Hidrometalurgia univ Atacama

8/14/2019 Hidrometalurgia univ Atacama

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Universidad de Atacama 1

Por hidrometalurgia se entiende los procesos de lixiviacin selectiva ( disolucin )de los componentes valiosos de las menas y su posterior recuperacin de lasolucin por diferentes mtodos. El nombre de hidrometalurgia se refiere alempleo generalizado de soluciones acuosas como agente de disolucin.

La hidro-electrometalurgia comprende el conjunto de procesos de lixiviacin yprecipitacin por medio de electrlisis, donde los procesos electroqumicos sonprecedidos por los procesos hidrometalrgicos.

Hay tres principales etapas de los procesos hidrometalrgicos :

( 1 ) Disolucin del componente deseado presente en la fase slida.( 2 ) Concentracin y/o purificacin de la solucin obtenida.( 3 ) Precipitacin del metal deseado o sus compuestos.

Los reactivos qumicos empleados ( agentes lixiviantes ) deben reunir muchaspropiedades para poder usarse, por ejemplo : no deben ser muy caros, deben serfcilmente recuperables y deben ser bastante selectivos para disolverdeterminados compuestos. Los procesos de lixiviacin y purificacin de la solucin

corresponden a las mismas operaciones que se practican en el anlisis qumico,solamente que a escala industrial.

En estos apuntes slo se presenta los procesos hidro-electrometalrgicos dealgunos de los metales ms comunes en Chile: el cobre y el oro. Se recomienda alestudiante referirse a las varias publicaciones que se publicaron estos ltimosaos en el campo de la hidrometalurgia para profundizar los temas que leinteresan.

1Introduccin a la

hidrometalurgia


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2.1. Reaccin Qumica

En la prctica, se acostumbra escribir una reaccin qumica, bajo la forma :

dDcCbBaA ++ (1)

En (1), a,b,c,d : Coeficientes estequiomtricosA,B : ReactantesC,D : Productos

El valor de la energa libre estndar de la reaccin (G) puede determinarseconociendo los potenciales qumicos estndares o las energas libres de formacinde los reactantes y productos :

Donde i son los coeficientes estequiomtricos de la reaccin.

2Fundamentos Termodinmicos


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Al equilibrio, no hay variacin de energa libre : G = 0.Por lo tanto :

(4)

A 25C ( G en cal/mol) :

(5)

La ecuacin (4) define K, constante de equilibrio de la reaccin considerada a latemperatura T :

(6)

En (6), a,b,c,d : Coeficientes estequiomtricosaA,aB,aC,aD : Actividades de los productos y reactantes. En

soluciones diluidas, las actividades de las especies disueltas seaproximan por su concentracin molar (mol/litro). La actividad deun solido o lquido puro es 1.


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La condicin de equilibrio para un sistema electroqumico es :

(8)

Ecuacin de NERNST

En (8), E : Potencial de la reaccin electroqumica (V)R : Constante de los gases ( 1.987 cal/mol.K )T : Temperatura ( K )

n : Nmero de electrones que participan en la reaccinF : Constante de Faraday ( 23060 cal/volt.equival. o 96500 Coulomb )[Ox] : Actividad de Ox.[Red] : Actividad de Red.E : Potencial estndar de la reaccin electroqumica (V)

Nota : En ciertos libros, la ecuacin (8) se escribe bajo la forma :

Reemplazando en (8) los valores numricos de R y F, expresando esa ecuacinen trminos de logaritmo decimal y a 25C, se llega a :

(9)

E es el potencial estndar de la reaccin electroqumica, es decir cuando todoslos compuestos que participan en la reaccin estn en su estado estndar (slidos y lquidos puros, especies disueltas en una concentracin de 1 mol/litro).

(10)


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o

En(10), i : Coeficientes estequiomtricos de la reaccini : Energias libres de formacinn : Nmero de electrones que participan en la reaccinF : Constante de Faraday ( 23060 cal/volt.equivalente o 96500 Coulomb )

E puede calcularse por la formula (10), pero en general se prefiere obtenerlodirectamente en tablas (Tabla ..) y escalas de potenciales estndares ( Fig. ..).

