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HIDROMETALURGIA I Aspectos químicos. Miguel Gallardo Olivares
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HIDROMETALURGIA I
Aspectos químicos.
Miguel Gallardo Olivares
Distribución minerales en corteza.
La tierra tiene una gran variedad de elementos metálicos y no metálicos de interés, los
cuales se distribuyen aleatoriamente en la corteza terrestre.
O2 46% - 47%
Si 28%
Al 8%
Fe 5%
Cu 0.01%
Ag, Pd, Se 0.01-0.1 ppm
Au, Ir, Os, Pt <0.01 ppm
Ga, Li, Ce 10-100 ppm
Distribución Aproximada de los minerales de la corteza terrestre
Algunos minerales comunesEspecie Fórmula
Argentita
Arsenopirita
Atacamita
Azurita
Bornita
Brocantita
Calcocita
Calcopirita
Crisocola
Covelina
Cuarzo
Enargita
Esfalerita
Galena
Hematita
Ilmenita
Malaquita
Proustita
Pirargirita
Pirita
Pirolusita
Pirrotita
Rodocrosita
Siderita
Tenantita
Ag2S
FeAsS
Cu2(OH)3Cl
2CuCO3*Cu(OH)2
Cu5FeS4
CuSO4*3Cu(OH)2
Cu2S
CuFeS2
CuOSiO2*2H2O
CuS
SiO2
3Cu2S*As2S5
ZnS
PbS
Fe2O3
FeTiO3
CuCO3*Cu(OH)2
3Ag2S*As2S3
3Ag2S*Sb2S3
FeS2
MnO2
Fe5S6
MnCo3
FeCO3
Cu8As2S7
EJERCICIO 1: Cálculo porcentual de
especies oxidadas de cobre
Indique el nombre de cada uno de estas especies mineralógicas y calcule la
composición porcentual de cobre de cada una de ellas.
Cu2Cl(OH)3
Cu2O
CuO
CuSO4* 5H2O
CuOSiO2*2H2O
Cu2(CO3)(OH)2
2CuCO3*Cu(OH)2
CuSO4*3Cu(OH)2
EJERCICIO 2:
Se tiene una mena oxidada de cobre, compuesta por
1,3% de atacamita, 0,7% de crisocola y 0,2% de
malaquita, el resto es ganga. Determine la ley de
cobre si la mena pesa 1,3 toneladas.
Definiciones elementales
HIDROMETALURGIA: Son los procesos que tratan una mena mediante el uso deun disolvente adecuado, pasando el elemento útil a una fase líquida de donde esrecuperado.
DISOLUCIÓN: Es el paso de la especie de valor desde la mena a una solución.
PURIFICACIÓN: Es la eliminación de algunos elementos contaminantes desde unasolución.
RECUPERACIÓN: Es obtener la especie o elemento de valor desde la solución.
Ventajas de la Hidrometalurgia
Los metales pueden ser obtenidos directamente en forma pura desde la
solución.
Los procesos generalmente son a temperatura ambiente.
El manejo de los productos y materiales es relativamente fácil.
Permite el tratamiento de menas de baja ley.
No producen grandes problemas de contaminación ambiental.
Desventajas de la Hidrometalurgia
La separación entre la ganga y la solución puede ser dificultosa.
Los procesos hidrometalúrgicos son relativamente lentos.
Cantidades muy pequeñas de iones contaminantes pueden afectar el
proceso posterior.
AGENTES LIXIVIANTES
Para lixiviar o disolver la especie de valor debemos utilizar solventes o lixiviantes, entre losmás comunes están:
El agua, que se utiliza cuando la especie de valor es altamente soluble como son lossulfatos de cobre y el salitre.
Sales en solución acuosa, tales como sulfato férrico usado en la lixiviación de sulfurosde cobre; carbonato de sodio para lixiviar minerales de uranio; cianuro de sodio opotasio para la lixiviación de minerales de oro y/o plata.
Bases o álcalis, tales como hidróxido de sodio para menas de aluminio; hidróxido deamonio para menas de níquel.
Ácidos, tales como el sulfúrico, nítrico y clorhídrico. El ácido sulfúrico es el disolventeque más se emplea en la lixiviación óxidos de cobre, debido a su bajo costo, posibilidadde regeneración y gran disponibilidad.
Agentes oxidantes, usados generalmente en la lixiviación de especies sulfuradas decobre y oro tal como el cloro gaseoso.
Ejemplos de lixiviantes
Ácidos
Ácido sulfúrico.
Sulfato férrico.
Ácido nítrico.
Básicos
Amoniaco.
Hidróxido de sodio.
Cianuro.
Cloro
Ácido sulfúrico
Propiedades físicas:
Líquido viscoso
Incoloro (estado puro)
Densidad 1,834 g/cm3 a 15º C
Hierve a 317º C
Ácido sulfúrico
Propiedades químicas:
Oxidante
Corrosivo
Reacciona exotérmicamente con el agua.
