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CAPITULO III: LIXIVIACIÓN DE COBRE 200 9

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CAPITULO III: LIXIVIACIÓN DE COBRE

2009

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Introducción

Es una etapa fundamental en el proceso, que involucra la disolución del metal a recuperar desde una materia prima sólida, en una solución acuosa mediante la acción de agentes químicos. Esta transferencia del metal hacia la fase acuosa, permite la separación del metal contenida en la fase sólida de sus acompañantes no solubles. En la hidrometalurgia del cobre dada su variedad de sustancias sólidas que contienen cobre factibles de beneficiar por lixiviación, complican la extensión de los fundamentos del sistema lixiviante (sólido – agente – extractante – métodos).

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Factores Técnicos y Económicos involucrados en un análisis de un proyecto de lixiviación.

- ley de la especie de interés a recuperar- reservas de mineral- caracterización mineralógica y geológica- comportamiento metalúrgico- capacidad de procesamiento- costos de operación y de capital- rentabilidad económica, ...

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Materia Prima

Según origen: Fuentes primarias (menas desde yacimientos) Fuentes secundarias (desechos de procesos, chatarras

metálicas, efluentes de plantas)

Según química: Cobre Metálico (cobre nativo, chatarras, productos

cementación, barros anódicos) Cobre Oxidado (menas oxidadas, calcinas de tuestas,

nódulos marinos polimetálicos) Cobre Sulfurados (menas sulfuradas, matas cupríferas,

productos sulfurados)

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Agentes Lixiviantes

La selección depende de su disponibilidad, costo, estabilidad química, selectividad, producir, regenerar y que permita la recuperación del cobre de la solución acuosa en forma económica.

Se clasifican en: Acido inorgánicos (ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido

nítrico) Bases (hidróxido de amonio) Agentes oxidantes (oxígeno, ión férrico, ión cúprico) Agentes acomplejantes (amoniaco, sales de amonio,

cianuros, carbonatos, cloruros)

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Reacciones químicas

Lixiviación en agua

CuSO4 = Cu+2+SO4-2

Lixiviación ácida

CuO+2H+ = Cu+2+H2O Lixiviación ácida – oxidante

Cu2S+O2+4H+ = 2Cu+2+2H2O+S0

Lixiviación ácida – oxidante – acomplejante

CuFeS2+CuCl2 = 4CuCl+FeCl2+2S0

Lixiviación alcalina Lixiviación alcalina acomplejante Lixiviación alcalina – oxidante - acomplejante

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Cinética de lixiviaciónAporta dos tipos de información importante para:

a. Diseño de equipos y procesos

b. Determinación de mecanismos

Los cuales son los factores que determinan la velocidad de un proceso y como puede ser manejable en la práctica, es un apoyo fundamental por varias causas:

a. Los procesos hidrometalúrgicos operan a temperatura ambiente o algo superior

b. Las reacciones son de carácter heterogéneo

“EL HECHO DE QUE UNA REACCION SEA TERMODINAMICAMENTE POSIBLE, NO ASEGURA SI LA REACCION VA A PASAR EN UNA ESCALA DE TIEMPO RAZONABLE”

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Mecanismo sólido - líquido

Etapas consecutivas: Disolución de reactantes gaseosos en la solución acuosa Transporte de los reactantes disueltos hacia la interfase

sólido – líquido Transporte de los reactantes a través de una capa producto o

ganga mineral hacia la superficie de reacción (difusión: poros, sólido)

Reacción química de los reactantes con el mineral Transporte los productos solubles a través de la capa

producto hacia la superficie sólido – líquido Transporte de los productos solubles hacia el seno de la

solución

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ETAPAS DE UNA REACCIÓN

Esquema de una reacción de lixiviación con disolución completa del mineral.

