L’acqua di miniera con contaminazione da ferro può assumere più di una forma chimica. A quanto pare, questa può essere una proprietà significativa, specialmente quando ideiamo strategie di trattamento per rimuovere il ferro.

Il ferro si troverà in uno dei due stati di ossidazione: ferroso con carica +2 o ferrico con carica +3. Il ferro ferroso è solubile in acqua a qualsiasi pH. Se vedi acqua contenente solo ferro ferroso, il ferro sarà completamente sciolto e l’acqua apparirà come cristallina, non importa quale pH ha. La situazione è diversa con il ferro ferrico. A un pH inferiore a circa 3,5 il ferro ferrico è solubile. Ma se il pH è superiore a 3,5 il ferro ferrico diventerà insolubile e precipiterà (formare un solido) come un composto arancione/giallo chiamato yellowboy. Ciò causa i rivestimenti arancioni familiari sui fondi del flusso che tende a soffocare la vita acquatica. Quindi, per dirla in poche parole, il ferro ferrico precipiterà; il ferro ferroso no.

Ora per continuare con un’altra parte della storia. L’acqua della miniera può anche avere alti livelli di acidità, una situazione che degrada la qualità dell’acqua. La proprietà più comune che associamo a questo è un pH basso, inferiore a 5 o giù di lì. Per trattare tale acqua, vogliamo neutralizzare l’acidità aggiungendo alcalinità. L’aggiunta di alcalinità aumenterà il pH. Per i sistemi di trattamento passivo, il calcare è l’agente neutralizzante ampiamente preferito. Avere l’acqua della miniera a contatto con il calcare la dissolve, tendendo a neutralizzarla. Come fa, il pH diventa più alto. Ok, ecco dove entra in gioco il problema. Se quest’acqua contiene anche ferro, in particolare ferro ferrico, poiché il pH supera 3,5, il ferro ferrico precipiterà come yellowboy. In tal modo, lo yellowboy può depositarsi sul calcare formando uno strato di yellowboy che protegge il calcare da ulteriore dissoluzione. In altre parole, il calcare è reso inefficace in un’ulteriore azione di neutralizzazione a causa del rivestimento, noto anche come armatura. Armoring, infatti, è una modalità di guasto di alcuni sistemi di trattamento.

Passiamo all’ennesima parte della storia: a quando l’inquinamento da ferro è inizialmente formato dagli agenti atmosferici della pirite. Quando la pirite reagisce inizialmente con ossigeno e acqua, un prodotto è il ferro ferroso. (Equazione 1 sotto) Affinchè ferroso diventi ferrico, più ossigeno è necessario. (Equazione 2 sotto) Tuttavia, sottoterra la quantità di ossigeno può essere molto limitata, e che la conversione non può avvenire in misura significativa nell’ambiente ossigeno limitato. Spesso quando l’inquinamento da miniera scoppia in superficie, molto poco del ferro è in forma ferrica a causa della mancanza di ossigeno nel sottosuolo. Questo, tuttavia, può cambiare rapidamente una volta che l’acqua della miniera è esposta all’atmosfera dove è disponibile abbondanza di ossigeno. Una strategia di trattamento per l’acqua di miniera con elevata acidità e praticamente tutto il ferro allo stato ferroso è quello di mantenere l’ossigeno di arrivare ad esso mentre è passato attraverso un canale di roccia calcarea. Uno scarico anossico del calcare protegge l’acqua da ossigeno mentre l’alcalinità sta aggiungendosi. Se, d’altra parte, quantità significative di ferro sono allo stato ferrico o è presente ossigeno adeguato, si può impiegare una strategia diversa: rimuovere l’ossigeno prima di aggiungere alcalinità del calcare. Questo è il caso di un SAPS (Sistema di produzione di alcalinità successiva).

Le tre reazioni chimiche salienti di questa discussione sono:

4FeS2(s) + 14O2(g) + 4H2O(l) —> 4Fe2+(aq) + 8SO42-(aq) + 8H+(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 formula (1) descrive la reazione iniziale di pirite, con l’acqua e l’ossigeno per formare ioni ferrosi. L’equazione 2 descrive la reazione in cui il ferro ferroso viene convertito in ferro ferrico. L’equazione 3 descrive l’effettiva idrolisi e precipitazione dell’idrossido ferrico (yellowboy).

Quando e dove avvengono queste reazioni spesso guidano la progettazione di molti sistemi di trattamento passivo.