Hidrometalurgia Del Cobre

HIDROMETALURGIA DEL COBRE

Prof. Paula Espinoza C.

Los minerales son compuestos químicos inorgánicos que se han formado por losprocesos naturales. Tienen propiedades físicas y químicas definidas de tal formaque sus características son similares, aún cuando ellos se hayan formado enlugares muy distantes en el globo terrestre.

Los minerales se pueden clasificar por las familias químicas a las quepertenecen, en esta idea, se encuentran los: elementos nativos, sulfuros,haluros, óxidos e hidróxidos, sulfatos, wolframatos, carbonatos, fosfatos, silicatosy otros.y otros.

La mena tal como se extrae de la mina o en forma de “mineral en bruto” consisteen una mezcla de minerales metálicos valiosos y de desecho (ganga), quenormalmente requieren de una cierta preparación para obtener la especie útil ocomercial.

AGLOMERACIÓN Y CURADOLas etapas de aglomeración y curado, en la operación, se confunden en una sola,pero para los efectos de facilitar la descripción de cada uno se analizaran porseparado.

Curado o tiempo de envejecimientoEs el proceso por el cual el mineral aglomerado, en el cual se ha obtenido lahumedad necesaria adicionando agua o líquidos de reciclo, es dejado reposardurante un tiempo (el cual es llamado tiempo de reposo) para que se produzcanlas diferentes reacciones químicas de oxidación, hidrolización, sulfatación,reacciones exotérmicas y otras que contribuyen y facilitan la lixiviación posterior delos valores metálicos que se desea extraer.Cuando la aglomeración del mineral se efectúa en conjunto con la soluciónlixiviante, junto con obtener una mejor velocidad de percolación, se obtiene uníntimo contacto entre la solución lixiviante concentrada y el mineral; lo quegeneralmente permite una mayor velocidad de lixiviación y recuperación. A esteprocedimiento se le llama curado de mineral.

El mineral grueso es acondicionado para la lixiviación en pilas en el tambor decuradoLa función del tambor de curado es:• Transformar el mineral triturado en un mineral de mayor solubilidad en medioácido.• Disminuir el contenido de impurezas en un medio de alta acidez.• Formar aglomerados para aumentar la permeabilidad del mineral que se apila enlas pilas de lixiviación (los finos que se forman por efecto del chancado secundario

EQUIPO DE CURADO

las pilas de lixiviación (los finos que se forman por efecto del chancado secundariose adhieren a las partículas mas grandes y formen aglomerados).

EQUIPO DE CURADO

AglomeraciónPodemos definir la aglomeración, como el un proceso de aumento de volumen, enel que está involucrado la unión de partículas pequeñas con partículas de tamañomayor.Con el proceso de aglomerado se logra lo siguiente:• Las Partículas finas se ligan a las gruesas, formando pellets de un tamañouniforme, de menor densidad y mayor permeabilidad.• Reducir la probabilidad de segregación de las partículas finas durante el carguíoy regadío de la pila.• Mejorar la permeabilidad de la pila debido a la uniformidad del tamaño de laspartículas.• Mejorar la oxigenación de la pila.• Fracturar la roca matriz, lo que permite crear vías de ataque y penetración.• Mejorar la velocidad de extracción, reduciendo el ciclo o tiempo de lixiviación, loque influye favorablemente, en la economía de las operaciones de la planta.Se pueden resumir las siguientes ventajas al agregar solución lixiviante al mineralantes de apilarlo:• Se logra una solución muy homogénea de la solución lixiviante sobre toda lacarga del mineral.• Se obtiene un íntimo contacto entre la solución lixiviante concentrada y el mineral,permitiendo que la etapa de lixiviación termine en el menor tiempo posible.

EQUIPO DE AGLOMERACIÓN

Este método se aplica cuando el material contiene gran proporción de finos,pero al mismo tiempo debe contener también gruesos y con distribución lomás homogénea posible hasta el tamaño máximo de la operación). Así seráposible una aglomeración de finos con los gruesos. El diseño del equipo es elclásico de cualquier cilindro rotatorio y obviamente su finalidad principal, porsu volumen, es aumentar el tiempo de contacto entre finos y gruesos para quese produzca la aglomeración.

