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Copiapó, Febrero 2007 CURSO HIDROMETALURGIA 1. CONMINUCIÓN Los objetivos de la conminución son: Producir partículas de tamaño y forma para su utilización directa. Dependiendo del rango de tamaño de partículas la conminución se acostumbra a dividir en: Chancado para partículas gruesas mayores que > 2” Molienda para partículas menores de ½” – 3/8” 1.1 EQUIPOS DE REDUCCIÓN DE TAMAÑO El diseño de las máquinas de reducción de tamaño cambia marcadamente a medida que cambia el tamaño de las partículas. Cuando la partícula es grande, la energía para fracturar cada partícula es alta aunque la energía por unidad de masa es pequeña. A medida que disminuye el tamaño de la partícula, la energía para fracturar cada partícula disminuye, pero la energía por unidad de masa aumenta con mayor rapidez. Consecuentemente los chancadores tienen que ser grandes y estructuralmente fuertes mientras que los molinos deben ser capaces de dispersar energía sobre una gran área. 1.1.1 Chancadores El chancado es la primera etapa de la reducción de tamaño. Los chancadores pueden clasificarse básicamente de acuerdo al tamaño 1

APUNTES HIDROMETALURGIA

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Copiapó, Febrero 2007

CURSO HIDROMETALURGIA

1. CONMINUCIÓN

Los objetivos de la conminución son:

Producir partículas de tamaño y forma para su utilización directa.

Dependiendo del rango de tamaño de partículas la conminución se acostumbra a dividir en: Chancado para partículas gruesas mayores que > 2” Molienda para partículas menores de ½” – 3/8”

1.1 EQUIPOS DE REDUCCIÓN DE TAMAÑO

El diseño de las máquinas de reducción de tamaño cambia marcadamente a medida que cambia el tamaño de las partículas. Cuando la partícula es grande, la energía para fracturar cada partícula es alta aunque la energía por unidad de masa es pequeña.A medida que disminuye el tamaño de la partícula, la energía para fracturar cada partícula disminuye, pero la energía por unidad de masa aumenta con mayor rapidez. Consecuentemente los chancadores tienen que ser grandes y estructuralmente fuertes mientras que los molinos deben ser capaces de dispersar energía sobre una gran área.

1.1.1 Chancadores

El chancado es la primera etapa de la reducción de tamaño. Los chancadores pueden clasificarse básicamente de acuerdo al tamaño del material tratado con algunas subdivisiones en cada tamaño de acuerdo ala manera en que se aplica la fuerza.El chancador secundario toma el producto del chancador primario y lo reduce a su vez a un producto de 5 a 8 cm. (2 a 3”).El chancador terciario toma el producto del chancador secundario y lo reduce a su vez a un producto de 1 a1.5 cm. (3/8 a ½”) que normalmente va a etapa de molienda.

En el chancado primario de menas se utilizan principalmente chancadores de mandíbula o giratorios. En el secundario chancadores giratorios o más comúnmente chancadores de cono. Mientras que en el chancado terciario se utilizan casi universalmente chancadores de cono.

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1.1.2 Circuitos de chancado

Por lo general la planta de chancado produce un material adecuado para alimentar un molino ya sea de barras o bolas. Para lograr el grado de reducción deseada del material normalmente es necesario usar varias etapas de chancado. La experiencia de la mayoría de las plantas de chancado indica que un producto adecuado para alimentar un molino de barras (-3/4”) o incluso alimentación a un molino de bolas (-1/2”) puede producirse y en la práctica se está produciendo con 3 etapas de chancado generalmente usando circuito cerrado en la última etapa.La operación de la planta de chancado fino es en gran medida independiente del funcionamiento de la chancadora giratoria primaria.

1.2 Molienda

La molienda es una operación unitaria que tiene por objetivo producir la "liberación" de las especies minerales útiles mediante una reducción de tamaño de las rocas de la mena. La etapa de molienda es clave en el proceso de concentración de minerales ya que determina el rango de tamaño con que las partículas van a ser flotadas

1.2.1 Molienda convencional

La molienda es la última etapa del proceso de conminución. La molienda generalmente se realiza en molinos de forma cilíndrica - cónica que giran alrededor de su eje horizontal y que contienen una carga de cuerpos sueltos de molienda conocidos como medios de molienda, los cuales están libres para moverse a medida que el molino gira, produciendo la conminución de las partículas de mena.

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La molienda convencional se realiza en dos etapas, utilizando molino de barras y molino de bolas, respectivamente, aunque en las plantas modernas sólo se utiliza el segundo. En ambos molinos el mineral se mezcla con agua para lograr una molienda homogénea y eficiente. La pulpa obtenida en la molienda es llevada a la etapa siguiente que es la flotación

2. HIDROMETALURGIA

CONCEPTO

La hidrometalurgia estudia el conjunto de procesos que emplean reacciones químicas en soluciones acuosas para la extracción de metales a partir de sus minerales y concentrados. Estas reacciones químicas pueden ser efectuadas mediante agentes químicos ácidos o básicos, y agentes bacteriales, con los nombres de lixiviación ácida, lixiviación alcalina, lixiviación neutra y lixiviación bacteriana. La hidrometalurgia también emplea métodos electroquímicos, como la electro-oxidación, electro-deposición y electrorrefinación. La extracción por solventes, el intercambio iónico y la adsorción con carbón activado son procesos que pertenecen a la hidrometalurgia. La hidrometalurgia utiliza las siguientes técnicas:

Lixiviación. Clarificación, purificación y concentración de la solución obtenida. Recuperación del metal como producto final, generalmente en forma elemental.

