PIRO-HIDRO Y ELECTROMETALURGIA

INGENIERIA CIVIL MINAS

NIVEL 402

Por hidrometalurgia se entiende los procesos de lixiviacin selectiva ( disolucin ) de los componentes valiosos de las menas y su posterior recuperacin de la solucin por diferentes mtodos. El nombre de hidrometalurgia se refiere al empleo generalizado de soluciones acuosas como agente de disolucin. La hidro-electrometalurgia comprende el conjunto de procesos de lixiviacin y precipitacin por medio de electrlisis, donde los procesos electroqumicos son precedidos por los procesos hidrometalrgicos.

Los reactivos qumicos empleados ( agentes lixiviantes ) deben reunir muchas propiedades para poder usarse, por ejemplo : no deben ser muy caros, deben ser fcilmente recuperables y deben ser bastante selectivos para disolver determinados compuestos. Hay tres principales etapas de los procesos hidrometalrgicos : ( 1 ) Disolucin del componente deseado presente en la fase slida. ( 2 ) Concentracin y/o purificacin de la solucin obtenida. ( 3 ) Precipitacin del metal deseado o sus compuestos.

Conceptos bsicos

Cuando hablamos de Yacimientos Minerales, hay una serie de conceptos que tienen una gran importancia, ya sea en los aspectos geolgicos-geoqumicos, o en los econmicos. Los ms importantes son los siguientes:

Mena: Es el mineral cuya explotacin presenta inters. En general, es un trmino que se refiere a minerales metlicos y que designa al mineral del que se extrae el elemento qumico de inters (Cu de la calcopirita, Hg del cinabrio, Sn de la casiterita, entre muchos ejemplos posibles).

Ganga: Comprende a los minerales que acompaan a la mena, pero que no presentan inters minero en el momento de la explotacin. Ejemplos frecuentes en minera metlica son el cuarzo y la calcita. Conviene resaltar que minerales considerados como ganga en determinados momentos se han transformado en menas al conocerse alguna aplicacin nueva para los mismos.

Reservas: Cantidad (masa o volumen) de mineral susceptible de ser explotado. Depende de un gran nmero de factores: ley media, ley de corte, y de las condiciones tcnicas, medioambientales y de mercado existentes en el momento de llevar a cabo la explotacin.

Ley media: Es la concentracin que presenta el elemento qumico de inters minero en el yacimiento. Se expresa como tantos por ciento, o como gramos por tonelada (g/t) (equivale a partes por milln, ppm) u onzas por tonelada (oz/t).

Ley de corte: Es la concentracin mnima que debe tener un elemento en un yacimiento para ser explotable, es decir, la concentracin que hace posible pagar los costos de su extraccin, tratamiento y comercializacin. Es un factor que depende a su vez de otros factores, que pueden no tener nada que ver con la naturaleza del yacimiento, como por ejemplo pueden ser su proximidad o lejana a vas de transporte, avances tecnolgicos en la extraccin, etc.

Cobre Nativo

Sulfurados de cobreCalcopiritaBornitaCalcosinaCovelina

Oxidados de cobreMalaquitaCrisocolaAzuritaBrochantitaCuprita

Especies oxidadas de cobre

Malaquita: Cu2CO3(OH)2 % Cu = 57,0%.Cuprita: Cu2O %Cu = 89%Azurita: Cu3[(OH/CO3]2 % Cu = 55% Brochantita. Cu4SO4(OH)6. % Cu= 56 % Especies sulfuradas de cobreCalcopirita: CuFeS2 %Cu = 35%Bornita: Cu5FeS4 %Cu = 63%Covelina: CuS %Cu = 67 %Calcosina: Cu2S %Cu = 80%

