Recuperación de agua desde drenaje ácido de minas mediante proceso de destilación por membrana usando membranas modificadas

Abstract

El drenaje ácido de mina (AMD) es un residuo contaminante de la industria minera, con altos niveles de metales pesados y sulfatos que amenazan las fuentes de agua dulce. Su complejidad dificulta el tratamiento mediante métodos tradicionales, lo que impulsa la búsqueda de alternativas sostenibles para recuperar agua. La destilación por membranas (MD) surge como una tecnología prometedora, basada en la presión parcial de vapor a través de una membrana hidrofóbica microporosa. No obstante, enfrenta desafíos como la humectación de los poros, lo que puede comprometer su efectividad al permitir la infiltración de la solución de AMD. En este estudio se modificaron membranas comerciales de polivinilideno (PVDF) con un agente silano (1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl-trietoxisilano, PDTS) mediante silanización y activación previa por plasma de oxígeno (RF-Plasma-O2). La incorporación de PDTS fue confirmada mediante caracterización con ángulo de contacto (AC), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía infrarroja (FTIR). Las membranas se evaluaron en un sistema de destilación por membrana de contacto directo (DCMD) a escala de laboratorio usando una solución sintética de AMD. Además, se aplicó un diseño experimental Box-Behnken (DBB) para analizar la influencia de parámetros operativos (velocidad de flujo, temperatura y concentración de la solución de alimentación). Finalmente, los resultados fueron analizados mediante ANOVA y Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) para identificar el impacto de cada parámetro y las condiciones óptimas para maximizar el flux de permeado. La caracterización de las membranas confirmó una incorporación efectiva de PDTS, validada mediante SEM y FTIR, y un aumento del 11% en el ángulo de contacto en las membranas modificadas frente a las no modificadas. Los resultados del DBB indicaron que las membranas modificadas lograron un flux de permeado superior en la mayoría de las condiciones evaluadas. El análisis estadístico reveló que tanto la velocidad de flujo como la temperatura influyen significativamente en el flux de permeado, mientras que la concentración de la solución tuvo mayor impacto en las membranas sin modificar. Bajo las condiciones óptimas de operación, las membranas modificadas lograron un incremento del 23% en el flux de permeado en comparación con las membranas comerciales. Este estudio representa una contribución innovadora al tratamiento sostenible de AMD en la minería. La mejora en las propiedades hidrofóbicas de las membranas optimiza el proceso de destilación por membrana para el tratamiento de AMD y ofrece una solución eficiente y sostenible para la gestión del agua en el sector minero.

Acid mine drainage (AMD) is a contaminant byproduct of the mining industry, characterized by high levels of heavy metals and sulfates that pose a threat to freshwater sources. Its complex composition complicates treatment through traditional methods, driving the search for sustainable alternatives for water recovery. Membrane distillation (MD) emerges as a promising technology, based on the partial vapor pressure across a microporous hydrophobic membrane. However, MD faces challenges such as pore wetting, which can compromise its effectiveness by allowing AMD solution infiltration. In this study, commercial polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes were modified with a silane agent (1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl-triethoxysilane, PDTS) through silanization and prior activation via oxygen plasma (RF-Plasma-O2). PDTS incorporation was confirmed through characterization techniques, including contact angle (CA), scanning electron microscopy (SEM), and infrared spectroscopy (FTIR). The membranes were then evaluated in a direct contact membrane distillation (DCMD) system on a laboratory scale using a synthetic AMD solution. Additionally, a Box-Behnken experimental design (BBD) was applied to analyze the influence of operational parameters (flow rate, temperature, and feed solution concentration). Finally, results were analyzed through ANOVA and Response Surface Methodology (RSM) to determine the impact of each parameter and optimal conditions for maximizing permeate flux. Membrane characterization confirmed effective PDTS incorporation, validated by SEM and FTIR, with an 11% increase in the contact angle in modified membranes compared to unmodified ones. BBD results indicated that modified membranes achieved superior permeate flux under optimal evaluated conditions. Statistical analysis revealed that both flow rate and temperature significantly influence permeate flux, while feed solution concentration had a greater impact on unmodified membranes. Under optimal operating conditions, modified membranes achieved a 23% increase in permeate flux compared to commercial membranes. This study represents an innovative contribution to the sustainable treatment of AMD in mining. Enhanced hydrophobic properties in the membranes optimize the MD process for AMD treatment and offer an efficient and sustainable solution for water management in the mining sector.