Ejemplo

Se considera la semi reaccin :

Cu2+ + 2 e- Cu

Resultados para diferentes concentraciones de cobre :


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2.3. Diagramas Eh - pH

2.3.1. Introduccin

La forma ms conveniente de representar la termodinmica de sistemas acuososes en forma grfica en los diagramas de Pourbaix o diagramas potencial - pH.Estos diagramas son ampliamente utilizados por los hidrometalurgistas, por cuanto

permiten visualizar posibilidades de reacciones sin tener que recurrir al clculotermodinmico para los fenmenos que ocurren en medio acuoso.

Una importante restriccin en la aplicacin prctica de los diagramastermodinmicos, es que predicen tendencias a que ocurran fenmenos, pero no lavelocidad con que stos puedan ocurrir. En la prctica las velocidades de reaccinpueden variar desde valores tan altos que son controlados por limitaciones en latransferencia de masa, a valores tan bajos que se requieren perodos geolgicospara observar en forma directa el fenmeno. La cintica extremadamente lenta enalgunas reacciones conduce a que algunas fases slidas existan en condicionesfuera de su rango de estabilidad termodinmica o que fases slidas no se formenen condiciones termodinmicas favorables y lo hagan otras en su lugar (fasesmetaestables) (ejemplo : precipitacin de hidrxido de hierro). En este caso, es aveces til utilizar diagramas Eh - pH modificados que consideren las fasesmetaestables.

Existen Atlas de diagramas Eh - pH (Pourbaix). En este curso, se pretendemostrar como interpretar y utilizar esos diagramas, por lo cual se van a construir amodo de ejemplos el diagrama Eh - pH del agua y del cobre.


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2.3.2. Diagrama Eh - pH del agua

Puesto que se est considerando el equilibrio termodinmico de especies ensolucin acuosa, es relevante incluir en los diagramas Eh - pH los lmites deestabilidad del agua.

Las semi reacciones a considerar son :

En medio cido, Oxidacin 2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e - E = 1.23 V

Reduccin 2 H++ 2 e H2 E = 0.00 V

En medio bsico, Oxidacin 4 OH- O2 + 2 H2O + 4 e- E = 0.401 V

Reduccin 2 H2O + 2 e- H

2+2 OH- E = -0.83 V

Para calcular un diagrama de Pourbaix, se utilizan las ecuaciones de lasreacciones en medio cido, las cuales estn directamente relacionadas con la

concentracin en iones H+ y el pH.

* Oxidacin 2 H2O O2 + 4 H+ + 4e- E = 1.23 V

(11)

* Reduccin 2 H+ + 2 e- H2 E = 0 V

(12)


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O2

H2O

H+

Acido y

oxidante

Bsico y

oxidante

Bsico y

reductor

Acido y

reductor

pH

Para PH2 = 1 atm y PO2 = 1 atm, las ecuaciones (11) y (12) se simplifican a :

Estas dos ecuaciones corresponden a rectas de pendiente (-0.06) y se muestranen la figura 2.3.1 siguiente. La regin entre las lneas es el rea de estabilidadtermodinmica del agua bajo una presin de 1 atm y para una temperatura de 25C.

Figura 2.3.1. : Diagrama Eh - pH del agua


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2.3.3. Construccin del diagrama Eh - pH del cobre enagua

Se presenta a continuacin la construccin - simplificada - y uso del diagrama Eh -pH para el caso del sistema Cu - H2O. Consideramos actividades unitarias para

todas las especies metlicas en solucin. Este diagrama es adecuado paraanalizar la lixiviacin de xidos simples como tenorita (CuO) y cuprita (Cu2O) o de

cobre nativo.

Tabla 2.3.1 :Especies consideradas en el diagrama Eh - pH de Cu - H2O.

