la úrea, en forma de óxidos (evidenciado por la coloración
típica de estos; y por referencias bibliográficas). (1)
1.1 ANTECEDENTES
El presente trabajo, surgió a partir de observacion, de la presencia de compuestos de amonio
en los efluentes, de la lixiviación con cianuro de minerales auríferos; a partir de esta
inquietud surgió la necesidad de investigar cual es el compuesto y su posible aplicación en la
recuperación de los suelos, afectados por la actividad de la minería aurífera, principalmente
en el Departamento de Antioquia.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo general
•
Desarrollar el proceso para la obtención de urea a partir de la transformación del
cianato de amonio proveniente del tratamiento de efluentes del proceso de
cianuración de minerales auroargentíferos.
1.2.2 Objetivos específicos
•
Identificar las variables que intervienen en el proceso de formación del cianato de
amonio en los efluentes de los procesos de cianuración de minerales
auroargentíferos.
•
Determinar la tasa de transformación del ion cianuro CN- en cianato de amonio
OCN(NH4), en
los efluentes de los procesos de cianuración de minerales
auroargentíferos.
•
Evaluar las condiciones que favorecen la formación de cianato de amonio en
los efluentes de los procesos de cianuración de minerales auroargentíferos.
•
Verificar la obtención de úrea al final del proceso.
8
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La contaminación, generada por los efluentes, de la lixiviación de minerales auríferos, es
uno de los principales obstáculos de oposición social, que presenta la actividad minera.
Debido a la afectación que sufren tanto las aguas superficiales como las subterráneas.
El cianuro, a pesar de ser biodegradable, es un compuesto tóxico (1). Durante el
proceso de descomposición del cianuro, luego de finalizado proceso de lixiviación, se
genera un compuesto conocido como cianato de amonio OCN(NH4), el cual es materia
prima para fabricación de úrea CO(NH2)2.
En la actualidad este compuesto no se aprovecha, y se descompone en otros
contaminantes que pasan a la atmósfera, como: amoniaco NH3 y dióxido de carbono
CO2, generando ambos efecto invernadero. (4)
1.4 JUSTIFICACION
La inquietud, que generó inicialmente este trabajo, fue el haber percibido durante el
procedimiento de neutralización, de un efluente del proceso de cianuración, la presencia
de compuestos de amonio, lo cual motivó inicialmente el consultar cual era el
compuesto, encontrándose que este correspondía al cianato de amonio. Fué este
compuesto el que dió origen a la química orgánica a comienzos del siglo XIX; cuando
Fredrich Wӧhler, al mezclar en el laboratorio cianato de plomo con amoníaco obtuvo el
cianato de amonio y al someterlo a calentamiento obtuvo urea. (18)
Es por ello que este trabajo se propone demostrar, la posibilidad de obtener la úrea a
partir de los efluentes, del proceso de cianuración de minerales auríferos, ya que durante
la neutralización del cianuro libre, remanente de este proceso, también se genera el
cianato de amonio, el cual mediante la transformación a través del proceso Wӧhler,
pueda convertirse en urea, y de esta manera, contribuir a que sea utilizada en la
rehabilitación de los suelos, de las áreas afectadas por la minería aurífera.
Sin duda alguna de lograrse este propósito se estaría reconciliando al sector minero, en
especial el aurifero, con el entorno ambiental lo cual permitiría a futuro que la oposición
a este disminuya o quizás desaparezca.
1.5 ALCANCES DEL TRABAJO
El presente trabajo, pretende al identificar las variables, que intervienen en la generación
del cianato de amonio, en los efluentes mineros de la lixiviación aurífera con cianuro, y
a partir de allí establecer las condiciones óptimas para obtener urea. Este producto podrá
ser empleado en la rehabilitación in situ, de los suelos afectados por las labores mineras,
contribuyendo al mejoramiento ambiental.
9
2. ESTADO DEL ARTE
2.1 CARATERIZACION DE LOS EFLUENTES DE LOS PROCESOS DE
CIANURACION
Los efluentes provenientes de los procesos de cianuración, en especial de la pequeña minería
de veta, poseen una elevada concentración de metales disueltos, tales como: cobre, hierro,
zinc, mercurio, plomo, oro y plata; estos dos últimos debido a la ineficiente forma de realizar
la precipitación, lo cual conlleva a una pérdida de valores importante (que aún podrían
recuperarse) (1), y por consiguiente de dinero. Los niveles de pH son alcalinos ya que se
emplea cal, (de no muy buena calidad ya que contiene cenizas de carbón, las cuales son
perjudiciales durante todo el proceso de beneficio), para neutralizar el cianuro.