2.1 LIXIVIACIÓN

En general la lixiviación es la disolución de materiales solubles mediante un disolvente líquido a partir de la mezcla de ellas con un sólido insoluble. Es una operación de separación industrial basada en una transferencia de masa. El disolvente puede ser agua, una solución química o un disolvente orgánico. Constituyen ejemplos la extracción del azúcar de la remolacha azucarera, la extracción del aceite de las semillas oleaginosas y la extracción de metales a partir de sus minerales. En este último caso tenemos la lixiviación metalúrgica, que es la disolución selectiva de metales solubles mediante un solvente líquido para separarlo de las impurezas del mineral.

La lixiviación metalúrgica se puede hacer en medio oxidante, neutro o reductor. Para la disolución de metales tenemos los siguientes sistemas:

Lixiviación ácida, que comprende la lixiviación con ácido sulfúrico concentrado, lixiviación con ácido sulfúrico diluido y oxígeno, lixiviación con ácido clorhídrico,

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lixiviación con ácido nítrico, lixiviación férrica, lixiviación con tiourea, etcétera. Lixiviación alcalina, que comprende la lixiviación amoniacal, la lixiviación con hidróxido de sodio, lixiviación con cianuro de sodio, lixiviación con sulfuro de sodio, etcétera.

2.1.1OBJETIVOS DE LA LIXIVIACION

La lixiviación es un proceso de transferencia de materia desde una fase sólida a una líquida acuosa y está basada en la solubilidad que presenta una sustancia en la acuosa lixiviante. Así, en el caso del cobre, la lixiviación permite que el cobre contenido en un material (mineral, concentrado, etc.) sea transferido a la solución acuosa y por lo tanto separado del material que lo contenía. En pocas palabras, se dice que el cobre de un material sólido, se disuelve o solubiliza. Desde un punto de vista general para diversos materiales a lixiviar, el proceso persigue los siguientes objetivos:

Disolver en forma selectiva o preferencial el cobre contenido en un material sólido. Generar una solución rica factible de procesar por los procesos posteriores ya sea

de purificación (SX) y/o precipitación (EW). Lograr altas eficiencias y bajo consumo de agente lixiviante, para optimizar la

economía del proceso.

2.1.2 DESCRIPCION DEL PROCESO

La lixiviación es un proceso de carácter químico, que consiste en contactar un material sólido conteniendo cobre, con una solución acuosa lixiviante, para disolver el cobre contenido. En el proceso, se genera la solución rica (licor o caldo) conteniendo el cobre disuelto y los residuos insolubles (cola, relaves, ripios). Los principales componentes de un sistema de lixiviación son los siguientes:

Solución lixiviante Material a lixiviar Equipo de lixiviación o reactor.

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2.1.3 METODOS DE LIXIVIACION

Los diferentes métodos de lixiviación actualmente en uso son:

Lixiviación in situ. Lixiviación en botaderos. Lixiviación en pilas. Lixiviación por percolación. Lixiviación por agitación.

2.2 LIXIVIACION EN PILAS.

Este método se aplica en la lixiviación de minerales de cobre, uranio y oro de baja ley, que no presentan problemas especiales de extracción.

Entre las características que diferencian este método de la lixiviación en botaderos se destacan: El mineral es extraído especialmente de la mina para el carguío de las pilas. Las

leyes son mayores que la de aquellos que son transportados a botaderos.

El tiempo de lixiviación está dado en meses y no en años, como en el caso de los botaderos.

Las pilas se depositan en áreas que se han preparado especialmente, cubiertas con capas de concreto o asfalto, o bien, capas alternadas de arena fina y plástico. Sobre estas capas se colocan tuberías perforadas que recolectan las soluciones de drenaje de la pila.

Debido a la mayor ley de los minerales de las pilas y las soluciones lixiviantes más concentradas, las soluciones ricas desde pilas son más concentradas que aquellas procedentes de botaderos.

La granulometría normal utilizada en este tipo de operación varia entre 4” y 12”, en algunos casos se chanca y harnea bajo 4”.

Cuando se trabaja con mineral de granulometría fina (menor o igual a ½ pulgada) es recomendable trabajar con el curado-aglomerado.

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CURADO-AGLOMERACION

Etapa, en la cual, el mineral se contacta con ácido sulfúrico concentrado, Las especies iniciales se transforman en otras de mayor solubilidad en medio ácido acuoso,

se disminuye el contenido de impurezas en un medio de alta acidez. (Sílice coloidal)

El curado permite acelerar la cinética de extracción del cobre. Además, si el chancado genera muchas partículas finas es importante

efectuar una aglomeración de éstas alrededor de las más gruesas

Efecto del curado en la cinética de lixiviación

Métodos de curado-aglomeración

Aplicación directa sobre un sistema de correas transportadoras adecuadas para tal fin.

Discos aglomeradores- peletizadores Tambor aglomerador convencional. Manual

Variables del curado-aglomeración Tasa de curado : kg H2SO4 /TM Mineral Tiempo de reposo : días Humedad : natural Temperatura : la resultante de las

reacciones exotérmicas

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Curado sobre correas transportadoras

Consiste en agregar el agua y el ácido como duchas sobre el mineral mientras éste viaja en la correa transportadora.