EspecieEnergia libre de

formacin (calorias)

Estado deoxidacin del Cu

Denominacin

Cu 0 0 cobre nativo

Cu2O -34.950 1 cuprita (rojo)

CuO -30.400 22 tenorita (negro)

Cu+ 12.000 1 ion cuproso

Cu2+ 15.530 2 ion cuprico

HCuO2- -61.420 2

ion hidrogenurode cuprato

Se consideran sucesivamente las diferentes reacciones entre las especiesconsideradas para el diagrama Eh - pH del cobre. Cada reaccin corresponde auna lnea de equilibrio en el diagrama de Pourbaix.


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2.3.3.1. Reacciones en que participan H+, pero no e-

Reacciones qumicas propiamente tal, dependen slo del pH.

CuO + 2 H+ Cu2+ + H2O

(13)

En este caso, se consideran actividades unitarias para todas las especiesmetlicas en solucin.


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Figura 2.3.2. Representacin del equilibrio qumico Cu2+/CuO,

cuando [Cu2+

]=1mol/l.

La figura 2.3.2 muestra que si la concentracin de Cu2+ es de 1 mol/litro, el oxidode cobre CuO precipita a un pH igual o superior a 3.8, independientemente del Eh.

CuO + H2O HCuO2- + H+ G = 25670 cal

A partir del G, se calcula la relacin de equilibrio siguiente :

Este pH es mayor que 14, el lmite superior de un diagrama Eh - pH convencional.=> El CuO se considera como estable hasta pH 14.

CuO + H2O CuO22- + 2H+


del CuO

Zona de

estabilidad

Eh

pH3.8

Zona de

estabilidaddel Cu(2+)


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Este pH es mayor que 14, el lmite superior de un diagrama Eh - pH convencional.

=> El CuO se considera como estable hasta pH 14.

HCuO2- CuO22- + H+


Si hay 2 especies en solucin, la lnea de equilibrio se define donde lasactividades de las dos especies son iguales.

Figura 2.3.3. Representacin del equilibrio qumico HCuO2-

CuO22-+ H+

Ese equilibrio no se dibuja en el diagrama de Pourbaix porque HCuO22- no existe

a pH < 18.95 ! En la construccin del diagrama, algunas lneas generadasmediante los clculos termodinmicos deben ser eliminados total o parcialmente,ya que representan equilibrios que no tienen significado en la prctica.

Eh

pH13.15

HCuO2-

CuO2-

[HCuO2(-)] >> [CuO2(2-)] [HCuO2(-)]


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Cu2O + 2 H+ 2 Cu+ + H2O

pH = -0.85 Al equilibrio, si [Cu+] = 1 mol/l.

=> El Cu2O debera existir para todo pH superior a -0.85, pero no es as porque el

Cu+ no existe en solucin, como se muestra en el captulo siguiente.

2.3.3.2. Reacciones en que participan e-, pero no H+

Reacciones electroqumicas propiamente tal, dependen slo del Eh.

Cu2+ + e- Cu+ E = 0.15 V

Cu+ + e- Cu E = 0.52 V

Cu2+ + 2e- Cu E = 0.34 V

Se puede observar el la figura 3.3.4. que hay un conflicto de equilibrios, no esposible que un especie se mantenga en 2 campos termodinmicos. El ion cuproso

(Cu+) no es estable en soluciones acuosas, transformndose en Cu2+ y Cusegn la reaccin de DISMUTACION :

2 Cu+ => Cu2+ + Cu (14)


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Figura 3.3.4. Inestabilidad del ion Cu+por dismutacin

2.3.3.3. Reacciones en que participan e-y H+

Reacciones electroqumicas, dependen del Eh y del pH.