Algunas plantas emplean peróxido de hidrogeno pero no en la cantidad suficiente para
neutralizar el cianuro que está presente en el vertimiento; tampoco se deja el tiempo
suficiente para que la reacción de neutralización se dé. (1)
2.2 PROCESOS DE NEUTRALIZACION DEL CIANURO MÁS UTILIZADOS
Los procesos que actualmente se aplican para la neutralización del cianuro, buscan toda la
oxidación del mismo. Durante este proceso de oxidación del ión CN-, el nitrógeno cambia de
valencia -5 a -3 es decir hay pérdida de 2 electrones (oxidación).
Dentro de los procesos más utilizados para oxidar el cianuro están: los tratamientos con
ozono, permanganato de potasio, cloro, hipoclorito de sodio, ácido de Caro, dióxido de
titanio, cal viva, peróxido de hidrogeno, aireación, entre muchos más. Sin embargo, en el
medio industrial los mejores procedimientos técnicos son los de cloración alcalina
(hipoclorito de sodio), el peróxido (H2O2) y el ozono. En todos estos procedimientos se
genera el ión cianato, el cual en presencia de luz UV y estando en medio acuso se
transforma en cianato de amonio, el cual se descompone rápidamente en amoniaco y dióxido
de carbono. Las reacciones químicas que intervienen en cada proceso son: (4)
2.2.1 Oxidación con peróxido
CN- + H2O2
CNO- + H2O (acu)
2CNO- + H + 2H2O uv
OCN((NH4) + 0.5H2O2 + CO2
Debido a la poca estabilidad del cianato de amonio (4) éste se continúa descomponiendo
en medio acuoso y en presencia de la luz UV(4) hasta llegar a generar CO2 y NH3
mediante la reacción (4):
OCN(NH4) + H2O
uv
CO2 + NH3 + (1.5)H2
10
2.2.2 Oxidación con hipoclorito de sodio (cloración alcalina) (4)
Las reacciones químicas que intervienen en este proceso son:
NaClO + NaCN + H2O
CNCl- + 2OH + H2O
CNO- + Cl- + H2O
uv
CNO- + 2H + H2O
OCN(NH4) + H2O
CNCl- + 2NaOH
uv
uv
OCN((NH4) + H2O2
uv
CO2 + NH3 + (1.5)H2
2.2.3Oxidación con ozono (4):
Las reacciones químicos que intervienen en este proceso son:
CN- + O3 + H2O
CNO + O2
CON- + H2O + 2H
OCN(NH4) + H2O
2.3
uv
OCN(NH4) + H2O2
uv
CO2
COMPUESTOS QUE SE GENERAN
NEUTRALIZACIÓN DEL CIANURO.
+ NH3 + (1.5)H2
EN
EL
PROCESO
DE
Los compuestos que se generan dependen en gran medida del medio empleado para la
oxidación del cianuro; sin embargo se presentan algunos que son comunes a todos los
procesos de oxidación como por ejemplo (4), (5):
Cianato de amonio: OCN(NH4) es uno de los compuestos que se forma en la primera fase de
neutralización del cianuro, debido a su inestabilidad (se degrada fácilmente) se convierte en
presencia de aire y de luz UV en amoniaco NH3 y dióxido de carbono CO2 los cuales pasan
a la atmosfera en forma de gas (4).
2.4
PROCESOS DE OBTENCION DE LA UREA
Dentro de la información bibliográfica revisada en las bases de datos, para el presente
trabajo, acerca de la neutralización del cianuro, no se logra evidenciar que el compuesto
cianato de amonio, que se forma durante este procedimiento, se haya empleado para
obtener la úrea.
Sin embargo, la úrea actualmente se obtiene a nivel industrial a través del conocido
proceso Dupont, en el cual se emplean dióxido de carbono CO2 y amoniaco líquido.