El procesamiento de menas de cobre oxidadas y ciertos tipos de sulfuros,para la obtención de cátodos de cobre de alta pureza , se realiza a travésde un proceso hidrometalúrgico que incluyen las siguientes etapas:

1. Preparación y pretratamiento de mineral (chancado, aglomerado ycurado);

2. Lixiviación de las especies útiles, usando reactivos químicos o acción

LIXIVIACION

2. Lixiviación de las especies útiles, usando reactivos químicos o acciónbacterial;

3. Lavado y separación de residuos sólidos;4. Purificación y concentración de la especie útil presente en la solución

proveniente de lixiviación, por medio de la extracción por solvente;5. Precipitación del cobre disuelto en la etapa de electroobtención.

Lixiviación es aquel proceso mediante el cual, se extrae selectivamente uncompuesto, presente en una fase sólida, a través de la disolución de lasespecies de interés, por medio de un agente lixiviante, que transforma éstasespecies en sales solubles.

En el caso de la lixiviación de menas de cobre el agente lixiviante esgeneralmente ácido sulfúrico y las sales solubles formadas son

LIXIVIACION

generalmente ácido sulfúrico y las sales solubles formadas sonprincipalmente sulfatos.

Dicho de otra forma, el proceso de lixiviación permite que la especie deinterés se transfiera desde un sólido a una solución, permitiendo descartarlos sólidos agotados y continuar con el procesamiento de la solución paraobtener el metal. Sin embargo, es necesario que la solución obtenida en elproceso de lixiviación tenga una concentración apta para continuar con lasetapas posteriores, de lo contrario no es viable el procesamiento de mineral.

LIXIVIACION

AGENTE LIXIVIANTEEl agente lixiviante es una solución acuosa que contiene disuelto algún reactivo

químico o especie capaz de reaccionar con el mineral útil a fin de solubilizarlo.

Para escoger el agente lixiviante más adecuado, se debe considerar entre otros:

1. Características físicas y químicas del material a lixiviar.2. Debe disolver el metal o compuesto de interés en forma rápida y debe

reaccionar con los minerales sin valor en forma lenta o despreciable.reaccionar con los minerales sin valor en forma lenta o despreciable.3. La solubilidad de los reactivos de lixiviación debe ser alta, al igual que los

productos del proceso para minimizar el volumen de las soluciones.4. Costo razonable y adecuada disponibilidad.5. Capacidad de regeneración en forma simple.6. Mínimos problemas de corrosión en los equipos.7. En lo posible no debe ser peligroso para los seres humanos y el medio

ambiente.8. Deben actuar en frío y en concentraciones diluidas.

LIXIVIACION

La lixiviación de minerales de cobre depende de varios factores, que también soncomunes en la lixiviación de otros minerales, y entre los que podemos mencionar:

• Tamaño de partícula a que debe molerse o triturarse el mineral• Composición y concentración del disolvente• Tiempo de contacto, Tasa de Riego, Razón de lixiviación• Temperatura del disolvente, Consumo de Acido

LIXIVIACION

LIXIVIACIÓN EN PILAS (HEAP LEACHING)El mineral a lixiviar es chancado previamente a una granulometría que puedevariar entre bajo 2 pulg. y ¼ pulg. para luego acopiar el mineral ya chancado,formando una pila de base cuadrada, sobre un piso previamente impermeabilizado.

La altura de la pila puede ir desde 1.5 hasta 5 metros, dependiendo deconsideraciones metalúrgicas y sistema de carguío.

El piso de la pila se prepara adecuadamente y se impermeabiliza con carpetas deEl piso de la pila se prepara adecuadamente y se impermeabiliza con carpetas depoliuretano, dándole al piso una leve pendiente de alrededor de un 3 %, dirigidahacia una canaleta de recolección de soluciones. La pila se riega por aspersión ogoteo desde encima, mediante sistemas de tuberías conectadas a mangueras quealimentan los goteros o aspersores.

La gran ventaja de la lixiviación en pilas radica por una parte, en el inventario desoluciones de regadío, la cual es muy inferior que en lixiviación por agitación y enbateas. Por otra parte, los costos de inversión y operación son muy inferioresrespecto de los sistemas antes mencionados, pues no se requiere deinfraestructura y equipos sofisticados salvo, un buen sistema de regadío y carguíode la pila.