Cu2+ + H2O + 2 e- Cu2O + 2 H+

E = 0.20 + 0.06 pH

2 CuO + 2 H+ + 2 e- Cu2O + 2 H2O

E = 0.67 - 0.06 pH

Cu2

O + 2 H+ + 2 e- 2 Cu + 2 H2

O

E = 0.47 - 0.06 pH

Eh

pH

0.52

0.34

0.15

Cu+

Cu

Cu2+

Cu

Cu2+

Cu+


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Figura 2.3.5. Diagrama Eh - pH del sistema Cu - H2O

( T = 25C, actividades = 1 ( [iones]=1 ) , P = 1 atm )


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2.3.4. Interpretacin del diagrama Eh-pH del cobre en

agua

2.3.4.1. Interpretacin

La disolucin de los xidos simples de cobre es termodinmicamente posibleen el dominio cido y en presencia de oxidantes. La tenorita (CuO) slonecesita condiciones de pH, mientras que en esas condiciones, la cuprita

(Cu2O) necesita adems la presencia de un agente oxidante ( iones Fe3+

, O2,u otros ).

Las reacciones son :

CuO + 2 H+ Cu2+ + H2O

y

Cu2O + 2H+ 2 Cu2+ + H2O + 2 e-

Ox. + 2 e- Red.

Cu2O + 2 H+ + Ox. 2 Cu2+ + Red. + H2O

en que Ox. representa un agente oxidante cualquiera.

En forma inversa, al estar el Cu2+ en solucin, y para poder permanecer enella, necesita de una cierta acidez libre, evitndose de esta manera suposterior precipitacin a pH >4.

A travs de todo el rango de pH, el cobre metlico es termodinmicamenteestable estando en contacto con agua, pero en ausencia de oxigeno (u otrooxidante).

La precipitacin electroltica se puede realizar aplicando al ctodo un potencial

inferior a 0.34 V. De esta forma el cobre Cu2+ se reduce en el ctodo deacuerdo a :

Cu2+ + 2e- Cu (ctodo)


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2.3.4.2. Influencia de la concentracin de los iones

El diagrama ha sido trazado para actividades unitarias. Si se traza para otrasactividades, por ejemplo 10-6 (diagramas de corrosin), aumentan el dominio deestabilidad de los iones, pero el diagrama mantiene su forma producindose slodesplazamientos paralelos de las rectas que limitan a estos iones.

Por ejemplo, reemplazando en (13) el valor numrico de [Cu2+]=10-6,se llega a :

=> pH = 6.95

En este caso, el pH de precipitacin de CuO aumenta hasta 6.95; se amplia elrango de estabilidad de los iones en solucin.


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3.1. Cintica de Reacciones

3.1.1. Introduccin

El hecho de que una reaccin sea termodinamicamente posible (G Cu2+ + 5 Fe3+ +

2 S ) :

3Lixiviacin


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La velocidad de una reaccin (v) es el nmero de moles transformados por unidadde tiempo del componente i involucrado en la reaccin qumica : .

La velocidad se puede definir de varias formas :

(a) Basada en la unidad de volumen de fluido reaccionante

(b) Basada en la unidad de volumen del reactor

(c) Basada en la unidad de superficie interfacial en un sistema de dosfluidos o basada en la unidad de superficie del slido en los sistemas

lquido - slido (reaccin heterognea):

(d) Basada en la unidad de masa del slido en los sistemas fluido-slido

dt

dNi


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3.1.3. Etapas de una reaccin

En general, los sistemas hidrometalrgicos estn caracterizados por sistemasheterogneos, es decir , sus reacciones tienen lugar en una interface en la cualocurre transferencia de materia de una fase a la otra.

Figura 3.1.1. Esquema de una reaccin de lixiviacin condisolucin completa del mineral.

Las reacciones heterogneas son controladas por la velocidad de la reaccinqumica propiamente tal o por la transferencia de masa de los diversos reactanteshacia la superficie de contacto de los dos fases. En la figura 3.1.1. se muestra unmodelo simplificado de lixiviacin, con disolucin completa del mineral. Este casorepresenta la disolucin de especies puras que no forman residuos slidos comoproducto de la reaccin, tales como el oro en cianuro, la chalcantita en cido

sulfrico,...