Especies oxidadas de cobreMALAQUITA: Cu2CO3(OH)2 % Cu = 57 %.CUPRITA: Cu2O %Cu = 89 %TENORITA: CuO %Cu = 80 %AZURITA: Cu3[(OH/CO3]2 % Cu = 55 % BROCHANTITA: Cu4SO4(OH)6. % Cu= 56 %CRISOCOLA: CuSiO3*2H20 % Cu= 32 % REACCIONES QUIMICASMALAQUITA 2Cu2(OH)2CO3+4H2SO4 4CuSO4+2CO2 + 6H2OCUPRITA Cu2O + 2H2SO4 + O2 2CuSO4 + + 2H2O CUPRITA Cu2O+ Fe2(SO4)3+H2SO4 2CuSO4+FeSO4+H2OTENORITA CuO + H2SO4 CuSO4 + H2OAZURITA Cu3(OH)2(CO3)2 +3H2SO43CuSO4+2CO2 +4H2OBROCHANTITA Cu4SO4 (OH)6 + 3H2SO4 4CuSO4 + + 6H2OCRISOCOLA CuSiO3*2H2O + H2SO4 CuSO4 +SiO2+ 3H2O

LIXIVIACION DE MINERALES OXIDADOS DE COBRE

MineralGranulometraLixiviante% Recup.Tpo Lix.T (C)Azurita-100 + 200 #1 5 % H2SO41001 horaambienteMalaquita-100 + 200 #1 5 % H2SO41001 horaambienteTenorita-100 + 200 #1 % H2SO4981 horaambienteCrisocola-13.3 + 3 #5 % H2SO410030 horasambiente- 10 + 28 #5 % H2SO4976 horasambienteCuprita-10 + 28 #Fe2(SO4)3 ac.993 dasambiente-100 + 200 #Fe2(SO4)3 ac1001 horasambiente

UNIDADES DE MASA

Equivalenciamiligramo (mg)0,001 de gramocentigramo (cg)0,01 de gramodecigramo (dg)0,1 de gramoSubmltiplosgramo (gr)0,001 de kilogramodecagramo (dag)0,01 de kilogramohectogramo (hg)0,1 de kilogramoUnidadkilogramo (kg)1.000 gramosquintal mtrico (qm)100 kilogramosMltiplostonelada mtrica (tm)1.000 kilogramos

UNIDADES DE MASA EN EL SISTEMA INGLES Y NORTEAMERICAMO

EquivalenciaTonelada larga (tl) Ton. Inglesa1.016,05 kilogramosTonelada corta (tc) 1US ton907,184 kilogramosTonelada corta (tc)2000 libraslibra453,59 gramos1 kilogramo2.244634 libras1 libra16 onzas1 onza troy31,10345 gramos

TCIniciales de Tonelada Corta y equivalente a 2,000 libras.TCSTonelada Corta Seca. Cuando se usa con respecto a concentrados, excluye el agua contenida en el concentrado.TMIniciales de Tonelada Mtrica, equivalente a 1.10231 toneladas cortas.TMHTonelada Mtrica Hmeda, cuando est referida a concentrados, no excluye el contenido de agua en el concentrado.TMSTonelada Mtrica Seca. Cuando se usa con respecto a concentrados, excluye el agua contenida en el concentrado.

LEYES

Minerales de alta ley, se expresa en porcentaje (%), ejemplo cobreMinerales de baja ley en gramos pot tonelada (g/t), ejemplo oro

Finos: Masa del elemento de inters

Ley = Finos/masa total *100

Ejemplo: 1000 ton de mena con 20 ton de cobre tienen una ley de:

Ley=20 ton cobre/1000 ton mena *100 = 2% de cobre

Expresar gramos por toneladas en porcentaje:

1 g/t = 0,0001 %

Ejemplo un mineral que tenga un 2 % de cobre, ser equivalente a decir 20000 g/t de cobre

DETERMINACIN DEL CONSUMO DE ACIDO DE UNA MUESTRA DE MINERAL OXIDADO DE COBRE

MTODO La muestra mineral es lixiviada con una solucin de cido Sulfrico de concentracin 50 gramos por litro, durante 24 horas. A la solucin una vez filtrada, se le determina la concentracin de cobre por absorcin atmica y la acidez para determinar la cantidad de cido consumido en la extraccin del cobre.

