HIDROMETALURGIA

LIXIVIACIÓN IN SITU

INTRODUCCIÓN

La minería metálica in situ comprende sistemas de recuperación de elementos metálicos mediante lixiviación, en el lugar de origen, usando reactivos químicos apropiados. Los métodos recuperan metales existentes en un yacimiento mineral haciendo circular soluciones a través de la masa de mineral en su estado geológico natural o sometido a fracturamiento previo in situ, y recuperando las soluciones cargadas para su procesamiento en planta.

En todas las explotaciones mineras se determinó que la fragmentación es una variable básica y debería obtenerse por perforación y voladura o por hidrofracturación para crear buena permeabilidad del yacimiento a la acción de la solución lixiviante.

Ejemplos son las operaciones mineras del Sur de USA donde para aplicar lixiviación insitu, se efectuaron primero trabajos de fragmentación usando explosivos convencionales en voladuras tipo coyote o a cielo abierto. Así mismo En el Perú se desarrolló la lixiviación in situ desde 1935 en la mina Cerro de Pasco. Al inicio el cobre se recuperó de las soluciones del drenaje de mina y luego la lixiviación se intensificó mediante el lavado de los tajeos antiguos y a partir del año 1960 se lixivió los echaderos de mineral de baja ley provenientes del desencapado del tajo a cielo abierto. Un sistema similar se desarrolló en las minas de Quiruvilca recuperando el cobre y la plata de minerales de baja ley.

Otras variables influyentes son la geología, en especial la génesis del yacimiento que es el opuesto del proceso in situ, el grado de porosidad natural de la roca, la inaccesibilidad del mineral abandonado por la explotación antigua o ubicado en áreas muy perturbadas o a gran profundidad donde puede llegarse con taladros largos y labores mineras convencionales.

LIXIVIACIÓN IN SITULa lixiviación IN SITU se refiere a la lixiviación de residuos fragmentados dejados en minas abandonadas aplicando soluciones directamente a un cuerpo mineralizado.

Según autores definen a la lixiviación IN SITU:

Según Bates y Jackson (1987) la minería in situ, definición aprobada por la Academia Nacional de Ciencias (2002), es " la remoción de los componentes valiosos de un de un yacimiento de mineral sin extracción física de la roca”. La American Geological Instituto define lixiviación in situ como un tipo de minería in situ en la que los metales o los minerales son lixiviados de las rocas por una solución acuosa, por un proceso hidrometalúrgico.

Wadsworth, (1983) Las tecnologías utilizadas en la lixiviación in situ se basan en geología, geoquímica, solución química, ingeniería de procesos, ingeniería química, hidrología, mecánica de rocas, utilización de explosivos tecnología e ingeniería del petróleo.

Mulhaus et al., (1999) La lixiviación es el resultado de la reacción del flujo de un líquido reactivo (el lixiviante) a través de un medio geológico permeable La solución lixiviante que contiene los reactivos (normalmente de carbonato de sodio, carbonato de amonio ácido sulfúrico con oxidantes o adicionales, como el gas oxígeno, peróxido de hidrógeno, sodio o peróxido de ácido nítrico) en las concentraciones deseadas suelen ser inyectada en un yacimiento de mineral de permeabilidad de tal manera que los componentes valiosos, por ejemplo, cobre, oro o el uranio se ponen en solución.La solución de lixiviación producida, pregnant leach solution (PLS), se recoge y se bombea a la superficie donde se procesa para recuperar el metal valioso mineral o producto (s), antes las soluciones de lixiviación son enriquecidas mediante la adición de reactivos y se inyecta de nuevo en el yacimiento de mineral.

Por lo general, estas operaciones presentan actualmente un gran interés por los bajos costos de inversión y operación que se requieren, y que posibilitan recuperar valores metálicos que de otra manera no podrían ser extraídos. Los bajos costos son consecuencia de evitar o al menos disminuir los costos de extracción minera, el transporte del mineral a la planta y de los desechos finales del proceso, y la construcción de una planta de lixiviación. Generalmente, la recuperación es baja (< 50%). Como se muestra en el siguiente cuadro una comparación de los diferentes métodos de lixiviación.