LIXIVIACION

Ciclo de LixiviaciónSe entenderá como ciclo Metalúrgico o de Lixiviación de una pila a módulo, elperíodo de tiempo medido en días, o meses, en que un mineral es depositado enuna cancha de lixiviación y es sometido a las siguientes operaciones.

a) Carguío de la pilab) Primera entrante (Refino de Extracción por solvente)c) Recirculaciónd) Avance (Drenajes de lixiviación)e) Lavadof) Drenaje de lavadog) Descarga

LIXIVIACION

Ciclo de LixiviaciónSe entenderá como ciclo Metalúrgico o de Lixiviación de una pila a módulo, elperíodo de tiempo medido en días, o meses, en que un mineral es depositado enuna cancha de lixiviación y es sometido a las siguientes operaciones.

a) Carguío de la pilab) Primera entrante (Refino de Extracción por solvente)c) Recirculaciónd) Avance (Drenajes de lixiviación)e) Lavadof) Drenaje de lavadog) Descarga

LIXIVIACION

Sistemas de funcionamiento y configuración de la pilaDesde el punto de vista de la operación misma, las pilas pueden adoptar lasSiguientes configuraciones:

a) Pila Unitaria: Todo el material depositado pasa simultáneamente por lasdiversas etapas del ciclo de tratamiento, carga, lixiviación, estruje, lavado ydescarga. Se carga de una vez la totalidad de la pila y se descarga de una vezal término del ciclo de tratamiento. Se aplica en Plantas de Beneficio de bajacapacidad. Operación más simple y flexible.capacidad. Operación más simple y flexible.

b) Pila Dinámica: En una misma pila coexisten materiales que están en diversasetapas del ciclo de tratamiento. En cada período o etapa que puede ser diariao múltiplo de la capacidad diaria, descarga un módulo y carga otro módulo; loscuales se adosan directamente a los respectivos sectores de la pila, con lacondición que no haya contacto entre la mena fresca y el ripio agotado. Deesta forma la pila queda constituida por “subpilas internas”. Con este sistemase consigue una menor inversión unitaria por mejor

LIXIVIACION

LIXIVIACION

Faja Transportadora (Overland- Tripper)

EXTRACCIÓN POR SOLVENTES

La extracción por solventes es un proceso que implica el paso del cobre, disueltoen forma de iones dentro de una fase acuosa hacia otra fase líquida, inmisciblecon ella, conocida como fase orgánica.Durante el contacto líquido-líquido se produce un equilibrio en el cual el cobre ensolución se distribuye entre las fases acuosas y orgánicas de acuerdo a susrespectivas solubilidades.respectivas solubilidades.Esta técnica se aplica en la metalurgia extractiva del cobre con finesfundamentales de concentrar, purificar y separar este metal de otros elementos ometales disueltos.

OBJETIVOS DE EXTRACCIÓN POR SOLVENTES

Son dos los objetivos fundamentales de un proceso de extracción porsolventes:

• Concentración: Incrementar la concentración de un ión metálico valiosoen solución.

• Purificación: Purificar una solución de iones metálicos no valiosos eindeseables. Por ejemplo: purificar una solución de Cu+2 de iones Fe+2,indeseables. Por ejemplo: purificar una solución de Cu+2 de iones Fe+2,Fe+3, Al+3, etc.

PROCESO DE LIX-SX-EW

CONCEPTOS ESENCIALES

En la Etapa de extracción

La mezcla de las dos soluciones insolubles se llama emulsión o dispersión.Mientras el PLS y la fase orgánica se mezclan, la mayor parte del cobre setransfiere desde el PLS a la fase orgánica.

Luego, la emulsión se dirige hacia la sección del decantador del mezclador-decantador, donde se divide gradualmente en dos capas distintas: una capa defase acuosa más pesada en el fondo y una capa más liviana en la superficie. Lafase acuosa más pesada en el fondo y una capa más liviana en la superficie. Lacapa de fase acuosa, ahora denominada refino y que contiene aproximadamente0,62 g/L Cu+2, recircula hacia la poza de refino. La fase orgánica rica en cobre,ahora denominada fase orgánica cargada, y que por lo general contiene 7,93 g/LCu+2, fluye hacia el tanque de fase orgánica cargada, ubicado en el patio detanques, y de éste último, hacia el mezclador-decantador de re-extracción.

CONCEPTOS ESENCIALES

En la Etapa de re-extracción:

La fase orgánica cargada se mezcla con el electrolito pobre. El electrolito pobrees una solución baja en cobre y con alta concentración de ácido, que provienede la casa de celdas de electroobtención. Nuevamente, estas dos solucionesforman una emulsión y bajo la influencia del alto contenido de ácido, la mayorparte del cobre se transfiere desde la fase orgánica cargada hacia el electrolito.