Ácido sulfúrico
Aplicaciones:
69%
7%
24%
Fertilizantes fosfatados Mineria Industria quimica - otros
Producción de ácido sulfúrico
Voluntaria:
Quemado de azufre
Quemado de piritas
Obligada:
Captación de gases de
fundición
24%
76%
producción obligada producción voluntaria
MERCADO CHILENO DEL ÁCIDO SULFÚRICO
Consumo aparente de ácido sulfúrico.
Productores y consumidores de ácido sulfúrico en Chile.
REGIÓN PRODUCTORES
Operación o Proyecto
II GLENCORE-Altonorte
II CODELCO -Chuquicamata
III CODELCO -Potrerillos
III ENAMI-Paipote
V ANGLO AMER.-Chagres
V CODELCO –Ventanas
VI CODELCO –Caletones
REGIÓN ALGUNOS CONSUMIDORES
Operación o Proyecto
I BHP-Cerro Colorado
I Collahuasi
II CODELCO Norte
II CODELCO-Gaby
II ANTOF.MIN.-El Tesoro
II BHP-Escondida
II GLENCORE-Lomas Bayas
II Mantos Blancos
II ANTOF.MIN.-Michilla
II BHP-Spence
II BARRICK-Zaldívar
III CODELCO-Salvador
III ANGLO AM.Manto Verde
Met ANGLO AM - Los Bronces
VI CODELCO-El Teniente
Reacciones de ácido sulfúrico
Crisocola:
CuSiO3*2H2O + H2SO4 CuSO4 + SiO2 + 3 H2O
Tenorita:
CuO + H2SO4 CuSO4 + H2O
Brochantita:
CuSO4 * 3Cu(OH)2 + 3 H2SO4 4 CuSO4 + 6 H2O
Reacciones con Sulfato férrico
FeS2 + 3.5 O2 + H2O FeSO4 + H2SO4
2 FeSO4 + 0.5 O2 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + H2O
CuFeS2 + 2 Fe2(SO4)3 CuSO4 + 5 FeSO4 + 2 Sº
Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 2 CuSO4 + 4 FeSO4 + 2 Sº
2 Sº + 3 O2 + 2 H2O 2 H2SO4
Mecanismo indirecto de acción bacteriana:
CIANURO
Sustancia química ampliamente utilizada, principalmente en la mineríadel oro.
El cianuro disuelve al oro formando complejos estables en solución.
La producción anual mundial se estima en 1,4 millones de toneladas, delas cuales un 18% corresponde a la lixiviación de oro.
La cantidad de cianuro utilizada en la lixiviación depende de la presenciade otros consumidores de cianuro y de la necesidad de lograr niveles delixiviación adecuados.
CIANURO Las concentraciones de cianuro más comunes oscilan entre los 300 y los
500 mg/l (NaCN) y dependen del tipo de mineral.
El oro se recupera por lixiviación en pila o por agitación.
EL pH del mineral aumenta a 10-11, al utilizar cal en el circuito delixiviación para asegurarse de que cuando se agregue el cianuro, no sefacilite la aparición de cianuro de hidrógeno tóxico.
Una concentración de 300 partes por millón en el aire es suficiente paramatar a un humano en cuestión de minutos. Su toxicidad se debe al ioncianuro CN-, que inhibe la respiración celular.
El oro es recuperado de la solución por cementación con polvo de zinco utilizando carbón activado, para luego proceder a la extracción por víaelectrolítica.
QUÍMICA DE LA LIXIVIACIÓN.
En Hidrometalurgia se producen reacciones del tipo sólido / líquido, salvo en el casode la extracción por solventes, donde se trabaja en un intercambio líquido / líquido.
En este tipo de reacciones es necesario estudiar los aspectos termodinámicos ycinéticos.
La cinética trata de las velocidades en que los procesos, reacciones químicas y losfenómenos difusionales ocurren.
La termodinámica tiene que ver con la posibilidad o imposibilidad de la ocurrencia deun determinado proceso o reacción química.
La cinética y la termodinámica son disciplinas complementarias.