TRATAMIENTO DE MUESTRASPesar con una precisin de 0,1 mg, 10 g de muestra y transferir a vaso precipitado de 250 ml, adicionar 100 ml de cido Sulfrico de 50 g/L y lixiviar por 24 horas, agitando el vaso al comienzo y al final de la lixiviacin. Filtrar y tomar una alcuota para la determinacin del cobre solubilizado, agregando HCl para que la solucin quede al 2% en cido clorhdrico. Leer por Absorcin Atmica. Tomar otra alcuota para determinar la concentracin de cido sulfrico residual, titulando con carbonato de sodio.

CALCULO DEL CONSUMO DE ACIDO

Una vez determinado el cobre y el cido residual se calcula el cido consumido y se relaciona con el cobre solubilizado.

a) cido consumido = Concentracin de cido inicial Concentracin del cido residual Si cido inicial es 50 g/L y el cido residual es 40 g/L, el cido consumido ser:cido consumido = 50 40 =10 g/L, como el volumen del cido de lixiviacin fue 100 ml, entonces el cido real consumido es : 10 g/L x 0,100 L = 1.0 g = 1000 mg

b) Cobre solubilizadoEl cobre solubilizado se calcula a partir de la concentracin analizada, si la ley del cobre soluble es de 1,0 %, entonces el cobre extrado en los 10 gramos de muestra que se lixiviaron, sera :

= 0,100 g = 100 mg

Consumo de cido

El consumo de cido se determinara dividiendo el cido consumido por el cobre extrado y se expresara como: Kg H2SO4 / Kg Cu soluble bien ton H2SO4 / ton Cu soluble

Para el ejemplo anterior Kg H2SO4 / Kg Cu soluble =

Kg H2SO4 / Kg Cu soluble = 10 Significa que para extraer 1 cobre, se necesitan 10 H2SO4 Las unidades pueden se toneladas, kilos, etc.

Ejemplo:Se evalo un mineral oxidado de cobre para ver la posibilidad de lixiviarlo, las caractersticas del mineral, muestran que pareciera contener mucho carbonato. El resultado de l anlisis qumico fue el siguiente:Cobre soluble = 2 %H2SO4 consumido = 4500 mg

Recordemos que para analizar el cobre soluble, se utiliz el mtodo anteriormente descrito por lo que se pesaron 10 g de mineral y se lixivi con 100 ml de H2SO4 Por lo que si la muestra contena un 2 % de cobre, significa que en los 10 gramos que se lixiviaron haban: (2/100)x 10 = 0,2 g de cobre = 200 mg de cobre

Entonces si para extraer los 200 mg de cobre se necesitaron 2500 mg de H2SO4, entonces para extraer 1 cobre se necesitaran: ( 4500/200)x 1 = 22.5 Podemos apreciar que el mineral consume mucho cido lo que lo hace no rentable para procesarlo por lixiviacin.

Malaquita + atacamita + crisocola = MineralGanga= silicatos+calcita+oxidos de hierroMena= mineral+ganga

Sistemas de lixiviacin

En general, la prctica industrial de la lixiviacin presenta diferentes sistemas de operacin que se seleccionan de acuerdo a factores tcnicos y econmicos en el anlisis de un proyecto, algunos de los cuales son:

- ley de la especie de inters a recuperar- reservas de mineral- caracterizacin mineralgica y geolgica- comportamiento metalrgico- capacidad de procesamiento- costos de operacin y de capital- rentabilidad econmica, ...

Lixiviacin in situ - in place

La lixiviacin IN PLACE se refiere a la lixiviacin de residuos fragmentados dejados en minas abandonadas, mientras la lixiviacin IN SITU se refiere a la aplicacin de soluciones directamente a un cuerpo mineralizado.Por lo general, estas operaciones presentan actualmente un gran inters por los bajos costos de inversin y operacin que se requieren, y que posibilitan recuperarvalores metlicos que de otra manera no podran ser extrados. Los bajos costos son consecuencia de evitar o al menos disminuir los costos de extraccin minera,el transporte del mineral a la planta y de los desechos finales del proceso, y la construccin de una planta de lixiviacin. Generalmente, la recuperacin es baja (< 50% ).