Los cuales se someten a un procedimiento a alta presión y temperatura elevada. (19)
2.4.1 Proceso Wӧhler:
Hacia 1828 Fredrich Wӧhler consiguió en el laboratorio de la Universidad de Berlín
obtener cianato de amonio al mezclar en solución acuosa cianato de plomo y amoniaco
líquidos. Pretendiendo obtener los cristales de cianato de amonio, colocó en ebullición la
11
solución anterior y observó que se formaron unos cristales grandes y transparentes que al
analizar su composición resultaron ser úrea. (18)
El proceso Wӧhler (18), logró aprovechar el cianato de amonio para obtención de úrea,
pero solamente el formado a partir de una mezcla en solución acuosa, de cianato de
plomo y amoniaco, mediante las reacciones siguientes: (18)
Pb(CNO)2 + 2NH3 + H2O
Δ
CNO(NH4)(ac)
ΔG° = 47120 cal/mol
2CNO(NH4)(ac) + PbO(s) [2]
OC(NH2)2 [3]
ΔH = 79.732 cal/mol endotérmica T = 25°C
2.4.2 Proceso industrial DuPont:
La síntesis de la úrea a nivel industrial se realiza a partir del amoniaco NH3 líquido y el
CO2 gaseoso. La reacción se verifica en dos pasos. En el primer paso los reactivos forman
un compuesto intermedio llamado carbamato de amonio y en un segundo paso el carbamato
se deshidrata para formar úrea. (19)
En este proceso las velocidades de reacción son diferentes en cada etapa siendo la primera
mucho más rápida, presentándose acumulación del cianato de amonio. Esta reacción
ademas no se verifica en su totalidad presentándose también acumulación de los reactivos
originales. Debido también a que el cianato de amonio es altamente corrosivo lo que se
realiza es degradar el cianato no convertido a úrea, en sus compuestos originales, y luego
volver a formarlo. (19)
2NH3(g) + CO2(g)
H2\N
COONH4(l)
Carbamato de amonio
ΔH = -117kJ/mol [3]
O
2H2N
COONH4(l)
H2N
NH2(l) + H2O(l) ΔH = 15.5kJ/mol [4]
C
úrea
2.4.3 Proceso biológico:
En animales amoniotélicos, por ejemplo, peces óseos, el amoníaco se libera rápidamente
de la sangre en las branquias, gracias al gran volumen de agua que pasa a través de éstas.
Las bacterias y protozoos simplemente liberan el amoníaco al medio en que el agua es
abundante, donde se disuelve este compuesto. (21)
Mientras que los animales uricotélicos, las aves y reptiles, la disponibilidad de agua es
limitada. Puesto que la excreción de urea por la orina necesita un gran volumen de agua,
esta circunstancia haría imposible el vuelo de las aves y provocaría una deshidratación de
los reptiles que habitan hábitats áridos. Para evitar esto, el amoniaco se convierte en ácido
úrico, compuesto insoluble que se excreta en forma de masa semisólida de cristales de ácido
úrico en las heces. (21)
12
En la especie humana, ureotélica, el ión amonio es un compuesto muy tóxico que se
convierte en el hígado y el riñón en urea, en el llamado ciclo de la urea. Ésta pasa al
torrente sanguíneo y es eliminada por el riñón en la orina. (21)
Figura # 1. Ciclo de la úrea. Tomado de http://ibcbioquimica.blogspot.com (21)
La acumulación de amonio tiene consecuencias tóxicas. Por lo tanto se debe eliminar
con la misma rapidez con la con la que se genera. Los animales acuáticos eliminan
directamente amonio gracias a que pueden captar y expulsar cantidades ilimitadas de
agua. En cambio los animales terrestres necesitan transformarlo en un compuesto que
pueda excretarse sin que ello implique una pérdida importante de agua. Las aves y los
reptiles producen ácido úrico y los mamíferos urea. La urea se forma a lo largo de una
secuencia de cinco reacciones en el hígado, de la cuales cuatro forman un ciclo: (21)
• En la mitocondria, la enzima mitocondrial cabamoil fosfato sintetasa I, que
técnicamente no forma parte del ciclo de la urea, cataliza la reacción limitante.