SOLUBILIDADES DE MINERALES DE
COBRE OXIDADOS PUROS
Mineral Granulometría Lixiviante %Extracción Tiempo Temperatura
Azurita -100+200 1-5% H2SO4 100 1 hr Ambiente
Tenorita -100+200 1% “ 98 1 hr Ambiente
Malaquita -100+200 1-5% “ 100 1 hr Ambiente
Crisocola 13.3 mm +3 # 5% 100 30 hr Ambiente
-10+28 5% 97 6 hr Ambiente
-10+28 1% 79 60 días Ambiente
-10+28 2% 98 60 días Ambiente
-10+28 5% 100 37 días Ambiente
Cuprita -10+28 Fe2(SO4)3 ác 99 3 días Ambiente
-100+200 “ 100 1 hr Ambiente
SOLUBILIDADES DE MINERALES DE
COBRE SULFURADOS PUROS
Mineral Granulometría Lixiviante %Extracción Tiempo Temperatura
Calcosina -100+200 Fe2(SO4)3 ác 50 1 día 35ºC
-100+200 Fe2(SO4)3 ác 100 21 días 35ºC
-100+200 Fe2(SO4)3 ác 50 8 días 23ºC
-100+200 Fe2(SO4)3 ác 95 8 días 50ºC
Bornita -100+200 Fe2(SO4)3 ác 95 14 días Ambiente
-100+200 Fe2(SO4)3 ác 45 5 días 23ºC
-100+200 Fe2(SO4)3 ác 85 3 días 50ºC
Covelita -100+200 Fe2(SO4)3 ác 35 11 días 35ºC
-100+200 Fe2(SO4)3 ác 70 13 días 50ºC
Calcopirita -100+200 Fe2(SO4)3 ác 2 43 días Ambiente
-350 Fe2(SO4)3 ác 38 57 días Ambiente
-350 Fe2(SO4)3 ác 44 14 días 50ºC
Lixiviación de minerales oxidados de cobre
Las principales especies oxidadas son la Atacamita, Azurita, Brochantita, Crisocola,
Cuprita, Malaquita, Tenorita.
A través de estudios se ha concluido que la cinética de lixiviación de óxidos de
cobre depende principalmente de la actividad de los iones hidrógeno en el sistema
acuoso.
Estos minerales se lixivian mediante una solución de ácido sulfúrico y agua como se
muestra en la siguiente reacción:
CuO + H2SO4 Cu2+ + SO42- + H2O
Lixiviación de minerales sulfurados de cobre
La lixiviación de minerales sulfurados se caracteriza por:
Requerir de condiciones oxidantes.
Tener una cinética de disolución controlada por procesoselectroquímicos.
Presentar interacción con actividad bacterial.
Algunas especies sulfuradas involucradas en lixiviación son:
Calcosina
Covelina
Bornita
Calcopirita
Pirita
Lixiviación de minerales sulfurados de cobre
Covelina:
CuS + Fe2 (SO4)3 CuSO4 + 2 FeSO4 + S°
En la reacción anterior la velocidad de disolución se encuentra
controlada por la reacción química y la concentración de Fe3+
Lixiviación de minerales sulfurados de cobre
Calcosina:
5 Cu2S + 4 Fe2 (SO4)3 5 Cu1.2S + 4 CuSO4 + 8 FeSO4
La disolución de la calcosina con sulfato férrico ocurre en dos etapas.
La primera etapa es la conversión de la calcosina a covelina secundaria
(Cu1,2S) y la segunda etapa corresponde a la disolución de la covelina
secundaria.
5 Cu1.2S + 6 Fe2 (SO4)3 6 CuSO4 + 12 FeSO4 + 5 S°
Lixiviación de minerales sulfurados de cobre
Calcopirita:
CuFeS2 + 2 Fe2 (SO4)3 CuSO4 + 5 FeSO4 + 2 S°
La calcopirita es el mineral de cobre más común y refractario a ladisolución en comparación con otros sulfuros.
Existen distintas opiniones sobre que factor define la velocidad dedisolución de la calcopirita con sulfato férrico. Estas son:
El control a la reacción se encuentra en la superficie.
La velocidad de reacción se encuentra controlada por el transportedel ion férrico a través de la capa de azufre elemental.
La velocidad de reacción se encuentra controlada por el transporte deelectrones a través de la capa de azufre elemental formada.
Lixiviación de minerales sulfurados de cobre
Ejercicio: Encontrar la reacción de disolución de la bornita.
Cu5FeS4 + 6 Fe2(SO4)3 5 CuSO4 + 13 FeSO4 + 4 S°
Termodinámica de la lixiviación
La termodinámica permite predecir la posibilidad que determinada
reacción tenga lugar y así seleccionar las mejores condiciones para la
obtención de un producto químico de interés.
Los aspectos termodinámicos son fundamentales en la explicación de la
acción de los sistemas químicos acuosos tales como la disolución de
minerales.
Diagramas de equilibrios potencial – pH
Los dos parámetros termodinámicos más importantes son el potencial
(energía libre) y el pH (actividad del ion hidrógeno).
Los diagramas de estabilidad conocidos como diagramas de Pourbaix o
Eh-pH, corresponden a métodos gráficos que permiten visualizar todos
los equilibrios físicoquímicos de reacciones posibles donde intervienen
protones y/o electrones.
Con respecto a la lixiviación, aportan valiosa información para describir
las trayectorias de reacciones y campos de estabilidad de fases, las cuales
influencian el proceso.
Diagramas de equilibrios potencial – pH
Diagramas de equilibrios potencial – pH
