Biolixiviacin de Metales en Minerales con Arsenopirita Mediante Cepas de

Acidithiobacillus ferrooxidans en Cultivo Continuo

Tesis que como Requisito para obtener el Grado de Doctor en Ciencias en Ciencia de Materiales presenta:

Mario Antonio Makita Aguilar

Director de Tesis: Dr. Erasmo Orrantia Borunda

Chihuahua, Chihuahua, Agosto de 2004

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DEDICATORIA

A Dios, por permitrmelo.

A mi querida esposa Margarita, mi fuente de amor, inspiracin y equilibrio.

A mis hijos, Margarita y Mario Antonio, mi motivacin y mi orgullo.

A la memoria de mis padres y de mi madre poltica, nuestras races.

A los Peques con un cario muy especial.

A mis hermanos, hermanos polticos y sobrinos con amor y afecto.

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RESUMEN

La Biolixiviacin es un proceso que ha sido usado en el pasado para el tratamiento previo de los sulfuros minerales, principalmente para la extraccin de oro, cobre y uranio. Esta tecnologa ha probado ser ms econmica, ms eficiente y ms amigable con el medio ambiente, que los procesos de tostado y de calentamiento hmedo a alta presin, usados convencionalmente. El microorganismo ms estudiado en los procesos de oxidacin biolgica es el Acidithiobacillus ferrooxidans. Existen muy pocos estudios sobre el beneficio de metales de bajo valor, mediante el uso de la biolixiviacin, de ellos, son sumamente escasos aquellos estudios que tratan sobre minerales complejos de arsenopirita ( FeAsS). La reduccin y/o eliminacin del arsnico en estos minerales, incrementara su valor y permitira la explotacin de una gran cantidad de menas que estn siendo subexplotadas. Este trabajo est orientado a estudiar la reduccin del contenido de arsnico en concentrados complejos de galena y calcopirita, adems de generar datos preliminares que permitan realizar estudios posteriores tendientes a comprender el comportamiento del proceso de biolixiviacin de estos minerales. En una primera etapa, el estudio trata de determinar la influencia de algunos factores, sobre la biolixiviacin del arsnico a partir de concentrados complejos de plomo y de cobre. Los principales factores que influyen el proceso biolgico de oxidacin, se estudiaron utilizando un diseo experimental factorial fraccionario de dos niveles. Los factores fueron: rea superficial, densidad de la pulpa, burbujeo de bixido de carbono, burbujeo de aire, adicin de medio 9K, adicin de FeCl3 y dos diferentes cepas de Acidithiobacillus ferrooxidans. En la segunda etapa, los resultados obtenidos en la primera etapa se utilizaron para disear un proceso continuo de biolixiviacin. La operacin continua de un proceso de fermentacin, ofrece algunas ventajas sobre los mtodos convencionales por lote, desde los puntos de vista operacionales y de costos. La ventaja ms visible es el incremento de la productividad con el uso del mismo equipo. Este trabajo explora la factibilidad de llevar a cabo el proceso de biolixiviacin de arsnico a partir de concentrados minerales complejos de plomo y cobre, usando el cultivo continuo.

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ABSTRACT

Bioleaching is a process that has been used in the past in mineral pretreatment of refractory sulfides, mainly in the gold, copper and uranium benefit. This technology has been proved to be cheaper, more efficient and environmentally friendly than roasting and high pressure moisture heating processes. So far the most studied microorganism in bioleaching is Acidithiobacillus ferrooxidans. There are a few studies about the benefit of metals of low value through bioleaching. From all of these, there are almost no studies dealing with complex minerals containing arsenopyrite (FeAsS). Reduction and/or elimination of arsenic in these ores increase their value and allows the exploitation of a vast variety of minerals that today are being underexploited. This work is aimed to reduce the arsenic content in complex concentrates of galena and chalcopyrite and to generate preliminary data to allow us to conduct further studies to understand the complex behavior of the bioleaching process. In the first step, this study deals with the influence of main factors in batch bioleaching over the arsenic solubilization from complex lead and copper concentrates. The main factors influencing the biooxidative treatment were tested using a two level fractional factorial plan of experiments and they were: surface area, pulp density, carbon dioxide bubbling, air bubbling, 9 K medium addition, FeCl3 addition, and two different At. Ferrooxidans strains. In the second step, results obtained during the first step, were used to design and a continuous bioleaching process. Continuous operation of a fermentation process offers a number of advantages over the conventional batch method from both cost and operational viewpoints. The most striking advantage is increased productivity from the same equipment. This work explores the feasibility of carry out the arsenic bioleaching process, over refractory lead and copper complex mineral ores, using continuous cultivation.