Condensa amonio y bicarbonato para formar carbamoil fosfato, quien proporciona
uno de los dos átomos de nitrógeno de la urea. Esta reacción es irreversible y
requiere de 2 ATP. En los eucariotas la carbamoil fosfato sintetasa II es citosólica,
usa glutamina como donador de nitrógeno y esta involucrada en la síntesis de
pirimidinas. (21)
• El grupo carbamoil del carbamoil fosfato es transferido a la ornitina formando
citrulina. Esto ocurre dentro de la mitocondria gracias a la
ornitinatranscarbamoilasa. La citrulina debe salir de la mitocondria para que pueda
continuar el ciclo de reacciones. (21)
• La citrulina, en el citosol, se condensa con el aspartato produciendo argininsuccinato,
el aspartato proporciona el segundo átomo de nitrógeno de la urea. La
argininsuccinato sintetasa, responsable de la reacción, requiere de dos enlaces de
alta energía del ATP. (21)
• El argininsuccinato se convierte en arginina al liberar fumarato, con la participación
de la argininosuccinasa. La arginina es el precursor inmediato de la urea. En el ciclo
13
de Krebs el fumarato se transforma en oxalacetato, el cual por transaminación se
convierte nuevamente en aspartato. (21)
• Por último la arginasa hidroliza a la arginina con lo que se restaura la ornitina y se
libera la urea. La urea es excretada a través de la orina y la ornitina es trasladada a la
mitocondria, para que nuevamente reaccione con el carbamoil fosfato y el ciclo
continúe. (21)
14
3. DESARROLLO METODOLOGICO
Para llevar a cabo esta investigación, fué necesario un diseño estadístico de
experimentos, ya que se analizaron varis variables tales como: pH, concentración de CNlibre en los efluentes, contaminantes del proceso, temperatura, tiempo de reacción,
composición del efluente, concentración de amonio. De todas estas variables se
identificaron cuáles son las que tenían mayor influencia en el proceso de formación del
cianato de amonio y de la urea.
Después de identificadas las variables de interés, se realizaron pruebas controladas para
la obtención del cianato de amonio y su conversión posterior a urea.
Las muestras, cada una de 20litros, de efluentes se tomaron de las plantas de beneficio
de mineral aurifero en el Departamento de Antioquia, ubicadas en los municipios de
Segovia y Puerto Berrio. Las mismas se transportaron en condiciones de refrigeración,
para evitar su descomposición y alteración, almacenadas a temperatura de 4°C con un
pH de 11.5 y 11.35, durante un periodo no superior a 20 días.
La metodología experimental que se desarrolló es la de bloques aleatorios en la cual se
colocarán lotes de 3 muestras para su análisis y tratamiento. Los resultados obtenidos
tuvieron un manejo estadístico para su sistematización y procesamiento.
La reacción que se pretende que se lleve a cabo es:
2NaCN (s) + 2H2O(l) + 2H2O2
Δ
OC(NH2)2(s) + H2CO3(g) + 2NaOH(g) [1]
3.1 ELEMENTOS DE LABORATORIO
Los elementos de laboratorio utilizados para este trabajo fueron:
3.1.1 Vidriería
Beakers de 250ml
Bureta graduada de 50ml
Pipeta graduada de 25ml
Pipeta volumétrica de 25ml
Plancha de calentamiento de temperatura regulable
Tubos viales (ensayo)
Elementos de protección personal
Termómetro de alcohol
Embudos
Medidor de pH digital
Cintas medidoras de pH
15
3.1.2 Reactivos químicos
NaOH al 1N
KI al 10%
HCl al 10%
Kit ÚREA /BUN – COLOR Biosystem
AgNO3 al 0.1N
H2O2 al 50%
H2O destilada
3.1.3 Soluciones de cianuro provenientes del proceso de lixiviación
Muestra 1: Puerto Berrío, vereda Minas El vapor [CN-] = 1.5g/l
Muestra 2: Segovia [CN-] = 1.3 g/l
3.2 DISEÑO EXPERIMENTAL
Se prepararon ensayos por triplicado en los rangos alcalino, neutro y ácido; para el trabajo se
tomaron muestras de 5ml cada una, a las cuales se les midió el pH inicial, temperatura
inicial, [CN-] mediante método colorimétrico con nitrato de plata al 0.1N, luego se les hizo
el balance del peróxido de hidrogeno a ser adicionado para neutralización del cianuro (1), se
midió pH final, además, en algunos casos se colocó a calentar la solución, T > 50°C, la
muestra para observar resultados.
Para la determinación de la presencia de úrea y amonio en cada uno de los ensayos se utilizó
el kit ÚREA/BUN-COLOR el cual permite valoración colorimétrica cualitativa de
presencia de estos compuestos. Este método de ÚREA/BUN-COLOR es utilizado
ampliamente en laboratorio clínico veterinario para la determinación de úrea y amonio en
orina, plasma y leche; el espectrofotómetro solo se utiliza para determinar la concentración
de estos compuestos.
3.3 VARIABLES DE CONTROL
3.3.1 Variables independientes: Temperatura, pH, [CN-], Cantidad de H2O2 a
adicionar como reactivo de neutralización del cianuro.