Para tener éxito, la lixiviación in situ requiere un sistema operativo práctico. Es esencial adoptar un enfoque sistémico que integra todos los componentes. Por ejemplo, una lixiviación exitosa puede requerir una adecuada fragmentación del mineral, sistema de distribución de la solución, la tasa de solución de adición y controlar la distribución, los sistemas reactivos, el control del pH, oxígeno disuelto o control Eh, sistema de inyección de aire, la adición de nutrientes bio-oxidación y control, un medio de forma progresiva seguimiento de la recuperación de lixiviación, el sistema de recolección de PLS, sistema de recuperación de metales, envases de productos y sistema de envío, un medio adecuado para prevenir o limitar las excursiones de solución y las pérdidas, un monitor y sistema, sistema de información ambiental, un sistema eficaz de recuperación en curso, etc.

VARIABLES DE LIXIVIACIÓN IN SITU

A. GEOLOGÍAFactores geológicos influyentes son el origen, tipo, génesis, ubicación, geometría, características del mineral y de la roca encajonante, estructura, buzamiento, fallas, plegamientos, diaclasas, nivel freático y corrientes de aguas artesianas.

B. MINERALOGÍAEl diseño más apropiado de recuperación de los valores metálicos debe basarse en la naturaleza química y física del proceso de formación del mineral y de acuerdo a Dudas L. y otros (1974), en la reproducción del estado de formación del mineral.Así, deben tomarse en cuenta la textura, porosidad, dureza, permeabilidad, cristalización, temperatura de formación y distribución de los valores metálicos.

C. HIDROGEOLOGÍAEl grado de porosidad y permeabilidad de la roca es un indicio de la presencia de corrientes de agua subterránea. La porosidad de la roca no consolidada depende del grado de compactación y de la forma y distribución por tamaños. En un material consolidado la porosidad dependerá de su grado de cementación y fracturamiento.Las rocas plutónicas, volcánicas y metamórficas tienen porosidades y permeabilidades pequeñas que van de 1 a 3% y 0.005 a 0.20 mm/día, respectivamente, lo que minimiza la presencia de aguas subterráneas. Las rocas sedimentarias presentan porosidades entre 0.5 y 20% y permeabilidades entre 1 y 200 mm/ día. Por lo tanto, las rocas sedimentarias son más favorables a las corrientes de agua subterráneas por su granulometría de diversos tamaños, grado de cohesión y cementación. Las fallas, diaclasas y alteraciones de la roca favorecen las corrientes de agua subterránea y contribuyen al ciclo hidrológico natural que es la fuente potencial de agua que debe cuidarse y preservarse (Ahlness J. K., 1991).

D. FRAGMENTACIÓNEl grado de fragmentación de la roca genera la permeabilidad y porosidad en el mineral y origina micro fracturas en la roca que constituyen vías de flujo del lixiviante. Los métodos de lixiviación dependen de la forma de aplicación del lixiviante y de su recuperación.La inyección y recuperación de la solución cargada mediante arreglos de taladros largos en un yacimiento fracturado se puede aplicar cuando no es posible la aplicación y recuperación de las soluciones a través de labores subterráneas.