Lixiviacin en botaderos (Dump leaching)

Esta tcnica consiste en lixiviar lastres, desmontes o sobrecarga de minas de tajo abierto, los que debido a sus bajas leyes (por ej. < 0.4% Cu) no pueden ser tratados por mtodos convencionales. Este material, generalmente al tamao "run of mine" es depositado sobre superficies poco permeables y las soluciones percolan a travs del lecho por gravedad. Normalmente, son de grandes dimensiones, se requiere de poca inversin y es econmico de operar, pero la recuperacin es baja (por ej. 40-60 % Cu) y necesita tiempos excesivos para extraer todo el metal. Las soluciones se alimentan generalmente por aspersin.

Normalmente la lixiviacin en botaderos es una operacin de bajo rendimiento (pero tambin de bajo costo). Entre las diferentes razones para ello se puede mencionar :- Gran tamao de algunas rocas (> 1 m).- Baja penetracin de aire al interior del botadero.- Compactacin de la superficie por empleo de maquinaria pesada.- Baja permeabilidad del lecho y formacin de precipitados (yeso, ...)Excesiva canalizacin de la solucin favorecida por la heterogeneidad de tamaos del material en el botadero.

Equipos de lixiviacin en batea. Lixiviacin en batea o estanque (por percolacin)Esta tcnica consiste en contactar un lecho de mineral con una solucin acuosa que percola e inunda la batea o estanque. Los minerales a tratar por este mtodo deben presentar contenidos metlicos altos o muy altos, debiendo ser posible lixiviar el mineral en un perodo razonable (3 a 14 das) y en trozos de tamao medio con tonelajes suficientes de mineral percolable en el yacimiento que permitan amortizar la mayor inversin inicial que requiere este tipo de proceso.Ya que esos minerales no existen ms, es una tecnologa antigua actualmente en desuso.

Lixiviacin en pilas (heap leaching)

El mineral procedente de la explotacin, a cielo abierto o subterrnea, debe ser ligeramente preparado en una planta de chancado y/o aglomeracin, para conseguir una granulometra controlada que permita un buen coeficiente de permeabilidad.Una vez preparado el mineral, se coloca en montones de seccin trapezoidal y altura calculada para proceder a su riego con la solucin lixiviante. Tras percolar a travs de toda la pila, se recolectan los lquidos enriquecidos (solucin rica) que se llevan a la planta de proceso de recuperacin de la sustancia mineral (sal o metal). Las aguas sobrantes del proceso vuelven a ser acondicionadas para serrecicladas hacia las pilas. Tambin en algunos casos es preciso aadir agua nueva, para reponer las fuertes prdidas de evaporacin del circuito.

Se denomina cancha de lixiviacin a la superficie de apoyo de la pila donde se coloca la impermeabilizacin. Cuando la cancha es recuperada para reutilizarla con un nuevo mineral se trata de lixiviacin en PILAS DINAMICAS, mientras que si el terreno no es recuperado y, por lo tanto, el mineral agotado queda en el depsito como nueva base para otra pila, se est en la lixiviacin en PILAS ESTATICAS o PERMANENTES.

La solucin rica (S.R. o P.L.S. : pregnant leach solution) es generalmente impura y diluida y debera ser purificada y concentrada antes de recuperar el metal. En la hidrometalurgia del cobre, eso se realiza mediante la extraccin por solvente seguida por la electrodepositacin del cobre. La solucin rica slo contiene 4 6 g/l Cu y 1 - 2 g/l H2SO4 y es impura ( 5 g/l Fe, SiO2, Al2O3 coloides, slidos en suspensin, ...)

Esquema de un sistema de lixiviacin en pilas.

