UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE INGENIERIA GEOLGICA, MINERA,METALRGICAY GEOGRFICAE.A.P. INGENIERIA METALURGICA

PROYECTO DE INVESTIGACIONProyecto de instalacin de una planta de recuperacin de plomo para la optimizacin de refinera de Cobre

PRESENTADO POR:Christian Aldair Flores MedinaLima , Octubre del 2014

Asesor: Ing. Jorge Luis Zegarra Pumacayo.

Objetivos. Instalar planta recuperadora de plomo de las barras andicas de Cobre de las refineras de cobre con alto contenido de plomo. Actualizar los procesos y operaciones que se manejan en la Unidad de Proceso Planta electroltica que ha sido diseada para utilizar nodos con bajo contenido de plomo (69 ppm PB) para Poder utilizar en su proceso de eletrorefinacin nodos con alto contenido de plomo (1000 ppm Pb). Actualizar las unidades de proceso de Planta Electroltica con el fin de que las otras unidades de proceso de Refinera no se vean afectados por el cambio de materia prima en Planta Electroltica.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAEl problema consiste en que diferentes Refineras de cobre encargadas de refinar el cobre, sus procesos y operaciones estn diseadas para utilizar nodos de cobre con 69 ppm de plomo, pero al recibir nodos con aprox. 1000 ppm de plomo tendr problemas de saber hasta cuanto de concentracin de plomo podr trabajar refinera sin la planta de nodos.Al haber encontrado en sus minas nuevas vetas de cobre con alto plomo, sus concentradoras tambin producirn concentrados con alto contenido de plomo, estos concentrados sern procesados por fundicin donde la nueva tecnologa no es capaz de eliminar el exceso de plomo que hay en el cobre, debido a ello producir nodos de cobre con alto contenido de plomo, lo cual es un problema por resolver la Refinera de cobre.

DESCRIPCIN DE LA REFINERA DE COBRE DE SOUTHERN PERLa Refinera de Cobre consiste en una Planta de nodo, Planta Electroltica, Planta de Metales Precios, un laboratorio analtico, talleres de mantenimiento y una planta de desalinizacin. Los productos de la Refinera de lio incluyen el ctodo de cobre de alta calidad, plata refinada, oro refinado, setenio y sulfato de nquel crudo.Planta de nodosLa Planta del nodo es el lugar donde se producen los nodos, consiste en 2 hornos Maerz que se inclinan, un sistema DEMAG de vaciado de 26 moldes, y una prensa del nodo. Se cargan cobre Blister y nodos corrodos en cada uno de los hornos Maerz con 400 toneladas mtricas (TM) el lote, fundido y refinado. El objetivo de planta de nodos es transformar mediante un proceso de prerrefino al fuego el cobre ampolloso (99.4% Cu) en nodos (99.7%), dndole las caractersticas fsicas y qumicas para ser refinados en Planta Electroltica.

Descripcin del proceso de Produccin del nodoRefinera recibe de Fundicin el cobre Blster (cobre ampolloso) de 744 kg/cu con un contenido de cobre al 99.39 %, que es transportado por el ferrocarril S.P.C.C. hacia la Planta de nodos. Estos Blster son descargados con la gra descargador de blster.