3.3.2
Variables de respuesta o dependiente: [NH4], [OC(NH2)2]
3.3.3
Dominio de la variable experimental: pH: 4 – 14
[CN-] en g/l: 0.8 – 1.5
16
3.4 FUNCIONAMIENTO DEL METODO UREA BUN COLOR
El método en si es bastante simple y rápido; consiste en tomar una muestra de la úrea (o lo
que se pretende sea úrea) y adicionarle una enzima conocida como ureasa la cual la
descompone en amonio y luego se le adiciona los otros reactivos que son el hipoclorito de
sodio, Salicilato de sodio y el nitroprusiato sódico; (ya vienen preparados en el kit) para
formar un compuesto conocido como indofenol de color azul de Prusia que no es más que el
indicador de la presencia del compuesto. Luego se lee la concentración en el
espectrofotómetro UV.(23)
Para este caso era necesario aplicar el método de manera modificada asi:
• Primero se hace la neutralización con peróxido de una muestra de 5ml de solución
de CN de 1.5g/l y luego se tomaba una pequeña submuestra de 10µl a la cual se le
adicionaban los reactivos diferentes a la ureasa en cantidad de 1ml c/u. Si dá color
azul de Prusia asi fuese con una variación ligera al verde indica presencia de amonio
solamente.
• Luego si a una segunda submuestra se la agregaba 1ml de ureasa y los demás
reactivos como el hipoclorito de sodio, salicilato de sodio y el nitroprusiato, y
arrojaba la coloración azul de Prusia indica presencia de úrea. En otras palabras la
clave de todo era que la ureasa detectase la úrea y la descompusiese en amonio.
La intensidad del color es directamente proporcional a la concentración del compuesto. (23)
La ureasa
La ureasa es una metaloenzima dependiente de níquel, que cataliza la hidrólisis de la
úrea en cianato de amonio, el cual descompone espontáneamente en amoniaco y
acido carbónico a temperatura ambiente.
La ureasa tiene un peso molecular de 545000 Da, consiste en seis unidades idénticas
de 90760Da, organizada en una estructura bipiramidal trigonal.
El sitio activo está compuesto por un dímero de Ni(II), siendo la geometría de
coordinación octaédrica.
Figura # 2. Estructura de la ureasa. Tomado de:
http://www.ruena.csic.es/pdf/presentacion_aparicio_universidad_publica_navarra.pdf
17
Figura # 3. Proceso de descomposición de la úrea por la metaloenzima ureasa.
Tomado de:
http://www.ruena.csic.es/pdf/presentacion_aparicio_universidad_publica_navarra.pdf
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4. RESULTADOS EXPERIMENTALES
De acuerdo con diseño experimental lo que se pretendió fué determinar las condiciones
fisicoquímicas que permitan la formación de la úrea y el cianato de amonio. Para ello se
empleo el kit ÚREA BUN COLOR de Biosystems (marca del producto), en los diferentes
intervalos de pH analizados y concentración de cianuro libre.
4.1 ENSAYO 1
V= 5ml
pH= 11.35 pHf = 5
T= 22.8⁰C
H2O2 = 52.5ml [50%] [CN-] = 1.5g/l
Procedimiento:
Se tomaron dos muestras de 5ml c/u a una de ellas se le hizo titulación de cianuro total por
método colorimétrico con nitrato de plata al 0.1N. Después se calculó el reactivo de
neutralización, peróxido de hidrogeno y se adicionó a la segunda muestra que estaba
reservada, luego se tomaron dos submuestras de 1.5ml c/u y se colocaron a calentar al baño
María hasta alcanzar la ebullición. El resto de la solución de dejo en reposo observándose
cambio en la coloración de amarillo inicial a verde claro con formación de cristales de color
blanco con fuerte olor a amonio (figuras 4 y 5) luego se le adicionaron a estas 1ml de
reactivo A1 y 2.5ml de reactivo A2 del kit de titulación de amonio, se tapó con plástico
adhesivo y se guardo 1h en ambiente oscuro al cabo de la cual se observó un cambio en la
coloración de amarillo a azul prusia. las submuestras que se pusieron a calentar se les
observó cambio en la coloración de azul verdoso claro a amarillo verdoso claro con
formación de cristales que luego se pusieron a secar, el peso obtenido de los cristales fue de
0.0089g con una coloración café clara. Luego se le adicionó 1ml de agua destilada se agitó y
se le adicionaron 1ml de cada uno de los reactivos de titulación de urea del kit observándose
un cambio nuevamente de color de amarillo verdoso a un azul de Prusia. Indicando
presencia de úrea. El color café claro de los cristales se debe posiblemente a presencia de
óxidos metálicos.