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Las etapas principales de una reaccin son :

(1) Transporte de masa de los reactantes gaseosos a travs de la interfasegas - lquido y posterior disolucin (cuando es el caso).

(2) Transporte de masa de los reactantes a travs de la capa lmitesolucin - slido, hacia la superficie del slido.

(3) Reaccin qumica o electroqumica en la superficie del slido,incluyendo adsorcin y desorpcin en la superficie del slido y/o atravs de la doble capa electroqumica.

(4) Transporte de masa de los especies producidos a travs de la capalmite hacia el seno de la solucin.

La etapa controlante de una reaccin es la de velocidad ms lenta ( R.D.S. : RateDetermining Step). El control de la reaccin global puede ser :

- Por transporte de masa ( etapa 1, 2 o 4 )- Por reaccin qumica (etapa 3)- Mixto

Las reacciones homogneas son generalmente ms rpidas que las reaccionesheterogneas, ya que necesitan transporte de masa en una sola fase y que lasespecies en solucin reaccionan rpidamente. Por otra parte, las reacciones

heterogneas implican el transporte de masa a travs del lmite entre dos fases, loque a veces es la etapa controlante de las reacciones. Las reacciones msimportantes en hidrometalurga son heterogneas, y a veces son controladas porel transporte de masa ( difusin).

En la figura 3.1.2. se muestra un modelo simplificado de lixiviacin, con formacinde una capa de residuo poroso. Este caso es tal vez el ms frecuente enlixiviacin. La reaccin de disolucin de las especies sulfuradas de cobre coniones frricos, corresponde a este caso. La lixiviacin de minerales de baja ley, enlas que el material estril o ganga constituye la fraccin mayoritaria, pueden

considerarse tambin en ese grupo. La "capa" que se forma representa el estrildel mineral, mientras la disolucin se propaga hacia el interior de la partcula.


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Figura 3.1.2. Esquema de una reaccin de lixiviacin conformacin de una capa porosa.

En este modelo, hay dos etapas adicionales :

(5) Difusin del reactivo a travs de la capa slida producida por la reaccin(producto poroso)

(6) Transporte de masa de las especies solubles, productos de la reaccin,a travs de la capa slida formada, hacia el seno de la solucin.

5

6


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3.1.4. Modelizacin de la cintica

Que es un modelo ? Algo que se acerca a la realidad, una representacinnecesariamente imperfecta de sta.

La ecuacin general utilizada para describir la cintica de una reaccin

es :

(1)

Ci : Concentracin de la especie i (slo reactantes)

k : Constante de velocidadn : orden de la reaccin (= n1 + n2 + n3 +...)

En el caso de que exista slo un reactante en solucin, la ecuacin (1) sesimplifica a :

(2)

C : concentracin de la especie reactante ( si hay una sola

especie reactante en solucin )k : constante de velocidadn : orden de la reaccint : tiempo

La velocidad de cualquier reaccin es proporcional a la concentracin delreactante, elevado al orden de la reaccin. Esta expresin puede ser integradapara mostrar la evolucin de la concentracin con el tiempo para una ciertaconstante de velocidad y un cierto orden de reaccin. La mayora de la reacciones

( ) ( )

( )C

C

n

n

kdt

Cd

dt

Cd

dt

CVd

Vdt

dN

Vv

kv

=

===

=

11


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en hidrometalurgia son de primer orden. Si la reaccin es de primer orden ( n = 1),entonces se llega a :

ekte

t CC

= 0 (3)

o

303.2log

0

kt

C

C=

La constante de velocidad ( k ) de cualquier reaccin puede ser expresada por laecuacin de ARRHENIUS :

(4)

Ea : Energa de activacin de la reaccin

R : Constante de los gases (8.314 J/molK)T : Temperatura absoluta (K)A : Constante relacionada con la frecuencia de colisiones de

las especies en solucin.

Experimentalmente, el valor de Ea de una reaccin puede ser determinado en un

diagrama log k versus 1/T, calculando la pendiente de la recta ( Ea/R ) (fig. 3.1.3).