El método puede ser mejorado si el lecho de mineral es removido mediante bafles en la medida que sube a través de la correa y se le da una segunda ducha de agua y ácido.

El efecto de rolear el mineral, para producir la aglomeración, se obtiene si éste se deja caer por un chute inclinado desde la correa transportadora hasta la cancha de lixiviación.

Curado en tambor aglomerador El porcentaje de humedad y la inclinación del tambor son factores muy

importantes en la calidad del aglomerado. Un 7 a 10% de humedad puede lograr un excelente aglomerado, así como

un tiempo de residencia del mineral en el tambor, del orden de 1 a 3 minutos.

Curado Manual

La mezcla se prepara del mismo modo como cemento-arena-agua para obras civiles, con palas y carretillas.

Experiencias realizadas en este aspecto indican que con cuatro operarios es posible aglomerar y cargar en la pila unas 15 toneladas de mineral al día; conformándose un aglomerado muy homogéneo y esponjado.

2.2.1 VARIABLES A ESTUDIAR.

Las variables a considerar, en un estudio metalúrgico para definir la factibilidad técnica de aplicación de la lixiviación en pila para minerales de cobre, mediante lixiviación ácida son:

Caracterización química y mineralógica. Granulometría. Consumo de ácido sulfúrico. Pretratamiento del mineral (curado ácido). Altura de lecho de mineral. Tasa especifica de irrigación. Controles sobre soluciones.

2.2.1.1 Caracterización química y mineralógica.

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La caracterización química contempla la determinación de contenidos de: cobre total, cobre soluble, fierro total y azufre total, para el caso de lixiviación de sulfuros secundarios en el mineral.

La información mineralógica permite identificar las menas cobre involucradas y así definir el tipo de solución de lixiviación, períodos de lavado y drenaje, etc.

2.2.1.2 Granulometría. El objetivo de realizar pruebas a distintos niveles de granulometría es definir las

extracciones posibles de alcanzar para los niveles elegidos a estudiar.

2.2.1.3 Consumo de ácido sulfúrico.

Estas pruebas tienen por objetivo establecer la base de dosificación de ácido sulfúrico, tanto en etapas de pretratamiento (curado ácido) y soluciones lixiviantes.

2.2.1.4 Pretratamiento del mineral. El curado ácido es el pretratamiento del mineral más utilizado en la lixiviación de

minerales de cobre. Tiene dos objetivos fundamentales: – Mejorar la cinética de lixiviación del mineral, alcanzando altas extracciones en

un tiempo corto de lixiviación.

- Mejorar la percolación del lecho mineral al permitir la aglomeración, de las partículas finas con aquellas gruesas y así generar un lecho de mineral con tamaños de material homogéneo y evitar así el taponamiento de la pila por el mineral fino y los consecuentes problemas de percolación.

2.2.1.5 Altura del lecho de mineral. Esta variable se controla con el propósito de estudiar el comportamiento del

lecho de mineral frente a la compactación y su influencia sobre la percolación del lecho. 2.2.1.6 Tasa específica de irrigación.

El objetivo de estudiar esta variable es establecer el flujo óptimo, que permita retirar la especie solubilizada desde la superficie de las partículas hacia el seno de la solución, minimizando el arrastre de partículas finas y disgregación de material aglomerado.

2.2.1.7 Controles sobre las soluciones. Tanto las soluciones lixiviantes como la solución rica de lixiviación son sometidas

a diferentes controles con el objeto de poder establecer el balance metalúrgico de la prueba, consumos de reactivos y cinética de extracción. Entre estos controles se destacan:

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Concentración de cobre. Concentración de ácido sulfúrico (pH) Volúmenes de soluciones lixiviante y rica.

En el caso de lixiviación de sulfuros secundarios, además de los controles anteriores, se consideran los siguientes parámetros:

Concentración de fierro total y fierro (II). Potencial de óxido-reducción.

2.2.2 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS.

En la Figura x se presenta un corte transversal de una pila:

Figura x Corte transversal de una pila de lixiviación.

Con referencia a esta figura se hace una descripción de sus componentes y de sus propiedades típicas:

A. Substrato

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Corresponde en general a un terreno con pendiente del orden de 3 a 4% en una dirección, hacia la canaleta.

Su grado de compactación corresponde a un índice Proctor Modificado de 92 a 95%.

Está tan libre de piedras, sobre todo punzantes, como sea prácticamente posible.

B. Finos de protección Capas de áridos finos (arena, relaves, etc.) totalmente exentos de elementos

punzantes dado que deben acomodar suavemente la capa impermeable y defenderla de la agresión mecánica que puede provenir desde cualquiera de sus caras. Sus espesores típicos varían de 10 a 20 cm. por encima y por debajo de la capa impermeable.

C. Base impermeable Generalmente consiste en un material plástico inerte a la acción de los agentes

químicos que mojarán su superficie. Su resistencia mecánica es suficiente para resistir los esfuerzos a que será sometida, tracción y torque en carga-descarga y compresión por el mineral depositado: sus propiedades físicas y químicas le permiten resistir las condiciones ambientales de temperatura y radiación existentes.

D. Tuberías de drenaje Tuberías corrugadas y perforadas, colocadas espaciadas longitudinalmente,

destinadas a permitir una rápida evacuación de la solución una vez que alcanza el fondo de la pila. Cumple el doble propósito de evitar la inundación de la pila (y las consecuentes capas freáticas) y permite la inoculación de aire por las zonas inferiores.