E. PERCOLACIÓNDepende de las características fisicoquímicas del material a tratarse. Para acortar el tiempo de lixiviación se debe considerar varios factores como textura y permeabilidad, presiones de los gases como el aire dentro del material, esfuerzo debido a presiones y profundidad, temperatura, tamaño de partícula e interacción fisicoquímica.La textura y permeabilidad regulan la velocidad de percolación. El flujo en una roca de porosidad media está dado por la ecuación de Darcy:

Q = - K A P/(μ h) o Vt = K / μ. δP / δx

Dónde: Q = caudal, Vt = velocidad de la solución lixiviante, K = coeficiente de permeabilidad o permeabilidad específica del mineral, A = área de la sección, P = presión del líquido a través del material, h = profundidad del estrato o cuerpo mineralizado, μ = viscosidad de la solución y δP / δx = gradiente de presión o cabeza hidrostática de la solución.Estas expresiones indican que el caudal de percolación está en relación directa de la permeabilidad específica del material. El K tiene influencia en la velocidad de percolación y esta puede reducirse por la presencia de gases o aire en la masa de mineral.La percolación disminuye si la solución se alimenta de arriba hacia abajo por entrampamiento del aire.Si la alimentación es de abajo hacia arriba habrá menor generación de burbujas y las existentes serán desalojadas con facilidad. A mayor temperatura menor viscosidad y según la ley de Darcy la velocidad de flujo es inversamente proporcional a la viscosidad de la solución percolante por lo que a mayor temperatura mayor velocidad de flujo.Sullivan y otros (1981), concluyeron que el tamaño de partícula es la variable que más afecta la penetración del lixiviante deduciendo que el tamaño mínimo recomendable es malla -3 a -4. La disolución y penetración de la solución lixiviante en las partículas dependen además del grado en que el aire atrapado entre partículas es desalojado por la solución.

TIPOS DE LIXIVIACIÓN IN SITU

1) DEPENDIENDO DE LA ZONA A LIXIVIAR, QUE PUEDE SER SUBTERRÁNEA O SUPERFICIAL, SE DISTINGUEN TRES TIPOS DE LIXIVIACIÓN IN SITU.

TIPO I: Se trata de la lixiviación de cuerpos mineralizados fracturados situados cerca de la superficie, sobre el nivel de las aguas subterráneas. Puede aplicarse a minas en desuso, en que se haya utilizado el "block caving", o que se hayan fracturado hidráulicamente o con explosivos (IN PLACE LEACHING).

TIPO II: Son lixiviaciones IN SITU aplicadas a yacimientos situados a cierta profundidad bajo el nivel de aguas subterránea, pero a menos de 300 - 500 m de profundidad. Estos depósitos se fracturan en el lugar y las soluciones se inyectan y se extraen por bombeo.

TIPO III: Se aplica a depósitos profundos, situados a más de 500 m bajo el nivel de aguas subterráneas.

2) GRAVITACIONALLixiviación de cuerpos mineralizados situados cerca de la superficie y sobre el nivel de las aguas subterráneas. Se aplica en las zonas ya explotadas de minas viejas o en zonas que han sido fracturadas hidráulicamente o con explosivos.Lixiviación in-situ gravitacional las soluciones se mueven por gravedad, lo que requiere de condiciones de alta permeabilidad o de una fragmentación previa, como es el caso de los yacimientos ya fracturados por una explotación minera anterior, con accesos operativos en los niveles inferiores para recolectar las soluciones. Por ejemplo aquellas minas sometidas a explotación subterránea del tipo de hundimiento por bloques ("block caving"), lixiviación del cráter de San Manuel, en Arizona, Figura 16, o bien, son sometidos, previamente, a una tronadura masiva para su fracturamiento, como fue el caso experimental, probado en los años 1970, en Old Reliable Copper, en Mammoth, Arizona. Kennecott estudió el uso de una carga nuclear, en los años '70, pero varias incógnitas en torno a la disipación de la radiactividad y la contaminación del subsuelo que se puede generar no fueron satisfactoriamente resueltas.

3) LIXIVIACIÓN IN-SITU FORZADASe aplica a yacimientos, ubicados debajo del nivel freático, en cuyo caso se hace uso de la permeabilidad interna de la roca y de las temperaturas y altas presiones que se generan a varios cientos de metros de profundidad.