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Figura 3.1.3. Determinacin experimental de la energa deactivacin de una reaccin.

Control qumico Ea > 40 kJ/mol

Control difusional Ea = 5 a 20 kJ/mol

Practicamente, eso implica que la velocidad de una reaccin controladaqumicamente se multiplica por 2 cuando la temperatura aumenta de 10 C.

Ejemplo :

Una reaccin qumica a 20 C tiene una constante de velocidad k1=v

[mol/s.cm2], y a 40C la constante de velocidad aumenta a k2 = 4v

(v=const). Determinar su energa de activacin.

T (C) T(K) K ln K 1/T -Ea/R

20 293 v ln v 0.00341

40 313 4v ln 4 + ln v 0.00319

-

6,300

=> Ea = 6300 * 8.314 [J/molK] / 1000 [J/kJ] = 52.3 kJ/mol

=> Control qumico (Ea > 40 kJ/mol)

Se puede determinar cual es la etapa limitante de una reaccin estudiando elefecto de las variaciones de las condiciones experimentales en las cuales sedesarrolla la reaccin, como lo muestra la tabla 3.1.1.

ln k

1/T

Ea/R


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Tabla 3.1.1, Pruebas experimentales para determinar la

etapa limitante de una reaccin slido-lquido.Resultado esperado para

FactorControl

qumico(etapa 3)

Control difusionalen los poros

(etapa 5)

Control portransporte de masa

externo (etapa 2)

Aumento de lavelocidad de la faselquida

Sin efecto Sin efectoAumenta la

velocidad dereaccin

Energa deactivacin ( Ea )

40 - 400 kJ/mol 5 - 20 kJ/mol 5 - 20 kJ/mol

Cambio de tamaode las partculas (D)

Si las partculas noson porosas alprincipio, v # 1/D.Silas partculas sonmuy porosas, no

influye.

v # 1/D2v # 1/Dndonde 1 < n

< 2

Tabla 3.1.2, Energas de Activacin y etapas limitante de

algunos procesos de la hidrometalurgia del oro.Proceso

Energa de activacin(kJ/mol )

Etapa limitante(Rate limiting step)

Disolucin de oro - Presinatmosfrica

8 - 20

Transporte de masa del O2 o del

CN-, dependiendo de la

concentracin de estos y de latemperatura

Disolucin de oro -Intensiva ( PO2>>)

60 Reaccin qumica

Adsorpcin de oro encarbn activado

11 - 16Difusin en los poros y transporte de

masa del Au(CN)2-

Precipitacin con Zinc 13 - 16 Transporte de masa del Au(CN)2-

Oxidacin de los sulfuroscon O2

30 - 70Reaccin Qumica ( baja T)Transporte de masa del O2 ( Televada )


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3.1.5. Difusin

3.1.5.1. Introduccin

La difusin en fase homognea es la etapa limitante ms comn en una reaccinhidrometalurgica. Bsicamente, la difusin es un proceso que tiende a igualarconcentraciones dentro de una fase. El potencial que provoca la difusin es elgradiente de concentracin dentro de la fase, tal como, por ejemplo, el potencialque provoca la transferencia de calor es el gradiente de temperatura.

Cuando empieza una reaccin (por ejemplo consumo de un reactante en lasuperficie de un slido), un perfil de concentracin se desarrolla poco a poco cerca

de la interfase slido - lquido (ver fig. 3.1.4 ).

C = C( t, x )

En reacciones de disolucin o precipitacin de un slido, la difusin a travs deuna zona adyacente a la interfase slido - lquido puede ser controlante de lavelocidad. En condiciones de agitacin constante, el espesor de esta zonapermanece constante y pronto se obtiene una condicin de estado estacionario enla cual la cantidad de material que entra en la zona es igual a la que deja la zona.

vconsumo del reactivo = vaporte por difusin

yC = C( x )

Figura 3.1.4, Perfilde concentracin de

un reactante ( quese consume) cercade la interfase slido- lquido en funcindel tiempo y de ladistancia.