ASPECTOS A CONSIDERAR EN UNA PILA DE LIXIVIACIN

Chancado del mineralEl chancado del mineral debe cumplir con tres objetivos :Ser lo suficiente fino para que la mayora de la especie metlica valiosa este expuesta a la accin de la solucin lixiviante. Por ej. : 100 % bajo 3/4" (2) No puede producir demasiado partculas finas para no alterar la permeabilidad de la pila. ( Por convencin, se llama fina toda partcula bajo 100 mallas) Material arcillosoPor ej. : partculas finas < 10%(3)El mineral chancado debe ser el ms homogneo posible, todas las partculas siendo comprendidas en un estrecho rango de tamao Permeabilidad del lechoSe necesita que el lecho de partculas que conforman la pila sea bien permeable, para asegurar una buena percolacin y dispersin de la solucin lixiviante en la pila, sin escurrimiento preferencial. Tambin, las pilas podran derrumbarse si haba acumulacin de agua en la pila. La permeabilidad del lecho de mineral es mayor si : - Las partculas son de tamao suficientemente grande - No hay acumulacin de partculas finas - El tamao de las partculas es homogneo en la pila - No hay compactacin de la pila por maquinaria pesada

Lixiviacin de cobre La lixiviacin de cobre es un proceso hidrometalrgico que permite obtener el cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una disolucin de cido sulfrico y agua. Este proceso se basa en que los minerales oxidados son sensibles al ataque de soluciones cidas.

Etapas del proceso

a) Chancado: el material extrado de la mina (generalmente a rajo abierto), que contiene minerales oxidados de cobre, es fragmentado mediante chancado primario y secundario (eventualmente terciario), con el objeto de obtener un material mineralizado de un tamao mximo de 1,5 a pulgadas. Este tamao es suficiente para dejar expuestos los minerales oxidados de cobre a la infiltracin de la solucin cida.

Aglomeracin El proceso de aglomeracin tiene como objetivo preparar el material mineralizado par la lixiviacin, de manera de asegurar un buen coeficiente de permeabilidad de la solucin. Un factor crtico a veces no suficientemente investigado y que en muchos casos ha conducido a fallas o al cierre de las plantas en operacin, es la permeabilidad. La permeabilidad es dependiente de las caractersticas fsicas del material en cuanto a proporcin de poros, la que depende a su vez, de la proporcin entre lamas (granulometras inferiores a 5-10 micrones) finos (granulometras inferiores a 100-150 micrones) y gruesos, y del mtodo de formacin de las pilas o depsitos.

Con proporciones del 10-20% de estos materiales finos, pueden existir problemas de permeabilidad y si no se asegura la permeabilidad en los lechos de lixiviacin, no hay percolacin, ni contactos, disolucin ni extraccin de valores, debido a que los finos segregan y forman reas ciegas que disminuyen la percolacin, se favorece la compactacin en la formacin de las pilas y puede ocurrir que estas partculas se vayan al fondo de la pila impidiendo el flujo uniforme de la solucin enriquecida.

AGLOMERACION Y CURADO

Busca mejorar dos Aspectos:Fsico (unir los finos)Qumico (disolver

ASPECTO FISICO

Unir las partculas finas a las ms gruesasAportar una mejor percolabilidad a la pilaEvitar zonas muertas y caminos preferenciales

ASPECTO QUIMICO

Acelerar la solubilidad del cobre al agregarle acido concentrado

Sin AglomerarAglomeradaZona Muerta

Proceso de aglomeracinPara una mejor percolacin, se tiene que reducir la cantidad de partculas finas en la pila para aumentar su permeabilidad. Hoy en da, el proceso ms empleado para solucionar el problema de los finos es la aglomeracin.El proceso de aglomeracin consiste en esencia en la adhesin de partculas finas a las gruesas, que actan como ncleos o la aglomeracin de los finos con los finos, a partir de la distribucin de tamaos en la alimentacin

El equipo ms comn es el tambor aglomerador. Consiste en un cilindro inclinado girando a baja velocidad, ocasionando el deslice (cascada) y la aglomeracin del mineral previamente mojado con agua y/o adherentes. Se practica tambin la aglomeracin en depsitos (stock), en cintas transportadoras.