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Factores que afectan la cinética

Temperatura Geometría, tamaño, porosidad del sólido Formación producto sólido o no Tipo de Control Naturaleza reacción química Concentración de los reactantes y productos solubles

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Métodos de la lixiviación

La selección del método depende de:

1. Características físicas y químicas de la mena

2. Caracterización mineralógica

3. Ley de la mena

4. Solubilidad del metal útil en la fase acuosa

5. La cinética de disolución

6. Magnitud de tratamiento

7. Facilidad de operación

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Los métodos más característicos son: Lixiviación de lechos fijos

Lixiviación in situ Lixiviación en bateas Lixiviación botaderos Lixiviación en pilas

Lixiviación de pulpas Lixiviación en agitadores Lixiviación en autoclaves

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MINERAL

MINERIA Y TRANSPORTE

CHANCADO

MOLIENDA HUMEDA

Concentracion por Flotacion

Pretratamiento termico (Tuesta)

Lixiviación y Separación Sól/liq

Lixiviacion por Percolacion

Aglomeración y Lixiviacion TL

Lixiviacion en pilas

Lixiviacion en Botaderos

Lixiviacion in situ

Lixiviacion por agitación

Lavado y separación Sol/liq

Lixiviación y Separación Sól/liq

SOLUCIONES RICAS PARA RECUPERACION DEL METAL

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La lixiviación IN PLACE se refiere a la lixiviación de residuos fragmentados dejados en minas abandonadas.

La lixiviación IN SITU se refiere a la aplicación de soluciones directamente a un cuerpo mineralizado.

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).

Lixiviación in situ – in place

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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

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Lixiviación In-Situ: La lixiviación in-situ aplica soluciones directamente al mineral en el yacimiento. 

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Ahorros del proceso de lixiviación in situ: Extracción de las menas del yacimiento Transporte de material a la planta y desechos finales Construcción de la planta de lixiviaciónComparación gastos y desventajas: Facturación del yacimiento, para facilitar el contacto de la fase

acuosa lixiviante con el mineral o incrementar la permeabilidad del lecho

Estudio geológico de la génesis, hidrología, enriquecimiento secundario y zona alteración, permeabilidad del fondo y costados de la zona a lixiviar

Construcción sistema aplicación de soluciones y de recolección

Lixiviación in situ

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Lixiviación en bateas

Esta técnica consiste en contactar un lecho de mineral con una solución acuosa que percola e inunda la batea o estanque.

Los minerales a tratar por este método deben presentar contenidos metálicos altos o muy altos, debiendo ser posible lixiviar el mineral en un período razonable (3 a 14 días) y en trozos de tamaño medio con tonelajes suficientes de mineral percolable en el yacimiento que permitan amortizar la mayor inversión inicial que requiere este tipo de proceso

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Lixiviación en bateas

Ventajas y desventajas: Operación flexible Soluciones ricas de alta concentración Presenta alta eficiencia de lavado Requiere menor volumen de agua que la agitación por TM de

mena Existencias de reacciones laterales no deseables Mayores dificultades de automatización Costos apreciables de manejos de mena y ripios Mayor mano de obra para mantención, reparación e

inspecciones Requiere de mayor superficie e infraestructura

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Lixiviación en botaderos

Esta técnica 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 métodos convencionales. Este material, generalmente al tamaño "run of mine" es depositado sobre superficies poco permeables y las soluciones percolan a través del lecho por gravedad. Normalmente, son de grandes dimensiones, se requiere de poca inversión y es económico de operar, pero la recuperación es baja (por ej. 40-60 % Cu) y necesita tiempos excesivos para extraer todo el metal.

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Lixiviación en Botaderos: es el tratamiento de minerales de bajas leyes, conocidos como "estéril mineralizado“ y/o ripios de lixiviación.

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Lixiviación en botaderos

Normalmente la lixiviación en botaderos es una operación de bajo rendimiento (pero también de bajo costo). Entre las diferentes razones para ello se puede mencionar :

- Gran tamaño de algunas rocas (> 1 m).- Baja penetración de aire al interior del botadero.- Compactación de la superficie por empleo de maquinaria pesada.- Baja permeabilidad del lecho y formación de precipitados - Excesiva canalización de la solución favorecida por la heterogeneidad de tamaños del material en el botadero.

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Lixiviación en pilas

Se basa en la percolación de la solución lixiviante a través de un mineral chancado y apilado, el que esta formando una pila sobre un terreno previamente impermeabilizado. La pila se riega por aspersión o goteo. Se aplica a minerales de alta ley debido a los costos de operación y transporte.