ConcentraciReactante

Distancia de la interfase00

SlidoC

t=0

t

Cs


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3.1.5.2. Primera ley de FICK

La primera ley de FICK relaciona la cantidad de material que difunde por unidadde tiempo en una direccin perpendicular a un plano de referencia de rea unitariacon el gradiente de concentracin de este:

(5)

J : Flujo de material a travs de un plano de referencia. [

moles cm-2 s-1 ]

C : Concentracin de la especie disuelta [ moles cm-3 ]x : Coordenada de posicin (medida perpendicularmente al

plano de referencia)D : Coeficiente de difusin de la especie considerada en

solucin acuosa. En el sistema CGS, D tiene las

dimensiones [cm2/s]. En la mayora de los sistemashidrometalrgicos se introduce poco error al considerar elcoeficiente de difusin constante e independiente de la

concentracin. ( Valor aprox. = 10-6 cm2/s )

3.1.5.3. Capa de difusin

La capa de difusin es una delgada capa de lquido adyacente a la interfase slido- lquido y que prcticamente se adhiere al slido, debido a que es necesario quela velocidad de la solucin sea nula en la interfase con el slido. El transporte demasa de especies disueltas a travs de esa capa de lquido adherido al slido sehace por difusin.

NERNST propone la siguiente aproximacin de la ecuacin de Fick (5), porlinearizacin en x=0 :

(6)

C0 : Concentracin de la especie en el seno de la solucinCs : Concentracin de la especie en la superficie del slidox : Espesor de la capa de difusin de Nernst


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Figura 3.1.5, Gradiente de concentracin en la vecindad de unainterfase slido - lquido.

La figura 3.1.5 representa la capa de difusin adyacente a la superficie del slido(x) con la concentracin ( lnea de puntos ) variando linealmente de acuerdo a laecuacin (6). La concentracin verdadera se indica por la lnea continua, lo que dauna idea de las simplificaciones hechas.

Si la etapa limitante es la difusin, entonces la especie llega a la superficie y seconsume inmediatamente; su concentracin es nula en la superficie del slido (Cs=0 ). La ecuacin (6) se reduce a :

(7)

ov = k x C0 (8)

Donde K = -D/x, es el coeficiente de transporte de masa, equivalente a laconstante de velocidad de una reaccin de primer orden ( Ver ecuacin (1) ). Esoes generalmente vlido cuando las concentraciones de especies reactivos yproductos son bajas.


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El transporte de masa a travs de la capa de difusin puede ser aumentado :

(1) Reduciendo el espesor de la capa de difusin.

(2) Aumentando el gradiente de concentracin, esto es aumentando laconcentracin de la solucin (C0) .

(3) Aumentando la temperatura de la solucin.

(4) Aumentando la superficie de contacto.

El espesor de la capa de difusin depende de la rugosidad del slido, de laviscosidad de la solucin, de la velocidad de agitacin y del grado de turbulencia yfuerzas de cizalle. x disminuye cuando aumenta el grado de turbulencia.

Pobre agitacin => x > 0.5 mm ( ej.: lixiviacin en pilas )Buena agitacin => x = +/- 0.01 mm

Un aumento de temperatura no necesariamente aumenta la velocidad de unproceso global ya que , por ejemplo, la solubilidad de los gases disminuye con latemperatura.