Luego, la emulsión se dirige hacia la sección del mezclador decantador yLuego, la emulsión se dirige hacia la sección del mezclador decantador ynuevamente se divide en forma gradual en dos capas distintas. La capa de faseacuosa del fondo, ahora denominada electrolito rico y que contieneaproximadamente 50-55 g/L de cobre,, se transfiere a través del circuito deelectroobtención hacia la casa de celdas para la producción de cátodos decobre. La capa de fase orgánica en la superficie, ahora denominada faseorgánica descargada y que contiene aproximadamente 2,49 g/L de cobre, serecircula para ser utilizada nuevamente en la etapa de extracción.

IMPORTANTE: ESTUDIAR DEFINICIONES

REACCIÓN QUÍMICA DE EXTRACCIÓN POR SOLVENTES

En la Extracción por Solventes ocurre una reacción química que altera laestructura química del soluto a intercambiar, con el fin de producir unintercambio de iones en fase liquida a través de una miscibilidad preferencial dela nueva estructura en la fase a la cual se quiere llevar el elemento valioso.

ESQUEMA DEL PROCESO EXTRACCION-REEXTRACCION

CIRCUITO DE EXTRACCIÓN Y RE- EXTRACCIÓN

La planta de extracción por solventes consta de un circuito de extracción quecomprende 2 etapas (E-1 y E-2), y otro de re-extracción compuesto también por 2etapas (S-1 y S-2).

Etapas de extracción (E-1 y E-2)En las etapas de extracción, el cobre presente en la solución líquida o PLS, esEn las etapas de extracción, el cobre presente en la solución líquida o PLS, estransferido al orgánico en forma selectiva por intercambio iónico cargándolo decobre según la reacción de extracción.El orgánico con alto contenido de cobre (fase orgánica cargada), pasa a lasetapas de reextracción y la solución líquida pobre en cobre (fase acuosa o refino)fluye por gravedad hacia la poza de refino siendo reciclada en el proceso delixiviación.


Etapas de re-extracción (S-1 y S-2)En las etapas de re-extracción; la reacción de extracción se invierte, el orgánicocargado se pone en contacto con una solución acuosa de alta concentración deácido (electrolito pobre de electroobtención); el cobre se transfiere desde la faseorgánica cargada hacia el electrolito pobre, la fase orgánica descargada de salidade la re-extracción ingresa a las etapas de extracción para empezar un nuevociclo.

El electrolito enriquecido de cobre, toma el nombre de electrolito rico he ingresa alpatio de tanques, donde es tratado y acondicionado, antes de llegar a las celdasde electroobtención para la producción de cátodos.En la extracción y re-extracción dadas en las etapas E-1, E-2, S-1 y S-2respectivamente, producen la separación de las soluciones orgánica y acuosa endos fases llamadas: fase orgánica y fase acuosa.



La extracción y re-extracción dadas en las etapas E-1, E-2, S-1 y S-2respectivamente, producen la separación de las soluciones orgánica y acuosa endos fases llamadas: fase orgánica y fase acuosa. En las etapas de extracción y re-extracción observamos que el orgánico es mezclado con el acuoso (PLS oelectrolito), con el objetivo de facilitar el contacto y transferencia de cobre. Unavez mezclado y lograda la transferencia, ambas sustancias se separan en dosfases (la fase orgánica y la fase acuosa), aprovechando la propiedad deinmiscibilidad que existe entre ambas (como el agua y el aceite), éstas se separaninmiscibilidad que existe entre ambas (como el agua y el aceite), éstas se separanpor gravedad (diferencia de densidades), quedando en la parte superior elorgánico por ser más ligero que el acuoso.

FASE ORGANICA Y ACUOSA

ELECTROOBTENCION ( EW )

La electroobtención es el proceso final en la producción de cobre catódico dealta pureza. En la electroobtención el cobre metálico se recupera desde unasolución de sulfato de cobre ácido (CuSO4) mediante el proceso de electrólisissumergiendo dos electrodos (cátodo y ánodo) en una solución electrolítica decobre.

Solución electrolítica: Es una solución líquida que tiene la propiedad de permitirel paso de la corriente eléctrica. En la planta la solución electrolítica es unamezcla de agua, ácido sulfúrico y sulfato de cobre.mezcla de agua, ácido sulfúrico y sulfato de cobre.