Resultado: Positivo para amonio y para úrea.
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Figura # 4 Fotografía úrea en formación
Figura # 5 Fotografía amonio en formación.
4.2 Ensayo 2
V= 5ml
pHi= 11.35 pHf = 4 T= 22.8⁰C H2O2 = 52.5ml [50%] [CN-] = 1.5g/l
Procedimiento:
Se tomaron dos muestras de 5ml c/u; a la primera muestra se le titulo [CN⁻] con adición de
Nitrato de plata al 0.1N arrojando una concentración de 1.5g/l luego se adicionó el peróxido
a la segunda muestra de 5ml, en total fueron 52.5ml. e inmediatamente se colocó a calentar
hasta ebullición, se tomó el tiempo el cual fue de 8min. Luego se tomó una pequeña muestra
20
de esta solución de 1.5ml y se dejó atemperar al ambiente para luego utilizar los reactivos
del kit de determinación de amonio el resultado obtenido fué negativo; en el fondo del
beakers se observó un precipitado de color blanco (figura 6) y entonces se volvió a calentar
para evaporar todo el liquido y observar bien, al final se ve una abundante cristalización de
color blanco (figura 7) a la cual se le hace la prueba de úrea con los reactivos del kit de
determinación y dan como resultado una solución de color azul con una leve tonalidad verde
(azul de prusia) (Figura 8) siendo positiva para úrea.
Resultado: Positivo para úrea
Figura # 6 Fotografía cristales de úrea en formación
Figura # 7 Fotografía cristales de úrea.
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Figura # 8 Fotografía ensayo: ÚREA BUN COLOR.
Obsérvese el color azul de prusia, indicativo de la presencia
de úrea.
4.3 Ensayo 3
V= 5ml
pHi= 11.35 pHf = 11.35 T= 22.8⁰C [CN-] =1.5g/l
Procedimiento:
Se toma una muestra de 5ml y se le hace la determinación de úrea con los reactivos del kit
sin adicionar la ureasa, sin calentamiento de la muestra, ni neutralización con peróxido, es
decir tal cual como se trajo al laboratorio, arrojando un color verde con una ligera tonalidad
de azul, que después de cuatro horas al aire se torna en azul de prusia, esto indica amonio en
formación.
Resultado: Positivo para amonio.
4.4 Ensayo 4
V= 5ml
pH= 11.35 pHf = 4.4
T= 22.8⁰C
H2O2 = 52.5ml [50%] [CN-] = 1.5g/l
Procedimiento:
Se tomó muestra de 5ml se neutraliza con peróxido pero no se coloca a calentar sino que se
dejó reaccionar durante 2.5h y se le hizo la prueba de determinación de úrea y de amonio
con el kit correspondiente arrojando resultado negativo, en ambos casos, para corroborar
ello también se le hizo la prueba organoléptica (olfativa), siendo también negativa. No se
observan cristales.
Resultado: Negativo para úrea
22
4.5 Ensayo 5
V= 5ml
pH= 11.35 pHf = 14
T= 22.8⁰C
H2O2 = 52.5ml [50%] [CN-] = 1.5g/l
Procedimiento:
Se tomó muestra de 5ml y se le adiciona 1ml de NaOH 1N para llevar el pH hasta 14 y se
realizó el análisis de úrea con los reactivos del kit dando resultado negativo.
Resultado: Negativo
Figura # 9 Fotografía ensayo fallido para úrea a pH = 14
4.6 Ensayo 6
V= 5ml
pH= 11.9 pHf = 6.6
Tiempo de rxn = 2.5h
T= 25⁰C H2O2 = 3ml [50%] [CN-] = 0.8g/l
Procedimiento:
Se tomaron dos muestras de 5ml se les adicionó peróxido de hidrógeno lentamente hasta que
el pH fuera de 6.6 y se deja reaccionar 2.5h y se puso a calentar hasta evaporar toda la
solución y se observa un precipitado de color ocre (óxidos metálicos)
y se adicionan los
reactivos del kit de determinación de úrea dando resultado negativo.
Resultado: Negativo para úrea.
23
Figura # 10 Ensayo 7. Óxidos metálicos precipitados.