Existen dos tipos de pila según su operación. Pila Permanente (capas múltiples) Pila Renovable o Reutilizable

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Configuración de la Pila

Pila Unitaria: todo el material depositado pasa por todas las etapas del ciclo de lixiviación, permitiendo una operación más simple y flexible.

Pila Dinámica: coexisten materiales que están en diversas etapas del ciclo de tratamiento.

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MINA O FUENTE DE MINERAL

TRITURACION

AGLOMERADO

STOCK

PILA ENFORMACION

PILA ENOPERACION

PILA EN LAVADOO DRENAJE

PILA AGOTADA

SX

Emergencia PLS Refino

CONFIGURACION NORMAL DE LIXIVIACION

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Primeros días Últimos días

PiscinaRefino

PiscinaILS

PiscinaPLS

Acido

SX

O,5 gpl Cu

+/- 14 gpl H+

3 gpl Cu

Acido Debil

SX

+/- 6 gpl Cu

Reciclaje de solución de lixiviación en contracorriente

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El diseño de las pilas debe tener en cuenta los siguientes factores :

- La calidad del patio o base de apoyo (impermeable)- Las facilidades de riego y recolección o drenaje del efluente.- La estabilidad de la pila seca y saturada en agua- Los tanques (piscinas) de soluciones ricas y pobres- La forma de apilamiento o deposición del material lixiviable(Compactación, homogeneidad, etc.)

CONTRUCCIÓN DE LAS PILAS

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• Preparación de la base de las pilas

El sistema consiste en :

- Una base firme y consolidada, debidamente preparada- Una capa de lecho granular sobre el que apoyar suavemente la lámina- La lámina o capa de impermeabilización- Un conjunto de drenaje o capa de recolección de líquidos- Una capa protectora del sistema

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Generalmente, las membranas o láminas de impermeabilización del patio son geomembranas de origen sintético (láminas de plástico : polietileno de alta densidad o PVC de 1 a 1.5 mm o polietileno de baja densidad de 0.2 a 0.3 mm de espesor) pero también pueden ser materiales arcillosos compactados sobre elpropio terreno, hormigón, asfalto, etc.. Se pueden disponer de membranas o sellados simples, dobles o triples, de acuerdo con el número de capas impermeables o membranas que se hayan utilizado.

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•Técnicas de apilamiento del mineral

•Riego de la pila

El riego de las pilas se puede realizar fundamentalmente por dos procedimientos :por aspersión o por distribución de goteo, este último siendo recomendable en caso de escasez de líquidos y bajas temperaturas (Fig 3.13 a y b). En la industria, se utiliza generalmente una tasa de riego del orden de 10 - 20 litros/h.m2.El riego tiene que ser homogéneo.

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Por aspersión

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Por goteo

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Variables del proceso

Las principales variables son : La granulometría La altura de la pila La tasa de riego [l/h.m2] o [l/h.T] La concentración en ácido de la solución de riego El tiempo de lixiviación

- Depende de la cinética (lix. química : 1 a 2 meses; lix. bacterial : 3 a 12 meses)

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DISEÑO DE PILAS

DATOS:

Capacidad de la planta : 48000 tonCu/año = 4000 ton/mes= 133 ton/dia

Ley de Mineral : 0,95% CuT ( 0,8% Cu soluble + 0,15% Cu insoluble)

Fierro : 5%

Consumo de acido: 3,5 kgH+/kg Cu producido

Recuperacion de la pila : 80% CuT en 2 meses ( de acuerdo a p.piloto)

Granulometria : 100% < 3/8”

Altura de pila : 5 m ( parametro de diseño)

Densidad aparente del mineral de la pila : 1,45 ton/m3 (material chancado)

Mineral de Mina : 9,5 kgCu/ TMS ( TMS: ton. Metrica seca)

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• Capacidad de la Planta de Chancado

Se recupera el 80% x 9,5 Kg Cu/ TMS = 7,6 kg Cu / TMS

Entonces se tiene que procesar:

(133000 kg Cu /dia ) / 7,6 kgCu/ TMS = 17500 TMS/dia

Esquema

Pila (Recup 80%)17500 TMS/dia

0,95%Cu

A Botadero

17367 TM/dia

Cátodos

133 TM/dia

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• Superficie del Terreno

El ciclo de lix. De una pila de mineral es de 2 meses, entonces:

El stock de Mineral en la planta es de 17500 TMS/dia x60 dias

1.050.000 TMS

Si se considera pilas rectangulares (aproximacion) de 5m de altura, se puede almacenar: 1,45 TMS/m3 x 5m = 7,25 TMS/m2

La superficie de las pilas en funcionamiento es:

1.050.000 TMS/ (7,25 TMS/m2) = 144.827 m2

Pero todos los dias hay por lo menos una pila en carga, otra en descarga, entonces : 144.827 m2 x 110% = 159310 m2

Eso corresponde a un area de 400x400 m ; ó; 200 x 800 m; etc.

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Lixiviación por agitación

La lixiviación por agitación se utiliza en los minerales de leyes más altas, cuando los minerales generan un alto contenido de finos en la etapa de chancado, o cuando el mineral deseado está tan bien diseminado que es necesario molerlo para liberar sus valores y exponerlos a la solución lixiviante. Es también el tipo de técnica que se emplea para lixiviar calcinas de tostación y concentrados.

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Lixiviación por agitación

La lixiviación en reactores, es solo aplicable a material finamente molido, ya sean lamas, relaves, concentrados o calcinas de tostación, y se realiza utilizando reactores agitados y aireados.

Esta operación permite tener un gran manejo y control del proceso de lixiviación. Además, la velocidad de extracción del metal es mucho mayor que la lograda mediante el proceso de lixiviación en pilas o en bateas. Es un proceso de mayor costo, ya que incluye los costos de la molienda del mineral.

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Lixiviación por agitación

Sus ventajas comparativas con otros métodos de lixiviación son :

Alta extracción del elemento a recuperar Tiempos cortos de procesamiento (horas) Proceso continuo que permite una gran automatización Facilidad para tratar menas alteradas o generadoras de finos

Sus desventajas son : Un mayor costo de inversión y operación Necesita una etapa de molienda y una etapa de separación

sólido-líquido (espesamiento y filtración).

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Variables del proceso

GRANULOMETRIA:

El tamaño de partículas debe ser menor a 2mm (problemas de embancamiento), pero no deben tener exceso de finos (menos de 40% < 75 micrones) ya que dificultan la separación sólido-liquido.

TIEMPO DE AGITACION:

El tiempo necesario para una extracción aceptable es muy importante para el proceso (velocidad de dilución).

MINERALOGIA DEL MINERAL:

El tamaño y la disposición de la especie valiosa influye en el grado de molienda necesario para exponer esta especie a la solución de lixiviación.

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Variables del proceso

OTRAS VARIABLES:

•La lixiviación se realiza a temperatura ambiente (o en autoclaves).

•El % sólidos debe ser en la mayoría de los casos lo mas alto posible para alcanzar una alta concentración del ion metálico en la solución de lixiviación (20% y 50%)

•La velocidad de agitación debe ser lo suficientemente alta para mantener los sólidos en suspensión (para que no decanten).

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Equipos de Lixiviación por Agitación

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DATOS:

• Numero de estanques : 8

•Capacidad : 15000 tpd = 625 tph

•% solidos : 33,33%

• Grado de molienda : 100% < 60 mallas ASTM

• densidad real del mineral : 2,8 g/cm3 = 2,8 ton/m3

• Tiempo de lixiviacion : 24 hrs ( Determinado por curva lix)

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• Calculo de la cantidad de agua en la pulpa:

625 tph / ( 625 tph + agua) = 33,33%

Despejando, agua = 1250 tph

• Calculo del flujo de pulpa ( solido+ agua)

Q = 625 tph + 1250 tph = 1473 m3/h 2,8 t/m3 1 t/m3

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• Calculo del volumen de cada uno de los 8 estanques:

V = tiempo * Q = 24 hrs * 1473 m3/hrs = 35352 m3

V = 35358 m3 / 8 = 4419 m3

• Volumen de estanque cilindrico: V =( * d * h ) / 42

8 estanques tales que h = 1,5d:

d = 4419 * 41,5

3

= 15 h = 15*1,5 = 22,5 m

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LIXIVIACION DE MINERALES SULFURADOS

Minerales Sulfurados: Especies minerales que además de su contenido de azufre en forma de sulfuro ( valencia -2), tienen la particularidad de estar exentos de oxigeno en la especie mineralógica propiamente tal.