Electrodos: Son planchas metálicas que se usan para hacer pasar la corrienteeléctrica por el electrolito. El cátodo inicial (carga negativa), es una plancha deacero inoxidable 316L y el ánodo (carga positiva), es una plancha rolada encaliente de plomo-calcio-estaño.

ELECTROOBTENCION ( EW )

El electrolito rico proveniente de las etapas de extracción por solventes esfiltrado y acondicionado para el proceso de electroobtención.

Las celdas en cada fila están conectadas eléctricamente en serie y los cátodosindividuales están conectados en paralelo en cada celda.

El electrolito se distribuye uniformemente a través de las celdas electrolíticas ysobre las caras de los cátodos gracias al marco distribuidor de electrolito.

A medida que el electrolito a EW fluye a través de las celdas deElectroobtención, en el proceso se producen varios cambios:

• El contenido de cobre del electrolito disminuye a medida que el cobre sedeposita en los cátodos.• La concentración de ácido sulfúrico aumenta, debido a la descomposición delH2O en el ánodo.• La temperatura del electrolito aumenta, debido al calor producido por laresistencia y otras ineficiencias.

ELECTROQUÍMICA DEL COBRE

En la electroobtención el cobre metálico se recupera por electrólisis a partir de unasolución altamente ácida de sulfato de cobre (CuSO4). El proceso de electrólisis selogra haciendo pasar una corriente eléctrica continua entre los electrodos (ánodosinertes pero conductivos, y cátodos), los cuales están sumergidos en un electrolitorico en cobre (CuSO4, H2SO4 y H2O). El ánodo lleva carga eléctrica positiva y elcátodo, carga eléctrica negativa. Los iones de cobre (Cu++) son reducidos, es decirneutralizados en el cátodo por los electrones que fluyen por él, depositándose unacapa de cobre metálico sobre la superficie de la plancha madre de aceroinoxidable (cátodo permanente).inoxidable (cátodo permanente).



CONDICIONES ÓPTIMAS DE LA ELECTROOBTENCIÓN

Las condiciones de operación garantizan:• Larga vida útil del cátodo.• Eficiencia operacional.• Flexibilidad operacional.• Facilidad en el desmonte del depósito de cobre.• Pureza del depósito.

Las condiciones óptimas son las siguientes:

1.- Contenido de cobre (35/40 g/L)2.- Contenido de ácido (150/180 g/L)3.- Concentración de cobalto (100/150ppm, 150 si el contenido de manganeso en elelectrolito es alto)4.- Cloruro (menos de 30 ppm)5.- Orgánico (< 1ppm)6.- Flujo a las celdas7.- Reactivo Guartec (150 a 250 g/ tonelada de cobre depositado)8.- Densidad de corriente (280 A/m2)9.- Temperatura de la celda (45–50ºC)

PRINCIPALES PROBLEMAS EN LA ELECTROOBTENCIÓN

1.- Corrosión por cloruros2.- Corrosión Galvánica3.- Por contactos4.- Nivel de electrolito en la celda5.- Alineamiento6.- Efectos del espacio de separación entre electrodos7.- Arrastre de Orgánico7.- Arrastre de Orgánico8.- Cortocircuitos9.- Desborre de celdas

EQUIPOS ASOCIADOS AL PROCESO DE E-W

La nave EW contiene celdas individuales de concreto polímero concajones de rebalse integrales


Celda de electroobtenciónLas celdas están construidasen concreto polímero (resinade viniliéster con agregado dearena de sílice inerte).Cada una está equipada conun tapón de drenaje ubicadoun tapón de drenaje ubicadoen el fondo y en la partelateral de la celda (en unextremo de la celda).


Marco distribuidor de electrolitoEl marco distribuidor colocado en labase de cada celda, es una tubería de3” de forma rectangular, perforada con120 orificios de 6 mm de diámetro,espaciados 101,6 mm en cada costadode la sección longitudinal de la tubería,de la sección longitudinal de la tubería,lo que permite una distribución uniformedel electrolito sobre las caras de loscátodos suspendidos en la celda. Unaválvula manual de 3”, está conectada almarco distribuidor para permitir el cierredel flujo durante el drenaje de la celda.


Marco cortocircuitadorPara realizar la limpieza de las celdas es necesario hacer un puente en el paso dela corriente eléctrica sobre las celdas que van a ser limpiadas, para ello se utilizaun marco cortocircuitador.El marco puentea las celdas y está compuesto de una estructura de acero unida aunas barras de cobre, lo cual permite un buen contacto entre las celdaspuenteadas.

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