4.7 Ensayo 7
V= 5ml
pH= 11.35 pHf = 4.43
Tiempo de rxn = 2.5h
T= 25⁰C H2O2 = 52.5ml [50%] [CN-] = 1.5g/l
Procedimiento:
Se tomaron dos muestras de 5ml una de ellas para titulación de cianuro, luego se calculó y
adicionó el peróxido de hidrógeno y se dejó reaccionar durante 2.5h, se midió el pH. Luego
se colocó a calentar hasta ebullición tomando temperatura inicial, y una muestra de 1.5ml a
los 30°C, a los 60°C y a los 90°C se hace titulación de úrea en cada caso con el respectivo
kit arrojando resultados negativos en las tres muestras. La muestra principal se deja evaporar
por calentamiento, para observar si hay presencia de cristales, siendo el resultado negativo.
Resultado: Negativo
4.8 Ensayo 8
V= 5ml
pH= 11.9 pHf = 7.6
T= 25⁰C H2O2 = 3ml [50%] [CN-] = 1.5g/l
Procedimiento:
Se tomaron dos muestras de 5ml se les adicionó peróxido de hidrógeno lentamente hasta que
el pH fuera de 7.6 y se puso a calentar inmediatamente hasta evaporar toda la solución y se
observa un precipitado de color ocre (óxidos metálicos), se adicionaron los reactivos del kit
de determinación de úrea dando resultado negativo.
24
Resultado: Negativo para úrea.
4.9 Ensayo 9
V= 5ml
pH= 11.35 pHf = 4 T= 23⁰C
H2O2 = 59.5ml [50%] úrea = 0.0567g
H2O2 = 52.5ml [50%] [CN-] = 1.7g/l
Procedimiento:
Se tomaron dos muestras de 5ml una de ellas para titular cianuro con Nitrato de plata al
0.1N. Seguidamente se calculó y adicionó el Peróxido de hidrógeno, se midió el pH final y
se calentó la solución inmediatamente hasta evaporarla toda.
Se observó en el fondo formación de cristales de color blanco, los cuales se pesaron; en el
fondo y sobre los cristales hay un precipitado de color ocre claro que indica presencia de
óxidos metálicos. Se adicionó una pequeña cantidad de agua destilada para disolver los
cristales blancos y se añadieron los reactivos del kit para úrea se agitó vigorosamente y se
dejó unos 15minutos en reposo al cabo de los cuales muestra una coloración azul de Prusia
siendo esto positivo para úrea.
Resultado: Positivo para úrea.
Figura # 11. Fotografía ensayo positivo para úrea.
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4.10 Ensayo 10
V= 5ml
pH= 11.35 pHf = 4 T= 23⁰C
H2O2 = 59.5ml [50%] úrea = 0.0582g
H2O2 = 52.5ml [50%] [CN-] = 1.7g/l
Se tomaron dos muestras de 5ml una de ellas para titular cianuro con Nitrato de plata al
0.1N. Seguidamente se calculó y adicionó el Peróxido de hidrógeno, se midió el pH final y
se calentó la solución inmediatamente hasta evaporarla toda.
Se observó en el fondo formación de cristales de color blanco, los cuales se pesaron; en el
fondo y sobre los cristales hay un precipitado de color ocre claro que indica presencia de
óxidos metálicos. Se adicionó una pequeña cantidad de agua destilada para disolver los
cristales blancos y se añadieron los reactivos del kit para úrea, se agitó vigorosamente y se
dejó unos 15minutos en reposo al cabo de los cuales muestra una coloración azul de Prusia
siendo esto positivo para úrea.
Resultado: Positivo para úrea.
4.11 Ensayo 11
V= 5ml
pH= 11.35 pHf = 4 T= 23⁰C
H2O2 = 59.5ml [50%] úrea = 0.0525g
H2O2 = 52.5ml [50%] [CN-] = 1.7g/l
Se tomaron dos muestras de 5ml una de ellas para titular cianuro con Nitrato de plata al
0.1N. Seguidamente se calculó y adicionó el Peróxido de hidrógeno, se midió el pH final y
se calentó la solución inmediatamente hasta evaporarla toda.
Se observó en el fondo formación de cristales de color blanco, los cuales se pesaron; en el
fondo y sobre los cristales hay un precipitado de color ocre claro que indica presencia de
óxidos metálicos. Se adiciona una pequeña cantidad de agua destilada para disolver los
cristales blancos y se añaden los reactivos del kit para úrea se agita vigorosamente y se deja
unos 15minutos en reposo al cabo de los cuales muestra una coloración azul de Prusia
siendo esto positivo para úrea.