Su espaciamiento se calcula asumiendo que la tubería es una canaleta que a la salida de la pila está llena hasta 2/3 de su diámetro con el líquido recogido en su área de influencia; en todo caso no se recomienda espaciamientos mayores que 2 metros.

E. Ripio de protección Constituye la última barrera de protección del revestimiento. Básicamente es una

capa de unos 20 cm. de material de apariencia diferente de la mena que marca el límite inferior en la descarga del ripio agotado y que además reparte las presiones sobre la tubería de drenaje. Si presenta buenas propiedades de escurrimiento, puede llegar sustituir las tuberías de drenaje, aunque con el peligro de embancamiento en el largo plazo y sin el beneficio de aireación inferior. Su banda granulométrica debe ir entre 100% -3” y 100% +1,1/2”.

F. Mineral

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Capa del material a lixiviar depositado en forma razonablemente suave, deseablemente por medios que no produzcan un efecto de compactación ni disgregación mecánica hasta alcanzar la altura determinada.

G. Sacos de relleno Colocados al borde de la pila y antes de la canaleta. Proporcionan una barrera

de contención de los finos arrastrados por la solución y un lugar para el paso de personal sin peligro de daños a la base impermeable. Su disposición tipo ladrillo debe permitir la salida de la tubería de drenaje, se instalan sobre la carpeta plástica y alcanza a una altura tal que sirvan de contención a todas las capas de áridos protectores bajo el mineral.

H. Canaleta de recolección Lugar de recuperación de las soluciones; está integrada al revestimiento

impermeable. En el caso de las pilas unitarias es común para toda la pila y presenta una pendiente del orden de 0,5 a l% hacia el punto de recolección.

En las pilas dinámicas está nivelada, sectorizada y con salidas para cada sector. En ambos casos están conectadas a estanques desarenadores para eliminar sólidos en suspensión.

J. Anclajes Sectores de fijación de la base impermeable al terreno.

Es recomendable realizar pruebas de arreglos de pila, con diversos tipos y espesores de revestimiento y capas de protección, bajo las condiciones de operación, antes de proceder con la construcción de la pila.

También debe dejarse un espacio libre entre el pie del mineral y comienzo del anclaje, por si existiesen escurrimientos de solución por los taludes laterales y posterior, rematando la instalación con pequeños promontorios en los anclajes. Este espacio libre debiera tener entre 0,3 y 0,5 m.

2.2.3 SISTEMA DE RIEGO

El sistema de riego debe mojar la pila con la cantidad determinada de litros/hora x metro cuadrado que se ha definido previamente en laboratorio en función de la capacidad de drenaje del material, teniendo como consideración secundaria la concentración de las soluciones a obtener.

Sus condiciones básicas son: - Permitir un riego tan uniforme como sea posible. - Un tamaño de gota incapaz de provocar la aparición de finos: por ejemplo, desaglomerando el material.

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- Un tipo y tamaño de gota que no sea afectado por las condiciones ambientales esto es arrastres por viento o pérdidas por evaporación. – Estar construido con materiales resistentes a los agentes químicos y condiciones de operación.

Se requiere por lo tanto:

i) Diseñar las tuberías matrices de forma que estabilicen la presión de la línea, por ejemplo, aumentando su diámetro o conformando anillos de presión constante.

ii) Seleccionar cuidadosamente los dispositivos de riego de acuerdo con los criterios ya señalados.

iii) Calcular su distribución conciliando su área de influencia y su capacidad de flujo con la tasa de riego deseada.

Existe una gran variedad de dispositivos de riego tales como: Goteros. Aspersores. Mangueras quirúrgicas (Wigglers). Boquillas.

Las características de estos dispositivos se encuentran en los catálogos, de los proveedores correspondientes. Los dos últimos también pueden considerarse como aspersores. Como criterio general de elección entre el riego por goteo y aspersión pueden ser nombrados los siguientes:

RIEGO POR GOTEO RIEGO POR ASPERSIONa) Si el agua es escasa

b) Si el pH de trabajo no permite precipitación de las durezas del agua.

c) Peligro de congelamiento en la alta cordillera.

d) Régimen de viento fuerte y permanente.

a) Recurso agua no es limitante.

b) Aguas muy duras y peligro de precipitación de carbonatos.

c) Condiciones climáticas favorables, temperatura mínima 0 °C.

d) Régimen de viento moderado o intermitente a ciertas horas del día.

e) Necesidad de 0xigeno en la solución, sin posibilidad de agregarlo en alguna instalación anterior.

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3. PURIFICACION Y/O CONCENTRACION La solución rica obtenida en la lixiviación puede ser tratada por electroobtención

directa, siempre y cuando la solución contenga más de 30 g/l de cobre y bajos niveles de alimentos interferentes (fierro, cloruro, manganeso, etc.). Actualmente unas pocas plantas en el mundo practican la EW directa o con remoción de alguna impureza por precipitación selectiva.

La práctica convencional para purificar y concentrar soluciones, se realiza desde hace algunos años mediante el proceso de extracción por solventes orgánicos. Esta tecnología permite recuperar el cobre de una solución de baja concentración y con interferentes, mediante electroobtención para producir cátodos de cobre de similar o superior calidad que en electrorefinación.