Los productos de corrosin de nodos base plomo utilizados en el proceso de electro obtencin de cobre conforman las llamadas borras andicas, que se caracterizan por su alto contenido de plomo (sobre el 60%), presentando un alto riesgo para la salud y efectos adversos para el medio ambiente. Este estudio se presenta como el inicio del desarrollo de una alternativa de tratamiento de borras por va hidrometalurgia a travs de pruebas de lixiviacin con EDTA.Los principales resultados de este estudio indican que se trabaj con una borra compuesta de 66,12% de plomo y conformada en ms del 99% por Anglesita (PbSO4). Se obtuvieron altas eficiencias en la recuperacin de plomo, logrando extraer altos contenidos del metal (cerca del 95% incluso hasta 100%). Las mejores condiciones de lixiviacin de borras para el sistema se logran a rangos de pH intermedios (entre 5,5 a 9,5), cantidades estequiometrias de concentracin de EDTA, tamao de partcula < 37m y una razn s/l de 1/11. Tambin es interesante mencionar la alta cintica del proceso, controlada por la solubilidad de los componentes, obteniendo altas recuperaciones a tiempos cortos, as como la gran influencia del pH por sobre las dems variables.PRUEBAS DE ELECTROREFINACIN DE NODOS CON ALTO CONTENIDO DE PLOMOPara diagnosticar los efectos del plomo en el proceso productivo se planifico realizar pruebas a escala piloto con celdas comerciales, utilizando nodos de cobre con alto contenido de plomo desarrollados con el fin de simular los nodos que refinera recibira en un futuro cercano, y se trabaj a las celdas a las mismas condiciones de una celda electroltica de la seccin comercial, pero antes debemos saber que es una refinacin electroltica.Fundamentos de la Refinacin electroltica del cobreLa electrorefinacin consiste en la disolucin electroqumica del cobre de nodos impuros y l deposito selectivo de este cobre disuelto en forma pura sobre ctodos de cobre. La electrorefinacin tiene dos objetivos:Eliminar las impurezas que daan las propiedades elctricas y mecnicas del cobre. La pureza del cobre electrorefinado es mayor del 99.9% de Cu, con menos de 0.004% de impurezas metlicas (incluyendo azufre) lo cual es apropiado para todos los usos industriales, incluyendo las aplicaciones de ingeniera elctrica.Esta pureza no se obtiene mediante las tcnicas de refinacin trmica.La electrorefinacin separa las impurezas valiosas del cobre. Estas pueden ser recuperadas despus como subproductos metlicos.Comportamiento de las impurezas del nodo Ag, Au y metales del grupo del platino, el oro y los metales del grupo del platino no se disuelven en el electrolito de sulfato y, por lo tanto, no pasan al electrolito ni se depositan en el ctodo. La plata contenida en el nodo se disuelve hasta un cierto grado en la forma de Ag2S04, pero precipita a partir del electrolito con AgCI si se disuelve en el electrolito una pequea cantidad de NaCI, hasta de 0.05 kg/m3 o HCI.Ag2SO4 + 2NaCI -> 2AgCI + Na2SO4S, Se y Te, el azufre, selenio y teluro estn presentes en los nodos como compuestos con cobre, plata o con ambos; En formas como por ejemplo Ag2Se, Cu2Se, Ag2Te4 o Cu2S, no se disuelven electroqumicamente en el electrolito. Estos compuestos, por consiguiente, pasan principalmente a los residuos de nodos (slimes o lodos) de una manera similar a los metales nobles. El Cu20 se puede asignar a este grupo, el Cu20 se disuelve parcialmente y parte pasa hacia el lodo por la reaccin:

Cu 2 O + H2SO4 - Cu SO4 + H2O + CuPb y Sn, el plomo y el estao forman sulfatos que son insolubles en el electrolito (PbSO4 y Sn (O H)2SO 4) y, por lo tanto, estos no forman parte del electrolito en grado apreciable.As, Bi, Co, Fe, Ni y Sb, todos los metales son menos nobles que el cobre y los que se encuentran en el nodo tienden a disolverse electroqumicamente junto al cobre del nodo. Y aun mejor que este metal. Tienden, por lo tanto, a aumentar paulatinamente dentro del electrolito durante la electrorefinacin. Estas impurezas deben eliminarse del electrolito o, con el tiempo, contaminaran el cobre catdico.En el electrolito el arsnico est presente en forma del anin AsO. Cuando el electrolito no contiene antimonio y bismuto, el arsnico no tiene efectos en el proceso electroltico, pero si el antimonio y el bismuto estn presentes en la solucin puede formar con ellos el compuesto insoluble de Bi203.As20s y SbAs04l que se separa del electrolito en forma de finas partculas, formando un "lodo flotante". Este lodo se adhiere al ctodo y lo contamina.Para prevenir el depsito de antimonio, arsnico y bismuto en el ctodo es necesario mantener su contenido lo ms bajo posible en el electrolito, mantener una alta concentracin de cido sulfrico en el electrolito (la concentracin del Sb3' y Bi3' disminuyen con el aumento de la concentracin del S042') y mantener una suficiente concentracin del Ion CP en el electrolito ( este ayuda al paso del arsnico y antimonio a pasar al lodo como resultado de la formacin de bases pobremente solubles de cloruro de arsnico y oxicloruro de antimonio). Siendo por ello necesario filtrar peridicamente al electrolito.El electrolitoEl electrolito contiene de 40 a 50 Kg de Cu por m3, de 180 a 200 Kg de H2SO4 libre por m3 e impurezas (principalmente Ni, As, Fe, y Sb). Tambin contiene abrillantadores y suavizadores de superficie orgnicos. El electrolito se mantiene caliente por medio de vapor a una temperatura de 65C (a la entrada de la celda) la cual cae hasta 60C (a la salida de la celda) durante la circulacin de las celdas. La circulacin a travs de las celdas es del orden de 0.02 m3/min Lo cual significa que una celda cambia su electrolito una vez cada 5 o 6h. La circulacin es esencial para transportar desde la celda las impurezas disueltas, para asegurar concentraciones uniformes del in cobre en las superficies del electrodo y restituir los aditivos orgnicos.

Aditivos orgnicos para el electrolito, La adicin de aditivos al electrolito tiene un efecto favorable en la estructura del depsito en el ctodo. En efecto, los depsitos en los ctodos obtenidos con un electrolito de sulfato de cobre y cido sulfrico sin aditivos orgnicos son planos y burdamente cristalinos o ondulares. En cambio si se agregan aditivos orgnicos al electrolito, el depsito que se obtiene sobre el ctodo durante la electrorefinacin es brillante y de superficie suave.Planeamiento del trabajo de InvestigacinAqu se realiza la planificacin de todo el programa de pruebas de electrorefinacin utilizando nodos de cobre con alto contenido de impurezas de plomo, en cuantas etapas se realizara el estudio y la duracin de ellas, hasta con que cantidad de plomo en los nodos se van a realizar las pruebas y definir el procedimiento general por cada una de las pruebas experimentales.Etapas del EstudioEl programa de pruebas para evaluar el proceso de hacer la electrorefmacin con nodos con alto contenido de plomo se divide en dos etapas:Primera Etapa de la Investigacin:El objetivo de esta primera etapa es adquirir experiencia operativa para hallar las variables tales como: eficiencia de corriente elctrica, velocidad de sedimentacin, altura de lodos, contaminacin qumica del ctodo, en esta etapa se utilizaron nodos con contenidos de desde 100, 200, 400, 800, 1200 y 1400 ppm, esta primera etapa tuvo una duracin de 3 meses aprox.Segunda Etapa de la InvestigacinUna vez haber estudiado los parmetros que resultan modificados y de haber adquirido la experiencia necesaria en la operacin de celdas con alto contenido de plomo, en esta etapa se evaluaron nodos con plomo desde 400, 800, 1200 y 1600 ppm.En esta etapa se hallaron los valores necesarios de los parmetros ms importantes en el proceso de electrorefinacin con nodos de alto contenido de plomo a escala industrial. QUE ES EL EDTA

El cido etilendiamino tetractico o EDTA.

Solucin valiosa como titulante ya que este reactivo se combina con los iones metlicos en una proporcin de 1:1 independiente de la carga del catin.

Condiciones adecuadas.

La recuperacin de plomo es ptima en rangos de pH intermedios, con recuperaciones cercanas al 90% para pruebas a pH de 5,5 as comode 91%para pH de 9,5. Para este caso se encontr algo interesante, con el aumento a 75 C se obtuvo100% de recuperacin de plomo a partir de 1 hora de lixiviacin, recuperacin ideal y que evidencia un alta influencia de la temperatura para el sistema.