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NDICE TEMA Pgina

INTRODUCCIN 1HIPTESIS 3OBJETIVO GENERAL 3OBJETIVOS PARTICULARES 3ANTECEDENTES 4

Biolixiviacin 4 Historia de la biolixiviacin 4 Mecanismos de la biolixiviacin 5 Mecanismo del tiosulfato 8 Mecanismo del polisulfuro 8 Conversin galvnica 8 Biolixiviacin de arsenopirita 9 Biolixiviacin de sulfuros de cobre 9 Microorganismos en la biolixiviacin 10 Caractersticas generales 10 Microorganismos asociados con la biolixiviacin 10 Acidithiobacillus ferrooxidans 12 Resistencia bacteriana al arsnico y antimonio 13 Minerales complejos de arsenopirita 15 Mtodos de biolixiviacin 17 Heap leaching (amontonamientos) 17 In situ 18 Columnas de percolacin 18 Cultivo por lote 19 Cultivo continuo 20

DESARROLLO EXPERIMENTAL 21 Estructura del trabajo experimental 21 MINERAL DE PLOMO 23 PRIMER EXPERIMENTO: Prueba de crecimiento de At.

ferrooxidans en un mineral de galena con alto contenido de arsnico

23

OBJETIVO 23 MATERIALES Y MTODOS 23

Mineral 23 Origen 23 Anlisis qumico y mineragrfico 23 Cultivo de Acidithiobacillus ferrooxidans en el mineral 24 Mediciones y muestreo del proceso de biolixiviacin 24

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RESULTADOS Y DISCUSIN 25 Composicin qumica del mineral 25 Complejidad del mineral 25 Espectros de energa dispersiva 29 Biolixiviacin de fierro y arsnico 34 Fotografas del ataque bacteriano a las partculas de

mineral 35

CONCLUSIONES DEL PRIMER EXPERIMENTO DEL MINERAL DE PLOMO

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SEGUNDO EXPERIMENTO: Probar el efecto de siete factores

sobre la lixiviacin de arsnico en un concentrado de galena con arsenopirita

43

OBJETIVO 43 MATERIALES Y MTODOS 43 Mineral: origen, anlisis qumicos y mineralgicos 43 Diseo del experimento 43 Factores y niveles en las corridas experimentales 44 Condiciones de cultivo y muestreo 45 Anlisis de los datos 46 Software 47 RESULTADOS Y DISCUSIN 48 Caractersticas mineralgicas y qumicas del

concentrado de plomo 48

Efecto de la complejidad del concentrado 48 Especies minerales biolixiviadas 51 Formacin de precipitados durante la biolixiviacin 52 Optimizacin de la disolucin de arsnico 53 Corrida ptima 55 Biolixiviacin general de arsnico 56 Efecto de la densidad de la pulpa 57 Efecto del rea superficial 59 Efecto de la adicin de cloruro frrico 60 Efecto del bixido de carbono 60 Efecto del aire 62 Efecto de la adicin de medio 9K 63 Efecto de la cepa utilizada 63 Clculo preliminar de la velocidad de dilucin para una

cultivo continuo 64

CONCLUSIONES DEL SEGUNDO EXPERIMENTO DEL MINERAL DE PLOMO

66

TERCER EXPERIMENTO: Uso de la metodologa de las

superficies de respuesta para optimizar la densidad de la pulpa y la velocidad de dilucin

68

OBJETIVO 68 MATERIALES Y MTODOS 68

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Mineral: origen, anlisis qumicos y mineralgicos 68 Metodologa de las superficies de respuesta 68 Definicin 68 Diseos centrales compuestos 69 Propiedad rotatoria y puntos centrales 70 Diseo experimental 71 Obtencin del inculo 71 Condiciones de cultivo y muestreo 72 Anlisis de los datos 72 RESULTADOS Y DISCUSIN 73 CONCLUSIONES DEL TERCER EXPERIMENTO DEL

MINERAL DE PLOMO 77

CUARTO EXPERIMENTO: Cultivo continuo del concentrado de

plomo 78

OBJETIVO 78 MATERIALES Y MTODOS 78 Mineral: Origen, anlisis qumicos y mineralgicos 78 Construccin del aparato de biolixiviacin continuo 78 Obtencin del inculo 80 Condiciones de cultivo y muestreo 80 RESULTADOS Y DISCUSIN 81 Disolucin de arsnico 81 Velocidad de dilucin de lavado 82 CONCLUSIONES DEL CUARTO EXPERIMENTO DEL

MINERAL DE PLOMO 83

MINERAL DE COBRE 84 PRIMER EXPERIMENTO: Probar el efecto de siete factores

sobre la lixiviacin de arsnico y antimonio en un concentrado de cobre

84

OBJETIVO 84 MATERIALES Y MTODOS 84

Mineral: Origen, anlisis qumicos y mineralgicos 84 Diseo del experimento 85 Factores y niveles en las corridas experimentales 85 Condiciones de cultivo y muestreo 86 Anlisis de los datos 86 Software 88 RESULTADOS Y DISCUSIN 89

Caractersticas mineralgicas y qumicas del concentrado de cobre

89

Biolixiviacin de cobre 93 Biolixiviacin de arsnico 97 Biolixiviacin de antimonio 100 Efecto de la complejidad del concentrado 103

viii

Condiciones ptimas para la lixiviacin de cobre, arsnico y antimonio

104

Efecto de la densidad de la pulpa 104 Efecto del rea superficial 107 Efecto de la adicin de cloruro de plata 109 Ef