Calcosina : Cu2S

Covelina : CuS

Bornita : Cu5FeS4

Calcopirita : CuFeS2

Pirita : FeS2

Argentita : Ag2S

Blenda : ZnS

Galena : PbS

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En general, las especies minerales sulfuradas son insolubles en agua, aun a altas temperaturas, sin embargo, desde el punto de vista de su comportamiento frente a la dilución, los minerales sulfurados pueden clasificarse entre los que se disuelven:

a) En presencia de ambientes reductores:

Generando H2S si se trata de un medio acido, o bien liberando el ion sulfuro ( S ) si es ambiente alcalino. (sulfuro de sodio, cianuro de sodio)

-2

b) En presencia de Agentes Oxidantes :

Generando Azufre elemental Sº el que si bien en condiciones neutras y alcalinas se oxida a sulfato ( SO4 ), en condiciones acidas puede mantenerse estable como tal. (ión férrico, cloro e hipoclorito, ácido nítrico y nitratos, ácido sulfúrico concentrado, oxígeno)

-2

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Conceptos de la lixiviación de sulfuro

Reactivos químicos utilizados Bacterias del tipo bacillus oxidantes de azufre (Thiobacillus

ferrooxidans, Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus thioparus, Sulfolobus, etc)

Bacterias reductoras de azufre (Desulfovibrio desulfuricans, Gallionella)

Bacterias oxidantes de fierro (Thiobacillus ferrooxidans, Sulfolobus, etc)

Hongos Algas microscópicas Protozoos

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Lixiviación bacterial

La lixiviación bacterial de minerales sulfurados envuelve el uso de microorganismos que ayudan en la extracción del metal de valor.

La disolución de metales por acción de bacterias desde minerales escasamente solubles, puede ocurrir por dos mecanismos:

• Directo: Por el metabolismo del propio microorganismo.

• Indirecto: Por algún producto de su metabolismo

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Es importante tener presente que el metal de interés puede o no estar necesariamente en la forma de sulfuro y, como ocurre en el caso del Oro, puede encontrarse encapsulado en especies sulfuradas o arsenicales ( pirita o arsenopirita).

En estos dos casos, la acción bacteriana es requerida para lograr la oxidación, aunque sea parcial, de los concentrados de flotación de estos compuestos encapsulantes, para facilitar la posterior penetración del reactivo del lixiviación del oro (ejemplo: cianuro de sodio en medio alcalino).

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La lixiviación bacteriana de minerales es un fenómeno complejo al acoplar diversos elementos, algunos de los cuales son :

•Actividad oxidativa, crecimiento, adherencia y transporte de microorganismos.

•Reacciones de disolución de minerales.

•Equilibrio iónico y transporte de especies y oxigeno entre la fase líquida y el mineral.

•Reacciones de hidrólisis y precipitación de compuestos complejos en solución.

•Termoquímica de las reacciones del sistema y transferencia de calor.

•Movimiento del aire y de la solución a través del lecho.

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Además de los factores que influyen en la lixiviación ácida, las condiciones que afectan la cinética de la lixiviación bacteriana son:

Aireación: La acción bacteriana, en cuanto a las reacciones de lixiviación de sulfuros, requiere de la presencia de una concentración máxima de oxígeno. Además por corresponder a un organismo autótrofo, requiere dióxido de carbono como fuente de carbono para su metabolismo.

Nutrientes: Para mantener la viabilidad de estos microorganismos, ellos necesitan energía y fuentes de elementos tales como: nitrógeno, fósforo, magnesio, azufre, fierro, etc.