La SX del cobre, se basa en la actuación de un medio líquido orgánico, el cual transfiere el cobre selectivamente desde la solución obtenida en lixiviación: (1 – 10 g/l en cobre y 1 – 5 g/l en ácido) hacia un electrolito apto para EW (35 – 50 g/l cobre y 130 – 180 g/l en ácido). La SX es una tecnología que, ha impactado notablemente la hidrometalurgia del cobre y junto a la lixiviación y EW forman un proceso ampliamente ventajoso.

3.1 EXTRACCION POR SOLVENTE

La extracción por solvente, ha demostrado ser un elemento tecnológico importante para las empresas productoras en su estrategia competitiva a corto y largo plazo.

A pesar que la SX es una técnica de separación empleada desde comienzo de siglo en la industria petro y farmoquímica, solamente a mediados de éste, se aplicó en la hidrometalurgia para extraer metales nucleares. En la industria del cobre, se aplicó industrialmente a fines de la década del 60, en la planta Bluebird (Arizona) para producir 6.000 t/a de cátodos. Hoy en día, las plantas con SX están permitiendo recuperar más 750.000 t/a de cobre proveniente de diferentes tipos de soluciones.

La SX del cobre, fue originalmente desarrollada para recuperar cobre desde soluciones pobres y contaminadas, que tradicionalmente se sometían precipitación con chatarra de hierro para obtener un precipitado impuro que se enviaba a una fundición. La estrategia de aplicación original aún se mantiene en numerosas plantas que lixivian minerales de baja ley. Sin embargo, los desarrollos y avances en SX, han ampliado su potencialidad y es así como actualmente se procesan soluciones de mayor contenido en cobre y ácido e incluso para soluciones amoniacales.

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3.1.1 OBJETIVOS DEL PROCESO

El proceso de SX como etapa de purificación y concentración de soluciones, es intermediante entre las de lixiviación y EW. La interposición de un medio orgánico entre la solución rica de lixiviación y el electrolito acuoso de EW permite que se lleve a cabo un proceso económico de separación química y concentración del cobre. La técnica de SX utilizada en un proceso hidrometalúrgico del cobre, persigue los siguientes objetivos:

Transferir selectivamente el cobre contenido en la solución rica proveniente de lixiviación hacia el electrolito de EW.

Facilitar la recuperación del cobre por EW y obtener cobre electrolítico de alta pureza.

Cambiar la identidad química del cobre disuelto en otra compatible con el proceso de EW.

Dependiendo del proceso particular aplicado, se puede lograr uno o más objetivos señalados.

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3.1.2 DESCRIPCION DEL PROCESO

La extracción por solvente, conocida como intercambio iónico líquido, puede ser definida como un proceso químico utilizado ya sea para purificar, concentrar o modificar soluciones que contienen cobre. Este proceso se caracteriza por presentar dos etapas principales:

a) Etapa Extracción o Carga. En dicha etapa, la solución rica es mezclada con un líquido orgánico para

transferir el cobre desde la fase acuosa a la orgánica en forma selectiva. Las dos fases luego se separan debido a su insolubilidad. En esta etapa, se “carga” el orgánico con cobre, generándose el refino y el orgánico cargado. b) Etapa Reextracción o Descarga.

El orgánico cargado se contacta con un electrolito ácido para transferir ahora el cobre de la fase orgánica al electrolito acuoso. En esta etapa, se “descarga” el orgánico, generándose el electrolito rico apto para el EW y orgánico descargado apto para su reciclo a extracción, como se puede apreciar en la Figura 3.2.

Adicionalmente en la configuración del circuito de SX, se puede contar con una etapa del lavado si es necesario para el proceso. Esta etapa de carácter secundaría, tiene el propósito de lavar el orgánico cargado con agua para disminuir el traspaso de impurezas hacia el electrolito.

Los componentes fundamentales da la SX, que permiten su funcionalidad, se describen a continuación.

3.1.3 EL ORGANICO

Este líquido aceitoso, es el que transporta selectivamente al cobre desde un acuoso a otro, en un circuito cerrado. Está constituido por el diluyente y el reactivo extractante en una proporción adecuada. El extractante es un compuesto químico que está diseñado específicamente para extraer cobre no así las impurezas acompañantes. Este es al reactivo clave del proceso y en el caso de procesar soluciones ácidas se emplean oximas y para soluciones amoniacales se prefieren las beta – dicetonas. El diluyente, facilita el accionar del extractante y la separación de fases.

3.1.4 SOLUCION RICA

La solución generada en la lixiviación puede ser ácida o básica amoniacal y presentar complejidad en su composición y un amplio rango en la concentración de cobre y pH. En cualquier caso, la solución debe reunir requisitos que permitan un buen desempeño del proceso, entre ellos se pueden citar: bajo contenido de sólidos suspendidos, baja viscosidad, ausencia de agentes degradantes del extractante, baja acidez o amoniaco libre.

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3.1.5 ELECTROLITO POBRE

Este acuoso proviene de EW, debe contener una concentración adecuada de ácido para permitir la descarga del orgánico con alta eficiencia y regenerar la capacidad de carga del extractante. Su concentración de cobre debe ser mayor a 30 g/l para permitir un buen desempeño de EW.

3.1.6 MEZCLADOR – DECANTADOR

Convencionalmente en la SX de cobre, se utiliza como equipo de contacto y separación de las fases involucradas el denominado mezclador – decantador. Este equipo que se utiliza en todas las etapas del circuito consta de una cámara de mezcla con una turbina – bomba y el decantador es un estanque rectangular de poca profundidad. Al final del estanque, se ubican los vertederos de orgánico.