Electrorefinacin de cobre con nodos de alto contenido de cobre.La electrorefinacin de nodos con un contenido de plomo de hasta 1400 ppm se puede realizar sin riesgos con las celdas electrolticas actuales no requiriendo hacer alguna modificacin en cuanto al proceso y a las operaciones actualmente realizadas.El principal problema de adaptar los equipos al nuevo proceso esta en lo concerniente a la manipulacin y tratamiento del lodo producido de nodos de cobre con alto contenido de plomo, los cuales de no ser tratados como se sugiere presentaran problemas serios para la recuperacin de los metales preciosos, por el incremento significativo en el volumen del lodo andico sobrepasando la capacidad de esta planta y por intervencin en el proceso de purificacin del oro y la plata.El proceso mas ptimo para la eliminacin del plomo en el lodo andico es el tratamiento Na 1, el cual consiste en hacer un previo decoperizado con el fin de recuperar el cobre del lodo y luego una final precipitacin del plomo como sulfato, requiriendo para su implementacin una inversin de US$ 263,822 dlares al ao.Para la Refinera de cobre el recibir nuevos nodos de cobre producidos por fundicin le es ms rentable ya que no tendr que asumir con los costos de produccin de planta de nodos. Los nicos costos que tendr que realizar son en tratamiento de lodos andicos, el cual es mucho menor que planta de nodos significando que el costo del ctodo disminuye de 80.60 US$/ST ctodo a 52.99 US$/ST ctodo,, significando una disminucin en los costos de produccin de 33.42%.Adems de la ventaja econmica que significa el cambio de tecnologa de la produccin de nodos por refinera a recibir nodos de fundicin, una de las principales ventajas esta en el aspecto ambiental ya que se dejara de contaminar el ambiente con S2 (aproximadamente 44,2 kg S02/da) principal generador de lluvia cida, que afecta principalmente a los campos de cultivo de la ciudad de lio, hacindolo un valle casi sin agricultura.INTRODUCCION

La borra andica es un desecho producido en el proceso de electro obtencin de Cu. La borra hmeda tiene un aspecto esponjoso y de color negro, de textura pastosa o barrosa, en estado seco se encuentra en forma de polvo extremadamente fino, de color caf muy oscuro, el color es atribuido a los xidos de plomo presentes. La borra andica se produce a diferentes tasas en todo proceso de electrodepositacin de Cu, siendo la principal va de generacin, las interrupciones en la corriente elctrica; otras fuentes que contribuyen a la generacin de borra son: cortocircuitos, propiedades del electrolito y otros.

El mecanismo de produccin de borras andicas, obedece principalmente al desprendimiento de la capa protectora de compuestos de plomo al momento de des-electrificar el circuito para la cosecha de los ctodos de Cu. Esta des-electrificacin de los nodos, hace que la capa protectora pierda su adherencia y precipite debido a su propio peso, debiendo generarse una nueva capa protectora, con la consecuente disminucin gradual en el espesor de los nodos. Dicha capa protectora se origina, bsicamente, mediante un mecanismo descrito por un conjunto de reacciones: el nodo base Pb, al ser introducido en un medio cido forma una capa de PbSO4. Al aplicar corriente, esta capa inicial lo transforma a PbO, para dar origen a Pb(OH)D 2 y finalmente a PbO2. La cantidad de plomo y cobre en las borras andicas es del orden de 77% y 1,2%, respectivamente.

Segn fuentes bibliogrficas, en Chile se producen aproximadamente 2 millones de toneladas de cobre catdico por ao, utilizando alrededor de milln de nodos base plomo, lo que genera ms de 2 [kton/ao] de borras, pudindose determinar una tasa de generacin que vara de 0,2 hasta 2,0 Kg/da/celda.

