RT Dissertation/Thesis
T1 Sensores electrónicos de bajo coste aplicados a la monitorización online del material atmosférico particulado producido por minería a cielo abierto
A1 Zafra Pérez, Adrián
A2 Universidad de Huelva. Departamento de Ingeniería Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática
AB Las minas a cielo abierto son una fuente significativa de material particulado (PM) en la atmósfera como consecuencia de sus operaciones continuas de movimiento de tierra, reducción de tamaño de mineral, tratamiento y almacenamiento del mismo. Esta alta concentración de PM se asocia con efectos adversos para la salud, lo que genera preocupaciones de salud pública relacionadas con las emisiones fugitivas de las minas. Sin embargo, debido al gran tamaño de estas explotaciones, el control convencional de estas emisiones resulta difícil y costoso, lo que motiva a la industria minera a buscar tecnologías más eficientes y rentables. En el marco de esta tesis, se presentan herramientas innovadoras destinadas a abordar la monitorización de la calidad del aire en entornos mineros y sus zonas circundantes. Estas herramientas tienen como finalidad permitir el estudio detallado de la distribución de los contaminantes, lo que facilita el respaldo a la toma de decisiones en situaciones de concentración extrema de contaminantes o el seguimiento y control continuo de la calidad del aire en dichas áreas.El trabajo experimental de esta tesis doctoral se llevó a cabo íntegramente en el interior de las instalaciones de la explotación a cielo abierto Cerro Colorado, (Minas de Riotinto, Huelva), una de las minas metálicas a cielo abierto más grandes e importantes de Europa, y abarcó además el estudio de la contribución de esta mina a sus poblaciones más próximas. El estudio comienza con una extensa campaña de muestreo de PM10, que se llevó a cabo en tres pueblos pertenecientes al distrito de Riotinto. En él se observa que las concentraciones promedio de PM10 superaron los límites anuales y diarios en la población más cercana a la mina, durante la primavera y el verano, además de un enriquecimiento significativo de elementos potencialmente tóxicos (conocidos como EPT, o por sus siglas en inglés, PTE). El resultado más significativo ha sido comprobar que la mina contribuye significativamente al incremento de estos contaminantes, especialmente en las poblaciones más cercanas. Esto ha motivado el desarrollo de herramientas para la monitorización del PM en el interior de la mina.En este sentido, se propone una novedosa metodología para la monitorización espacio-temporal de las concentraciones de PM en minas a cielo abierto, utilizando sensores de bajo coste (Low-cost sensor, en inglés, LCS, a partir de ahora) móviles y de un precio inferior a los 300 €, tanto en superficie acoplados a una camioneta pick-up, como en aire montados en un vehículo aéreo no tripulado (UAV en inglés, o también informalmente llamados drones). Estos sensores se han ubicado tanto en puntos con actividad cero como en zonas de actividad minera intensa. Por supuesto, se ha realizado una necesaria y detallada calibración de los LCS móviles para cumplir con los estándares europeos. Los resultados revelaron las concentraciones de PM, sus niveles máximos y mínimos, las variaciones estacionales, y las principales fuentes generadoras de PM en la mina. Además, la integración de estos datos con información meteorológica permitió identificar las rutas de escape de las emisiones fugitivas hacia las poblaciones cercanas, lo que proporcionó resultados importantes para abordar este problema en la industria minera.El estudio ha demostrado la aplicabilidad de los LCS para la monitorización de PM de alta resolución en la minería, lo que respalda a los gestores ambientales en la toma de decisiones contra las emisiones fugitivas de manera rentable. En conjunto, estos avances representan un paso significativo hacia una minería más sostenible y respetuosa con el medio ambiente.Finalmente, si bien buena parte de los estudios se realizaron con LCS comerciales, en esta tesis también se ha propuesto un diseño propio de una red inalámbrica de sensores (WSN), empleando tecnología LoRaWAN. Esta solución cumple con requisitos de escalabilidad, bajo consumo, autonomía de funcionamiento y simplicidad de despliegue, además de un diseño hardware compacto y personalizado. El sistema combina el uso de WSN con IoT y computación en la nube. Los datos pueden ser visualizados en tiempo real proporcionando a la industria minera una herramienta para tomar decisiones que minimicen la generación de PM cuando determinadas alertas se emitan al superar umbrales establecidos.
AB In open-pit mining, there is a significant source of particulate matter (PM) in the atmosphere due to continuous earthmoving, mineral size reduction, treatment, and storage operations. This high PM concentration is associated with adverse health effects, raising public health concerns regarding fugitive emissions from mining activities. However, due to the large scale of these operations, conventional control of these emissions proves to be challenging and expensive, motivating the mining industry to seek more efficient and cost-effective technologies. This thesis introduces innovative tools for addressing air quality monitoring in mining environments and their surrounding areas. These tools aim to enable a detailed study of pollutant distribution, thus facilitating decision support in situations of high pollutant concentration and continuous air quality monitoring in these regions.The experimental work for this doctoral thesis was conducted entirely within the premises of the Cerro Colorado open-pit mine, located in Riotinto, Huelva, one of the largest and most significant open-pit metal mines in Europe. It also encompassed an analysis of the mine's contribution to the nearby communities.The study begins with an extensive PM10 sampling campaign carried out in three towns within the Riotinto district. The results showed that average PM10 concentrations exceeded annual and daily limits in the population closest to the mine during the spring and summer. Furthermore, a significant enrichment of potentially toxic elements (referred to as EPT or PTE in English) was observed. The most significant finding was the substantial contribution of the mine to the enrichment of these contaminants, especially in the nearby communities. This finding motivated the development of tools for PM monitoring inside the mine. A novel methodology is proposed for the space-time monitoring of PM concentrations in open-pit mines using low-cost mobile sensors (referred to as Low-cost Sensors, or LCS), costing less than 300 €. These sensors were placed at various locations, ranging from areas with zero activity to intensely active mining zones. Detailed calibration of the mobile LCS was conducted to meet European standards. The results revealed PM concentrations, maximum and minimum levels, seasonal variations, and the primary sources of PM within the mine. The integration of these data with meteorological information allowed for the identification of pathways for fugitive emissions toward nearby populations, providing significant insights into addressing this issue in the mining industry.The study demonstrated the applicability of LCS for high-resolution PM monitoring in mining, supporting environmental managers in cost-effective decision-making against fugitive emissions. Together, these advancements represent a significant step towards a more sustainable and environmentally friendly mining industry.While a substantial portion of the study was conducted using commercial LCS, this thesis also proposed a custom wireless sensor network (WSN) design employing LoRaWAN technology. This solution meets scalability, low power consumption, autonomy, and deployment simplicity requirements, with a compact and customized hardware design. The system combines WSN with IoT and cloud computing, allowing real-time data visualization and providing the mining industry with a tool to make decisions aimed at minimizing PM generation when specific threshold alerts are triggered.
PB Universidad de Huelva
YR 2024
FD 2024
LK https://hdl.handle.net/10272/24024
UL https://hdl.handle.net/10272/24024
LA spa
DS Repositorio Institucional de la Universidad de Huelva
RD 30 may 2026