3.2 CONCEPTOS BASICOS DE SX

3.2.1 REACTIVOS EXTRACTANTES

Los reactivos extractantes que hacen posible la funcionalidad del proceso de SX del cobre y que juntos al diluyente forman la fase orgánica extractora, son compuestos orgánicos fabricados específicamente para este proceso químicamente puede ser del tipo:

Oximas (cetoximas, aldoximas) Cetonas (beta – dicetonas)

Estos compuestos orgánicos líquidos, tienen la cualidad de reaccionar con el cobre iónico y generar un compuesto organometálico (quelato de cobre) que es soluble en un diluyente orgánico e insoluble en la fase acuosa. Para cumplir un desempeño acertado en SX, un extractante debe reunir una serie de requisitos como ser:

Extraer y reextraer cobre bajo condiciones consistentes con los procesos de SX y EW.

Extraer selectivamente el cobre de la solución rica. Presentar alta capacidad de carga en cobre.

No degradarse bajo las condiciones del circuito. Presentar condiciones adecuadas para su uso, manejo y almacenamiento sin

mayores riesgos.

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Figura. Mezclador – Decantador

Al igual que reactivos de otros procesos, los extractantes tienen nombres comerciales. Así, la empresa Henkel Corp. fabrica los reactivos de la línea LIX (LIX – 54, LIX – 64 N, LIX – 984, etc.) y la ICI produce la línea Acorga (PT – 5050, P – 5100, M – 5640, etc.). En la Tabla 3.1 se describen propiedades y características de desempeño de un reactivo como ejemplo. La mayoría de ellos, son oximas y se utilizan para soluciones ácidas de cobre, el LIX – 54 es una beta – dicetona y se utiliza para soluciones amoniacales de cobre.

3.2.2 DILUYENTES

Los diluyentes orgánicos por sí solos no son capaces de extraer cobre de la fase acuosa pero, desempeñan un rol importante en el proceso de SX. Los diluyentes facilitan el accionar del extractante, incrementan la capacidad de solubilización de la fase orgánica hacia el compuesto organico de cobre y la separación de las fases (menor viscosidad y densidad de la fase orgánica).

En general, los diluyentes son líquidos orgánicos tipos parafínicos obtenidos de la destilación del petróleo. Entre las cualidades más importantes a desear están:

Baja solubilidad en la fase acuosa. Alto punto inflamación. Alta capacidad de solubilización del quelato. Baja volatibilidad.

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Dentro de los solventes comerciales se encuentran algunos como: Escaid – 103, Orfom SX – 12, Solmin – 200L y Kerosene combustible. Del primero, se indican algunas características en Tabla

En las fases orgánicas, generalmente el diluyente está en concentración volumétrica mayor que la del extractante, variando entre 70 a 90 %. En el caso de soluciones amoniacales de cobre pasa lo contrario, el extractante está en el rango del 60 y90 %.

Tabla Propiedades y características LIX - 984

1. Propiedades Físicas y Químicas

Apariencia Líquido color ambar Gravedad específica 0.91 Punto de inflamación Mayor a 77 °C Solubilidad complejo cobre Mayor a 30 g/l a 25 °C

2. Características desempeño

Capacidad de carga máxima 5.1 - 5.4 g/l Cu Punto isoterma extracción Mayor a 4.4 g/l Cu Cinética extracción Mayor a 93 % (30 seg) Selectividad Cu/Fe Mayor a 2000/1 Separación de fase en extracción Menor a 70 seg. Punto isoterma reextracción Menor a 1.8 g/l Cu Transferencia neta de cobre Mayor a 2.7 g/l Cu Cinética reextracción Mayor a 93 % (30 seg) Separación de fases en reextracción Menor a 80 seg.

Tabla 2. Propiedades del diluyente ESCAID - 103

Gravedad específica (60 °F) 0.81 ASTM D 1298 Punto inicial destilación 205 °C ASTM D 86 Punto de inflamación 79 °C ASTM D 93 Viscosidad (25 °C) 2.2 cst ASTM D 445 Contenido azufre 5 ppm ASTM D 3120

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3.3 MECANISNO QUIMICO

Los reactivos extractantes para cobre, descritos anteriormente se denominan del punto de vista químico como agentes quelantes y para una representación química simplificada se utiliza la fórmula RH. El mecanismo químico que permite que el cobre sea extraído de un acuoso y reextraído de la fase orgánica, puede representarse en forma simplificada por las ecuaciones siguientes para soluciones ácidas:

Extracción: 2RH + Cu++ R2Cu + 2H+ (3.1)

Reextracción: R2cu +2 H+ 2HH + Cu++ (3.2)

De acuerdo a las reacciones anteriores, la molécula del extractante al reaccionar con el ion cobre forma al quelato y entrega ion hidrógeno al acuoso. En reextracción el quelato al reaccionar con ion hidrógeno, regenera al extractante y entrega el ion cobre al electrolito.

3.4 CONFIGURACION CIRCUITO SX

Los circuitos de extracción y reextracción en una planta de SX, pueden ser realizados en diferentes tipos de arreglo según sea el diseño de la planta. El contacta del acuoso con el orgánico en cada circuito se realiza en contra – corriente en una o más etapas en serie para lograr los propósitos deseados.