Debido a la fuerte restriccin en el desarrollo y disposicin de productos que contengan plomo, se hace imperativo el mejoramiento, reacondicionamiento, modernizacin y/o creacin de nuevos procesos de tratamiento de reciclaje de sustancias que contengan plomo. Tradicionalmente las borras son almacenadas sin ser tratadas, aunque se da el caso para el cual las borras son tratadas involucrando procesos pirometalrgicos. Hasta la fecha, solo se han reportado estudios de caracterizacin de borras de faenas chilenas y de sus mecanismos de formacin, pero no de abatimiento y recuperacin de plomo desde las borras andicas. La literatura reporta recuperacin de plomo por lixiviacin utilizando diferentes medios lixiviantes y destacando fuentes como desechos de bateras plomo-cido y suelos contaminados [5-7]. En estos estudios destaca el EDTA, el cual se presenta como un buen agente lixiviante para el plomo, dadas sus caractersticas de formacin del complejo PbEDTA2- y su alta eficiencia de recuperacin de plomo.

Considerando el escenario actual relativo al manejo de borras y contribuyendo al desarrollo de nuevos procesos, este estudio tiene como objetivo el anlisis de la recuperacin de plomo desde borras andicas de electroobtencin, realizando para ello pruebas de lixiviacin de borras usando cido EDTA como agente lixiviante, iniciando el desarrollo de una alternativa de tratamiento hidrometalrgico de estos productos de corrosin provenientes del proceso de electroobtencin de cobre.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se trabaj con una muestra de borra andica proveniente de una faena comercial hidrometalrgica que sigue la va LIX-SX-EW para la obtencin de cobre. La borra fue preparada inicialmente con un lavado. El lavado de la borra se realiz mezclando enrgicamente la borra con agua destilada, buscando as eliminar el electrolito cido remanente. Posteriormente se llev a muflas de secado para disminuir su humedad.

Conseguida la borra libre de electrolito y seca, esta fue muestreada para realizar su caracterizacin mediante anlisis granulomtrico, anlisis qumico y las tcnicas de Difraccin y Fluorescencia de Rayos X.

Las pruebas experimentales de lixiviacin se realizaron en un reactor de 600 ml. el cual estuvo agitado mecnicamente y en donde simultneamente fueron introducidos un electrodo de pH y un termmetro para la respectiva medicin del pH y temperatura. El tiempo de lixiviacin para todas las experiencias fue de 2 horas y se mantuvo una agitacin mecnica de 500 rpm. La solucin lixiviante se prepar disolviendo la cantidad adecuada de EDTA sdico en agua bidestilada y desionizada. Para cada experiencia de lixiviacin se definieron tiempos de muestreo de soluciones, a los cuales se tom una muestra la cual fue enviada anlisis qumico por plomo en solucin.Los parmetros evaluados en las pruebas de lixiviacin fueron los siguientes:1. pH 2,5 - 5,5 - 9,5 - 12,5.2. Concentracin de EDTA [M] 0,02 - 0,10 - 0,20 - 0,37 - 0,50.3. Granulometra [Malla Tyler] # 48, # 100, # 200, # 400, < # 4. Temperatura [C] 400 20 - 30 - 40 - 50 - 755. Razn Slido/Lquido 1/2, 1/5, 1/7, 1/9, 1/11.

RESULTADOS Y DISCUSIN

Caracterizacin fsica y qumica de la borra estudiadaLa caracterizacin fsica de la borra andica involucr distribucin granulomtrica as como la determinacin de la densidad aparente. El anlisis granulomtrico de la borra estudiada luego del lavado y secado se muestra en la Figura 1. La borra estudiada posee un tamao caracterstico de d50 137 [m] y d80 de 324 [m].

Figura 1 - Anlisis granulomtrico de la borra andica.

La determinacin de la densidad de la borra se realiz por la metodologa del picnmetro. El resultado usando esta metodologa entreg que la borra en estudio tiene una densidad de 5,4 g/cm3.