Temperatura: El rango de temperaturas de crecimiento de estos microorganismos va desde 2 hasta 40ºC, siendo el óptimo del orden de 28 a 35ºC dependiendo de la cepa bacteriana.

pH: El rango de pH de crecimiento de estos microorganismos va desde 1,5 hasta 3,5, siendo el óptimo del orden de 2,3

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PLÁSMIDOS

PARED CELULAR EXTERIOR

PROTO-NUCLEO

CON DNA Y RNA

CITOPLASMA CON

RIBOSOMAS Y ENZIMAS

MESOSOMAS CON INCLUSIONES Y GRANULOS

(FUNCIONES RESPIRATORIAS)

MEMBRANA CITOPLASMATICA

ESQUEMA DE LA ESTRUCTURA CELULAR DE UNA BACTERIA DEL GENERO THIOBACILLUS

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Clasificación de las bacterias según su rango de Tº para su desarrollo:

Mesófilas: Se desarrollan bien a Tº próximas al ambiente (20 a 35ºC), son las mas habituales en las lixiviaciones de minerales, sean en pilas, botaderos. Pertenecen a los géneros Thiobacillus y Leptospirillum.

Moderadamente Termófilas: Su mejor comportamiento se da entre 45 a 60ºC, solo ocasionalmente se las encuentra en botaderos y lixiviación insitu cuando las temperaturas han subido a causa de las reacciones exotérmicas de los sulfuros. Se usan principalmente en lixiviación de concentrados en reactores con Tº controlada. Pertenecen al genero Sulfobacillus y Leptospirillum.

Extramadamente Termófilas: Su rango de trabajo optimo está entre los 60 y 80ºC, raramente se dan en operaciones de lixiviación natural. Pertenecen a los géneros Sulfolobus, Acidianus, Metallosphera y Sulfurococcus. Son muy exitosas en reactores de Tº controladas.

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Temperatura de Acidez

Fe S S S2O3 CO2 Levadura ºC pH

Thiobacillus Ferrooxidans + + + + + - 20 a 35 1,5 a 2,5

Thiobacillus thiooxidans - -/ + + + + - 20 a 35 1,5 a 2,5

Leptospirillum ferroxidans + + - - + - 30 1,2 a 2,0

Sulfobacillus thermosulfidooxidans + + + - + + 45 a 60 3,0

Sulfobacillus thermotolerans + + - - + + 45 a 60 3,0

Leptospirillum thermoferrooxidans + + - - + - 45 a 60 3,0

Sulfolobus acidocaldarius + + + + + + 60 a 80 3,0

Acidianus archae + + + + + + 60 a 80 2,5

Metallosphaera archae + + + + + + 60 a 80 2,5

Sulfurococcus archae + + + + + + 60 a 80 2,5

Nota: + señala que esa reacción procede habitualmente en terminos positivos

- indica que esa reacción normalmente no ocurre

MICROORGANISMO Crece por oxidacion de: Fuente de Carbono

Algunas bacterias asociadas a la oxidación de minerales sulfurados y rango de temperatura y acidez mas ventajosas para su desarrollo

2+2-o

2-

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Ciclo de vida de una colonia de bacterias inoculadas en un medio de cultivo adecuado:

Etapa de acostumbramiento: Periodo inicial de crecimiento lento al nuevo medio (poca actividad bacteriana).

Etapa de crecimiento exponencial: La bacteria se multiplica exponencialmente. En esta etapa se puede medir experimentalmente una importante característica ( particular de cada bacteria) que es el periodo de duplicación.

Etapa estacionaria: Corresponde a la limitación de la velocidad de solubilización o de crecimiento de la población debido al agotamiento repentino de uno o mas de los nutrientes esenciales.

Etapa de muerte: Disminución de bacterias viables, decaimiento de actividad.

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Etapa de acostumbramiento

Etapa de crecimiento exponencial

Etapa estacionaria

Etapa de muerte

tiempo

Lo

g (

po

bla

ció

n c

elu

lar)

Representación esquemática de las 4 fases de un ciclo de existencia de una colonia de bacterias