Una configuración típica de una planta de SX, es tener dos etapas tanto en el circuito de extracción y de reextracción, Se acostumbra a designar como E – 1 la etapa de entrada del acuoso de alimentación y S – 1 a la etapa da reextracción donde se alimenta el orgánico cargado.

3.5 SEPARACION DE FASES Y ARRASTRES

En todo proceso de SX, se genera el arrastre de una de las fases en la otra forma de microgotas que no logran ser separadas en los decantadores, lo que trae consigo problemas operacionales y deficiencias.

En SX de cobre interesan de sobremanera los arrastres de acuoso en el orgánico cargado, por cuanto al avanzar este último a la etapa de reextracción genera una contaminación gradual del electrolito con impurezas perjudiciales afectando la EW.

Los arrastres de fase orgánico en el refinado y en el electrolito rico, también son de suma preocupación, ya que esta pérdida de orgánico del circuito representa una de los principales costos de operación de la planta SX. A la vez los arrastres causan

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problemas da contaminación del electrolito rico con orgánico y posteriormente a los cátodos a obtener en EW.

Los niveles de arrastre, son una respuesta de la eficiencia de la separación de fases, la cual está influenciada por los siguientes factores principales:

Flujo específico. Temperatura. Continuidad de fase. Grado de agitación en el mezclador. Razón da fase, 0/A interna. Naturaleza de la fase orgánica. Tasa de formación de borra.

3.6 PARAMETROS RESPUESTAS Los principales parámetros indicadores del funcionamiento del proceso desde el

punto de vista metalúrgico son: Recuperación en extracción; % Recuperación en reextracción; % Tasa de transferencia; t/h Pérdida orgánico; ml/m3 Consumo extractante; l/t cobre. Niveles impureza en ER.

La eficiencia de utilización del orgánica empleado en el proceso, puede expresarse por los parámetros: Transferencia neta; g/ l cobre. Capacidad transferencia máxima utilizada; % Capacidad de carga máxima utilizada; % Selectividad Cu/Fe

4. ELECTROOBTENCION 20

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(Electrowinning)

4.1DESCRIPCION DEL PROCESO

El proceso de electroobtención de cobre consiste básicamente en la transformación electroquímica del cobre disuelto en un electrolito en cobre metálico depositado en un cátodo, mediante la utilización de energía eléctrica proveniente de una fuente externa.

El cobre ionico (Cu2+) del electrolito es depositado selectivamente sobre la superficie del cátodo y a la vez se descompone agua en oxigeno y ácido sulfúrico en la superficie de ánodos insolubles de plomo. Este proceso electrolítico y las reacciones involucradas se presentan esquemáticamente en la figura .Dado que el cobre es más bien un metal noble ( E° = 0.34 V), el proceso de electroobtención es relativamente simple y puede ser realizado sin peligro de desprendimiento de hidrogeno ( E° = 0V).

Figura: Proceso de electroobtención de cobre.

REACCION ANODICA : H2O => 1/2 O2 + 2H+ + 2e- E°=1.23V

(Descomposición agua)

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REACCION CATODICA : Cu2+ + 2e- => Cu E°=0.34 V(Precipitación de cobre) _______________________________

REACCION DE CELDA : Cu2+ + H2O => Cu + 1/2 O2 + 2H+ E°=0.89V

(Expresada en forma ionica)

Resultados del proceso electrolítico :

* Depositación del cobre en el cátodo

* Evolución de oxigeno en el ánodo

* El electrolito se enriquece en ácido y se empobrece en cobre

El proceso de EW, se lleva a cabo en una celda electrolítica, donde circula continuamente el electrolito acuoso que contiene disuelto CuSO4 y H2SO4 y que

proviene de la planta SX para el caso de nuestro interés en este curso. En la celda ocurren reacciones electroquímicas de oxidación - reducción provocadas por la energía eléctrica. En el cátodo el ion cúprico es reducido a cobre por los electrones suplidos por la corriente y que vuelven dicho electrodo de polaridad negativa. En el electrodo positivo hay un déficit de electrones, y se descompone agua generándose oxigeno gaseoso que burbujea en la superficie del ánodo y además ácido sulfúrico, de acuerdo a la reacción neta global :

REACCION DE CELDA O GLOBAL : CuSO4 + H2O => Cu + H2SO4 + 1/2 O2(Expresada en forma molecular)

Como resultado de la estequiometria de la reacción anterior, por cada tonelada de cobre depositada en los cátodos,

Se generan : 1 T Cobre metálico1.54 T ácido sulfúrico

0.25 T oxigeno (5.6 Nm3)Se descomponen : 0.28 T aguaSe consumen : 1900 - 2300 kw/h (costo : +/- 20$pesos / kw/h)

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El electrolito es una solución ácida de sulfato de cobre que contiene entre 30 y 50 g/l de

Cu2+ y 130 a 160 g/l de H2SO4; la temperatura de trabajo es del orden de 40 °C. En el

proceso de EW, otras sustancias denominadas aditivos (sulfato de cobalto y guarfloc) pueden ser agregadas al electrolito para mejorar los resultados del proceso.

La densidad de corriente se mantiene entre 250 y 300 A/hm2, para tener la producción más alta posible compatible con una buena calidad del depósito.

En cada celda, los cátodos de acero inoxidable (1 m2) se posicionan entre dos ánodos de plomo aleado y permanecen alrededor de 6-7 días recibiendo cobre en sus dos caras, logrando cosechar un peso de 45 a 55 kg de cobre catódico por cara. Los cátodos cosechados posteriormente se someten a las operaciones de lavado, despegue de las láminas de cobre, encerado del borde inferior y retorno a la celda.

