El agua de mina contaminada con hierro puede adoptar más de una forma química. Resulta que esta puede ser una propiedad importante, especialmente cuando diseñamos estrategias de tratamiento para eliminar el hierro.

El hierro estará en uno de dos estados de oxidación: ferroso con carga + 2, o férrico con carga + 3. El hierro ferroso es soluble en agua a cualquier pH. Si ve agua que solo contiene hierro ferroso, el hierro se disolverá totalmente y el agua aparecerá como cristalina, sin importar el pH que tenga. La situación es diferente con el hierro férrico. A un pH inferior a aproximadamente 3,5, el hierro férrico es soluble. Pero si el pH es superior a 3,5, el hierro férrico se vuelve insoluble y se precipita (forma un sólido) como un compuesto naranja/amarillo llamado yellowboy. Esto causa los revestimientos naranjas familiares en los fondos de los arroyos que tienden a sofocar la vida acuática. Por lo tanto, para decirlo en pocas palabras, el hierro férrico se precipitará; el hierro ferroso no.

Ahora, para continuar con otra parte de la historia. El agua de la mina también puede tener altos niveles de acidez, una situación que degrada la calidad del agua. La propiedad más común que asociamos con esto es un pH bajo, menos de 5 o aproximadamente. Para tratar tal agua, queremos neutralizar la acidez agregando alcalinidad. La adición de alcalinidad aumentará el pH. Para los sistemas de tratamiento pasivo, la piedra caliza es el agente neutralizante ampliamente preferido. El hecho de que el agua de la mina entre en contacto con la piedra caliza la disuelve, tendiendo a neutralizarla. Al hacerlo, el pH aumenta. Bien, aquí es donde entra el problema. Si esta agua también tiene hierro, particularmente hierro férrico, a medida que el pH aumenta por encima de 3,5, el hierro férrico se precipitará como yellowboy. Al hacerlo, el yellowboy puede depositarse en la piedra caliza formando una capa de yellowboy que protege la piedra caliza de una mayor disolución. En otras palabras, la piedra caliza se vuelve ineficaz en la acción de neutralización adicional debido al recubrimiento, también conocido como blindaje. Blindaje, de hecho, es un modo de falla de algunos sistemas de tratamiento.

Pasemos a otra parte de la historia: a cuando la contaminación del hierro se forma inicialmente por la erosión de la pirita. Cuando la pirita reacciona inicialmente con el oxígeno y el agua, un producto es hierro ferroso. (Ecuación 1 a continuación) Para que los ferrosos se vuelvan férricos, se necesita más oxígeno. (Ecuación 2 a continuación) Sin embargo, bajo tierra la cantidad de oxígeno puede ser muy limitada, y esa conversión puede no ocurrir en una medida significativa en el entorno limitado de oxígeno. A menudo, cuando la contaminación de la mina estalla en la superficie, muy poco del hierro está en forma férrica debido a la falta de oxígeno en el subsuelo. Sin embargo, esto puede cambiar rápidamente una vez que el agua de la mina se expone a la atmósfera, donde hay suficiente oxígeno disponible. Una estrategia de tratamiento para el agua de mina que tiene una alta acidez y prácticamente todo el hierro en estado ferroso es evitar que el oxígeno llegue a ella mientras se pasa a través de un canal de roca caliza. Un drenaje de piedra caliza anóxica protege el agua del oxígeno mientras se agrega alcalinidad. Si, por otro lado, hay cantidades significativas de hierro en estado férrico o hay oxígeno adecuado, se puede emplear una estrategia diferente: eliminar el oxígeno antes de agregar alcalinidad de piedra caliza. Este es el caso de un SAPS (Sistema de Producción de Alcalinidad Sucesiva).

Las tres reacciones químicas significativas para esta discusión son:

4FeS2(s) + 14O2(g) + 4H2O(l) —> 4Fe2+(aq) + 8SO42-(aq) + 8 H+(aq) (1)

4Fe2+(aq) + O2(g) + 4H+(aq) —> 4Fe3+(aq) + 2H2O(l) (2)

4Fe3+(aq) + 12 H2O(l) —> 4Fe(OH)3(s) + 12H+(aq) (3)

la Ecuación 1 se describe la reacción inicial de la pirita con el agua y el oxígeno para formar iones férricos. La ecuación 2 describe la reacción en la que el hierro ferroso se convierte en hierro férrico. La ecuación 3 describe la hidrólisis y precipitación reales del hidróxido férrico (yellowboy).

Cuándo y dónde ocurren estas reacciones a menudo impulsan el diseño de muchos sistemas de tratamiento pasivo.