Las soluciones lixiviantes inyectan a través de pozos inyectores del tipo usado en la explotación del petróleo y se succiona desde otra batería de pozos cosechadores, dispuestos de forma alternada Figura 17como en el caso de recuperación de uranio desde estratos permeables horizontales. Esta técnica se ha usado en la recuperación de diversas sales fácilmente solubles, NaCl, KCl, minerales de uranio, y fosfato. Lixiviación forzadas tipo I Se aplica a yacimientos ubicados bajo el nivel de las aguas subterráneas, pero a menos de 200 m de profundidad. Estos depósitos se fracturan en el lugar y las soluciones se inyectan y extraen por bombeo. Es importante previo a la lixiviación, el drenaje del agua desde el cuerpo mineralizado, lo cual requiere un acabado conocimiento de la hidrología de la zona.

Lixiviación forzadas tipo II Se aplica a depósitos de sulfuros primarios bajo el nivel de las aguas subterráneas. El material puede ser fracturado por medios convencionales o medios hidrostáticos (hidrofracturación). A esta profundidad, la presión aumenta la solubilidad del oxígeno, a presión atmosférica el agua en equilibrio con aire contiene alrededor de 7 ppm de oxígeno, y para el equilibrio con oxígeno puro llega a 35 ppm este valor de oxígeno disuelto aumenta rápidamente a aumentar la profundidad hasta 1000 ppm a 300 m de profundidad, acelerando la oxidación directa del mineral sulfurado, produciendo ácido sulfúrico y elevando la temperatura.

BENEFICIOS DE LA LIXIVIACIÓN IN SITU

A continuación se enlistan los beneficios de la lixiviación in situ:

Aplicación: ISL se puede ser aplicado en minerales de menor grado y/o pequeños depósitos de mineral, donde la minería convencional no es rentable.

Estética y uso de la tierra: menor espacio ocupado en operaciones (menor huella), es decir, ausencia de sitios de eliminación de residuos, grandes canteras a cielo abierto, y grandes instalaciones de tratamiento de minerales.

Eficiencia energética: mucha menos energía es requerida en la ISL que en las otras formas de explotación minera.

Uso eficiente del agua: la ISL puede reducir el consumo de agua en comparación con la minería convencional como resultado de la menor evaporación y la eliminación del agua contenida en los relaves convencionales.

Condiciones del proceso: cuando es posible aplicar soluciones bajo una presión hidrostática, las tasas de lixiviación pueden aumentar debido a, por ejemplo, una mayor concentración de oxígeno en solución.

Hidrometalurgia: la ISL emplea la hidrometalurgia, la cual tiene muchas ventajas por sobre los procesos piro metalúrgicos (por ejemplo, la fundición). La lixiviación in situ de metales, en su mayoría es recuperada en el PLS por procesos como el intercambio iónico, cementación, y electro-obtención.

Económico: evitar la necesidad de las minas, manipular, aplastar, moler, tratar y transportar grandes cantidades de mineral, residuos y concentrar el potencial mejora económico en la producción del metal.

Medio Ambiente: La eliminación de grandes canteras a cielo abierto, el mineral y las existencias de desechos convencionales de minería y procesamiento de minerales. Es posible un mejor control del drenaje del ácido de la roca (sin embargo, el gran cuidado debe tenerse para proteger la calidad del agua en los acuíferos que potencialmente pueden ser afectadas por ISL).

Control del polvo: casi eliminación total de las emisiones de polvo. Reclamación: los proyectos de ISL deben ser más rápidos y menos costosos para

reclamar su cierre de operación. Este beneficio aún debe ser probado en la práctica.

DEFICIENCIAS Y DESVENTAJAS DE LA LIXIVIACIÓN IN SITU

Bajas recuperaciones: en general, la solución lixiviante solo toma contacto con pequeñas partes del mineral, dando como resultado bajas recuperaciones particularmente en las duras rocas de cobre y depósitos de oro.

La pérdida en fugas de solución lixiviante puede resultar en daño ambiental, reduce la recuperación del metal y resulta en bastante pérdida de reactantes.