5. DESCRIPCION DEL PROCESO DE CEMENTACION DE COBRE.

La cementación es un método barato de tratamiento que hace factible la recuperación de cobre desde soluciones tan diluidas como 0.2 g/l Cu.

El cobre se precipita sobre chatarra de fierro latas desestañadas, hierro esponja y granallas del arrabio. La chatarra es el material más usado en cementación y se obtiene de todo desecho o subproducto de los procedimientos para producir acero, de procesos de productos terminados de acero o desechos producidos por corrosión, fallas o antigüedad de tales productos. El hierro esponja y las granallas de arrabio no se usan en forma extendida.

Las reacciones químicas básicas de la cementación son muy sencillas:a) Reacción de cementación.

Fe + CuSO4 Cu + FeSO4 (4.1)

b) Reacciones paralelas de consumo de fierro. Fe + Fe2(SO4)3 3FeSO4 (4.2)

Fe + H2SO4 H2 + FeSO4 (4.3)

Como es evidente de las ecuaciones 4.2 y 4.3, el consumo de chatarra depende fuertemente del contenido de ion férrico y la acidez de la solución. El consumo estequiométrico de Fe es de 0.89 kgFe/kgCu precipitado. Sin embargo, los consumos habitualmente exceden de 2 kgFe/kgCu debido a las reacciones paralelas, especialmente la del ion férrico.

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Se han ensayado diversos métodos de reducción de la concentración de ion férrico, pero el más eficiente ha sido el paso de la solución por un lecho de partículas de pirrotita (Fe7 S8). Así,

Fe7S8 + 32 H2O + 31 Fe2(SO4)3 69 FeSO4 + 32 H2SO4 (4.4)

El área superficial de la chatarra tiene una gran incidencia en la cinética de la reacción de cementación. A mayor área superficial, más rápida es la reacción principal y esta se completa antes que las reacciones paralelas, disminuyendo el consumo de chatarra.

Otros factores que inciden en la cinética, son: Temperatura: a mayor temperatura, mas rápida la reacción de

cementación. Acidez: a menor pH, mayor rapidez de las reacciones.

La pureza del cemento de cobre depende fuertemente del grado de limpieza de la chatarra, de tal manera que si ésta está sucia u oxidada contaminará el producto. La chatarra de mejor calidad debe ponerse en las secciones de agotamiento de la planta para lograr reducir el cobre en solución hasta el mínimo valor.

5.1 EQUIPOS PARA CEMENTACIÓN DE COBRE.

En cementación se pueden usar diferentes tipos de equipos, algunos muy antiguos y otros de desarrollo más reciente, tales como:

bateas. precipitadores rotatorios. conos precipitadores.

Todos ellos operan con el mismo principio básico, contacto de chatarra de gran área superficial con solución ácida de cobre, y sólo difieren en la forma.

a) Bateas. Es el tipo de equipo para cementación más antiguo y consiste en una pileta de

fondo plano de concreto o madera y a prueba de ácido. Una estructura de madera con pequeñas aberturas está suspendida a una cierta altura sobre el fondo y sobre ella se apila la chatarra. La solución cargada (pregnant) llena la pileta y fluye por gravedad y así se cementa cobre sobre la chatarra.

En forma periódica se drena la pileta y se manguerea la chatarra para retirar el cemento de cobre, el que cae al fondo y sale por el final de la batea, donde se decanta y separa del agua de lavado.

Los principales problemas de estos equipos son el alto contenido de impurezas del cemento resultante y el intensivo uso de mano de obra.

b) Precipitadores rotatorios.

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El tambor precipitador es una unidad de cementación de uso más reciente. Se conocen varios diseños: Tambor Enami, Tambor Humbolt y otros, pero el principio básico es el contacto de chatarra en trozos pequeños con solución cargada debido al movimiento rotativo.

Los efluentes del tambor rotatorio se pasan a través de un tambor de malla que actúa como filtro para retener trozos de chatarra (despuntes) que acompañan al cemento de cobre. La pulpa se filtra para separar las soluciones del cemento.

c) Precipitadores de cono. Este equipo es un desarrollo reciente de la Kennecott Copper. Se basa en el

hecho de que la reacción principal de cementación es mucho más rápida que las reacciones competitivas si se usa chatarra finalmente dividida.

El precipitador consiste de un estanque de madera con un fondo de cono invertido de acero inoxidable. Sobre el cono de acero se ubica una malla de forma cónica que sigue la proyección hasta alcanzar las paredes del estanque. Esta malla ocupa alrededor de 2/3 de la altura.

El cono se llena con chatarra, desestañada y en trozos pequeños, y se bombea solución cargada por el fondo. La cementación ocurre rápidamente, y el movimiento ascendente de la solución por el cono, a alta velocidad, lava el cemento de cobre de la superficie de la chatarra y lo lleva hasta la malla cónica por donde cae hasta el fondo del estanque, desde donde se retira con alguna frecuencia. La solución descobrizada rebalsa por el borde superior del estanque y se conduce mediante bombeo a otro precipitador si su concentración de cobre aún es alta, o en caso contrario se envía de retorno a lixiviación (Ver Figura).

Figura. Estanque cónico para cementación.

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Figura Vista de bateas de cementación

Figura Vista tambor de cementación

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