La caracterizacin qumica de las borras andicas involucr anlisis de Difraccin y Fluorescencia de rayos X, as como anlisis qumico convencional. En la tabla 1 se presentan los elementos identificados en la prueba de Fluorescencia de rayos-x (FRX). De los elementos descritos, destacan las cantidades apreciables de Pb, O y S presentes en la borra, alcanzando valores de porcentaje en peso entre los 3 por sobre 98%, vislumbrando que la borra est constituida casi completamente de plomo y su combinacin entre oxgeno y azufre. Para estas borras se aprecia la baja cantidad de cobre presente, lo que descarta un inters secundario de recuperacin del metal rojo.

La borra tambin fue analizada en su contenido de plomo a travs de anlisis qumico convencional. En la tabla 2 se presentan los resultados obtenidos. La realizacin de este anlisis busc de cierta manera respaldar la informacin entregada por la FRX, donde la cantidad de plomo alcanz los 66,12%. El anlisis qumico convencional entrega un valor en el rango del 61,4% de plomo, resultado que no tiene una diferencia considerable y se acepta como un resultado de respaldo.

El resultado obtenido del ensayo de DRX indic que la borra est compuesta en ms del 99% por anglesita (PbSO4), descartando de esta manera compuestos oxidados de plomo (PbOx).

Tabla 1 - Elementos presentes en las borras, mediante la tcnica de FRX.

Elemento%

Si0,2810

Al0,0624

Mn0,0358

Ca0,0631

K0,0431

P0,0167

Fe0,4540

Pb66,1160

O23,6100

S8,3200

Sn0,2700

Zr0,1900

Ni0,1650

Rb0,1430

As0,1190

Cu0,0647

Cr0,0438

Anlisis qumico convencional para el contenido de Pb

Muestra%Pb

Muestra 161,9

Muestra 261,3

Muestra 360,9

Promedio61,4

Anlisis de Variables Efecto del pHSe realiz la determinacin del pH ptimo de trabajo para la lixiviacin de borras. En esta etapa se realizaron lixiviaciones donde el pH de la pulpa fue variado en el rango de: 2,5 (pH natural de la pulpa); 5,5; 9,5 y 12,5. Para la realizacin de las pruebas de pH fue necesario mantener constante las dems variables: T = 20C, [EDTA] = cantidad estequiomtrica, 500 rpm de agitacin, Razn S/L = 1/9, granulometra = 100% -#400.Los resultados obtenidos para estas pruebas se presentan en la Figura 2(a), donde se puede apreciar la Recuperacin de Plomo v/s Tiempo, para cada pH evaluado. Se puede observar la alta cintica presentada por el sistema, alcanzando recuperaciones mximas en tiempos mnimos.

Considerando este comportamiento cintico, se considera ms adecuada la presentacin de datos de recuperacin de plomo en funcin de la variacin del pH, como se aprecia en la Figura 2(b). Esta figura muestra la gran influencia del pH en la lixiviacin de plomo. La recuperacin de plomo es ptima en rangos de pH intermedios, con recuperaciones cercanas al 90% para pruebas a pH de 5,5 as como de 91% para pH de 9,5.

Figura 2 - Influencia del pH en la disolucin de plomo.

Efecto de la Concentracin de EDTA

El efecto de la concentracin de cido EDTA se estudi bajo las siguientes condiciones: T = 20C, 500 rpm de agitacin, Razn S/L = 1/9, granulometra = 100% -#400 y pH = 9,5.

Tal como se aprecia en la Figura 3(a), la cintica de recuperacin de plomo es alta, dada la rpida disolucin de la borra y posterior formacin del complejo.

La Figura 3(b) presenta las recuperaciones de plomo obtenidas al variar la concentracin de EDTA. Se observa cmo, luego de alcanzar la razn estequiomtrica Pb-EDTA con un valor de 0,37M, la recuperacin de plomo se mantiene constante en el rango del 92% de extraccin del metal, informacin que corrobora que la cantidad de EDTA necesaria corresponde a la estequiomtrica, debido a que un exceso por sobre esta cantidad no se aprecia un aumento considerable en la recuperacin de plomo.