Aglomeracin por humedadEl proceso ms simple de aglomeracin es humedecer el mineral con lquido, hasta alcanzar un contenido de agua que origine una tensin superficial suficiente, para que al colisionar las partculas entre s, los finos se adhieran a los tamaos gruesos. Se forma un puente lquido entre las partculas.El clculo terico de la humedad ptima es casi imposible y depende de muchos factores como la mineraloga del mineral, contenido de finos, arcillas, ... Puede ser de 6 - 8 % para minerales muy limpios, hasta un 10-15 % H2O para materiales normales.

Aglomeracin por adherentesExisten ciertos materiales que pueden mejorar la adherencia de las partculas finas a las gruesas, prolongando esta unin tanto en la manipulacin como en la operacin de lixiviacin.En el caso de la lixiviacin del cobre, la aglomeracin (o curado) se realiza con el mismo lixiviante cido en un tambor rotatorio. Primero, se humecta el mineral (+/- 4%) con agua o solucin pobre (refino). Despus, se agrega cidosulfrico concentrado (+/- 30 kg/t o 3%), este cido ataca el mineral y genera compuestos cementantes entre las partculas.

Adems de la aglomeracin, ocurren reacciones qumicas conduciendo a la formacin de sulfatos de cobre y hierro (curado propiamente tal). Estas reacciones son exotrmicas y generan mucha calor. Por ejemplo :

CuO + H2SO4 => CuSO4 + H2O

CuSiO3 + H2SO4 => CuSO4 + SiO2 + H2O Despus de la aglomeracin en el tambor rotatorio, se deja reposar el mineral durante 24 h en la pila, para que se completen las reacciones qumicas y que se adhieren entre s las partculas en la misma pila.

En el caso de la aglomeracin de minerales de oro y plata, los aglomerantes son normalmente el cemento y la cal. Estos reactivos mejoran la adhesin de las partculas entre s, y tambin aumentan el pH del mineral para su posterior cianuracin.

b) Formacin de la pila: el material chancado es llevado mediante correas transportadoras hacia el lugar donde se formar la pila. En este trayecto el material es sometido a una primera irrigacin con una solucin de agua y cido sulfrico, conocido como proceso de curado, de manera de iniciar ya en el camino el proceso de sulfatacin del cobre contenido en los minerales oxidados. En su destino, el mineral es descargado mediante un equipo esparcidor gigantesco, que lo va depositando ordenadamente formando un terrapln continuo de 6 a 8 m de altura: la pila de lixiviacin. Sobre esta pila se instala un sistema de riego por goteo y aspersores que van cubriendo toda el rea expuesta. Bajo las pilas de material a lixiviar se instala previamente una membrana impermeable sobre la cual se dispone un sistema de drenes (tuberas ranuradas) que permiten recoger las soluciones que se infiltran a travs del material.

c) Sistema de riego: a travs del sistema de riego por goteo y de los aspersores, se vierte lentamente una solucin cida de agua con cido sulfrico en la superficie de las pilas. Esta solucin se infiltra en la pila hasta su base, actuando rpidamente. La solucin disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solucin de sulfato de cobre, la que es recogida por el sistema de drenaje, y llevada fuera del sector de las pilas en canaletas impermeabilizadas.

El riego de las pilas, es decir, la lixiviacin se mantiene por 45 a 60 das, despus de lo cual se supone que se ha agotado casi completamente la cantidad de cobre lixiviable. El material restante o ripio es transportado mediante correas a botaderos donde se podra reiniciar un segundo proceso de lixiviacin para extraer el resto de cobre. De la lixiviacin se obtienen soluciones de sulfato de cobre (CUSO4) con concentraciones de hasta 9 gramos por litro (gpl) denominadas PLS que son llevadas a diversos estanques de almacenmiento. Estas soluciones de sulfato de cobre limpias son llevadas a planta de extraccin por solvente para concentrarlos a unos 50 gramos por litro y enviar esta solucin al proceso de electrolisis.

Diseo de pila

Capacidad planta de Chancado

Superficie del terreno

Carpeta plstica

APILAMIENTO DEL MINERAL

SISTEMA DE REGADO DE LA PILA

SISTEMA DE REGADIO DE LA SUPERFICIE DE LA PILA

MANTO VERDE

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