Resultado: Positivo para úrea.
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5. ANALISIS DE RESULTADOS
De los experimentos realizados se puede establecer lo siguiente:
•
En el intervalo de alcalinidad de pH 8 -14, no se evidencia presencia de amonio
ni es posible la formación de cianato de amonio ni úrea.
•
En el intervalo de pH neutro 6.5 – 7.5 coexisten el amonio y el amoniaco pero no
hay la capacidad de realizar la hidrólisis del cianato de amonio aún suministrando
calor.
•
En el intervalo ácido, pH menores de 4.5, el cianato de amonio se forma
inmediatamente se adiciona el reactivo de oxidación del cianuro, peróxido de
hidrógeno en este caso, el cual tiene un periodo de duración como compuesto
muy corto, tan solo de 5min, antes de descomponerse en CO2 y NH3 y
desprenderse de la solución hacia la atmosfera.
•
La formación de los cristales de úrea solo es posible cuando se calienta la
solución neutralizada en los primeros segundos de la reacción de oxidación del
cianuro con peróxido de hidrógeno, para permitir que se genere la hidrólisis del
cianato de amonio a medida que este se forma, este calentamiento debe de
hacerse rápido para que no se genere el desprendimiento del CO2 y NH3, esto
debido a que la reacción es endotérmica en condiciones de temperatura ambiente.
•
Si se deja que la reacción de oxidación se complete, aproximadamente 2.5h, ya
no es posible obtener úrea en el proceso. Esto debido a la descomposición
espontanea del cianato de amonio a temperatura ambiente, en amoniaco y gas
carbónico.
•
La temperatura de formación de los primeros cristales de la úrea, de color blanco,
comienzan alrededor de los 50°C y se acelera a medida que gana calor, ΔH = 193.02 Kcal, la reacción de hidrólisis del cianato de amonio.
•
Durante el proceso de formación del cianato de amonio, se observa la
precipitación de los metales disueltos, presentes en la solución, en forma de
óxidos e hidróxidos, evidenciados por la coloración típico de los óxidos (1);
estos inicialmente forman una película color ocre que flota en la solución y
precipita sobre los cristales de úrea pero no mezclada con esta, al menos no de
modo visible.
•
La tasa de conversión del cianuro en úrea en este proceso fue de 1:7.5 teniendo
en cuenta que se realiza primero la adición del oxidante y luego se suministra
calor inmediatamente.
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6. CONCLUSIONES
• Es posible la obtención de la úrea a partir de las soluciones de cianuro
provenientes de la lixiviación de minerales auroargentiferos. Aprovechando
la oxidación del cianuro y sometiéndolo inmediatamente a un calentamiento
hasta ebullición, para acelerar la hidrólisis del cianato de amonio, formado en
el proceso de oxidación, como paso intermedio de corta duración.
• El pH de la solución neutralizada debe de estar en el intervalo ácido: pH ≤ 4.5
y la temperatura debe de ser superior a los 50°C para que la formación de los
cristales de úrea se lleven a cabo.
• La formación del cianato de amonio es de muy alta velocidad (inmediata) y
su descomposición también es bastante rápida, después de cuatro o cinco
minutos da comienzo a la misma; razón por la cual es muy difícil determinar
esa tasa de transformación.
• Para que este proceso se pueda llevar a cabo de manera económica se debe de
aprovechar el calor generado en los hornos de fundición. Lo que implica
coordinar ambas operaciones (fundición y obtención de úrea). este proceso
puede automatizarse.
• La úrea obtenida aunque no se le hizo análisis de pureza, es sin duda alguna
un producto importante extraído de un desecho que actualmente contamina
las aguas y el aire.
• Es una alternativa para la obtención de úrea diferente al petróleo y a los
organismos vivos.
• Esta úrea, al ser un abono puede emplearse en la recuperación ambiental de
suelos degradados por minería aurífera, disminuyendo asi los efectos nocivos
de dicha actividad económica.
• Es conveniente analizar la calidad de la úrea obtenida en especial, verificar
trazas de elementos metálicos pesados, como Hg, Pb, Cu, Cd, As, los cuales
son perjudiciales para el ambiente.
• Dependiendo de la calidad de la úrea obtenida se podría llegar a una
experimentación en el uso agrícola a escala piloto, inicialmente, si los
resultados son favorables proceder al diseño definitivo del reactor y del
proceso industrial. Es de resaltar que toda la úrea en Colombia es importada
de China y Rusia, principalmente.
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