Hidrología: los patrones de flujo de la solución a través del mineral han sido difíciles, si no imposible, de cuantificar con precisión, para la ingeniería y control.

Tiempo de lixiviación: ISL puede requerir de más tiempo para la extracción del metal que la minería convencional y su procesamiento.

Mesa de agua: Generalmente ISL trabaja mejor cuando el PLS puede ser depositado en un colector bajo el nivel freático. No todos los depósitos de mineral lixiviables están situados convenientemente en un acuífero o cerca de una mesa de agua.

La gestión ambiental de la ISL para el uranio en areniscas funciona mejor cuando el cuerpo mineral se encuentra alojado en un acuífero independiente que puede ser aislado de los acuíferos adyacentes arriba y abajo.

Trabajando en la oscuridad: la tecnología de ISL se basa en modelos hidrológicos y predicciones. Generalmente es imposible de observar lo que realmente está ocurriendo bajo la superficie de la tierra. La nueva tecnología, sin embargo, permiten obtener una imagen más precisa del proceso.

Cuando los minerales de ISL por encima de la mesa de agua, puede ser un requisito para crear barreras artificiales para contener las soluciones de lixiviación en el yacimiento de mineral (Batterham, 2004). Esto es importante tanto para la protección del medio ambiente y para la recuperación de los valores de metal y lixiviante. El nuevo concepto descrito en este documento utiliza un sistema de recogida de la pérdida de solución en donde fugitivo, porque son flujos será en el recipiente de reacción.

APLICACIÓN DE LIXIVIACIÓN IN ITU EN EL PERÚ

El yacimiento Cerro Azul posee una reserva de 18'530,000 tm de mineral oxidado con una ley media de 0,2% cobre total. Se estima que es posible recuperar por lixiviación in situ con H2S04 diluido, el 63% del cobre oxidado cuya ley es de 0,188% cu soluble. La recuperación por el método de explotación se estima en 45%.

El yacimiento posee bajo desencapado pudiendo aplicar lixiviación desde la superficie. Como muestra la figura, el área mineralizada de óxidos ha sido de lineado en profundidad entre los niveles 3745 y 3580 (165 m de potencia). El diseño conceptual del sistema se presenta en la figura. La topografía del terreno permite correr una galería en la parte inferior del cuerpo de óxidos para recibir la solución de CuS04 y enviarla a superficie mediante bombeo. Un diseño alternativo consiste en un arreglo de malla de 5 taladros de inyección del lixiviante por cada taladro de producción. La distancia entre taladros de inyección y producción se estima en 20 m.

Para la aplicación del método se tiene el depósito de cobre oxidado Cerro Azul ubicado en la zona norte del yacimiento Toquepala en el departamento de Tacna y que ha sido confirmado mediante 15 taladros diamantinos en un área de350 x 450 m2.

Cerro Azul se emplaza en una estructura geológica de rumbo N15W siguiendo la orientación de la falla Toquepala en el lado SW de la misma. El depósito ha sido formado por brechamiento de varias etapas que originaron varios tipos de brechas y determinaron la orientación de la mineralización.

La interacción de estas fallas ha originado condiciones favorables debilitando las rocas preminerales en las que se emplazan intrusivos dioríticos monzoníticos y dacíticos causantes de todo el proceso hidrotermal del área.

La zona de óxidos del depósito Cerro Azul contiene una fuerte alteración argílica y está formada por brechas hidrotermales siendo la principal de tipo angular en la parte central del depósito y definido por un sistema de fracturamiento N10°E y N80°E con buzamiento subvertical al sureste. Los valores más altos de cobre oxidado y de fácil lixiviación se emplazan en la zona NE de la brecha de tipo guijaro. Se tiene además otros tipos de rocas como la riolita e intrusivas como la granodiorita.

Curvas de nivel y zona mineralizada de óxidos de cobre. Yacimiento Cerro Azul, Tacna.

Sección vertical longitudinal. Esquema de lixiviación in situ. Depósito Cerro Azul.