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3.1.5.4. Difusin a travs de un producto poroso

La difusin a travs de la capa de slido que se va formando como producto de lareaccin sobre el ncleo reaccionante y/o a travs de la capa de partculas inerteses un factor importante en prcticamente todos los procesos heterogneos.Cuando los poros son grandes, que es el caso que interesa en sistemashidrometalrgicos, es vlida la ley de Fick expresada en este caso como :

(9)

Donde C es la concentracin en la solucin y Df es el COEFICIENTE DEDIFUSIN EFECTIVO, dado por :

(10)

D : Coeficiente de difusin de la especie considerada ensolucin acuosa

E : Porosidad de la capa de producto (varia de 0 a 1) : Tortuosidad de la capa de producto ( En general, flucta

entre 2 y 10 )

3.1.6. Transporte de masa en el seno de la solucin

Si el sistema es bien agitado (agitador, conveccin,...), el transporte de masa esmuy eficiente y no limita la velocidad de la reaccin. La solucin se considerahomognea ( C, pH, ... ).Sin embargo, algunos procesos, como la lixiviacin en pila, no pueden siempre seroperados para mantener una solucin homognea.


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3.1.7. Absorpcin de gases en lquidos

La termodinmica determina la concentracin de un gas disuelto en solucindespus de un tiempo de contacto gas - lquido suficiente para alcanzar elequilibrio. Por ejemplo, si PO2 = 0.21 atm, [O2]disuelto = 8 mg/l (25 C).

La absorcin de los gases en lquidos puede ser la etapa limitante si hay un gran

consumo de oxigeno y cuando la cintica de reaccin slido - solucin es rpida (ej. : Oxidacin de los sulfuros a presin o biolgicamente ).

La velocidad de absorcin de gases en un lquido depende de :

(1) Superficie de contacto gas - lquido efecto positivo(Mayor cuando hay muchas burbujas pequeas )

(2) Velocidad relativa de las burbujas efecto positivo(3) Presin parcial del gas efecto positivo(4) Grado de agitacin efecto positivo(5) Temperatura efecto negativo

3.1.8. Influencia de las caractersticas de las

partculas

3.1.8.1. Tamao de las partculas

La superficie de reaccin aumenta cuando disminuye el tamao de las partculas.

3.1.8.2. Forma y textura de las partculas

El efecto de la forma de las partculas es poco importante en hidrometalurga, ymuy difcil de modelizar.


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3.1.8.3. Factores mineralgicos

La reactividad de los granos de minerales es fuertemente afectada por factorestales que orientacin cristalina, inclusiones, dislocaciones e impurezas.

3.1.8.4. Porosidad

La velocidad de cualquier reaccin aumenta con la porosidad, ya que la difusines ms fcil y/o hay una mayor superficie de reaccin.

3.1.8.5. Efectos galvnicos

Cuando dos minerales conductores estn en contacto elctrico en una solucin, elde potencial ms electronegativo se va a disolver preferentemente.

Figura 3.1.6. Efecto galvnico en la disolucin de arsenopirita encontacto con pirita.

3.1.8.6. Efecto de las especies que compiten con la especie valiosa

Minerales otros que el mineral valioso, si estn presentes en la mena, puedeneventualmente consumir los reactivos de lixiviacin, disminuyendo susconcentraciones y la velocidad de reaccin. Por ejemplo, los carbonatosconsumen el cido sulfrico en la lixiviacin de cobre y los sulfuros consumen elcianuro en la disolucin de oro.


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3.2. Prctica de la lixiviacin

3.2.1. Sistemas de lixiviacin

En general, la prctica industrial de la lixiviacin presenta diferentes sistemas deoperacin que se seleccionan de acuerdo a factores tcnicos y econmicos en elanlisis de un proyecto, algunos de los cuales son :

- ley de la especie de inters a recuperar

- reservas de mineral

- caracterizacin mineralgica y geolgica

- comportamiento metalrgico

- capacidad de procesamiento

- costos de operacin y de capital

- rentabilidad econmica, ...

Una forma de clasificar los mtodos de lixiviacin es :

Lixiviacin de lechos fijos :

- in situ, in place

- en botaderos

- en pilas

- en bateas

Lixiviacin de pulpas :

- por agitacin, a presin ambiente

- en autoclaves


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Tabla 3.3, Resumen de diferentes tcnicas de lixiviacin de minerales

Rangos de Aplicaciny resultados

Mtodos de Lixiviacin

En Botaderos En Pilas Percolacin Agitacin

Ley del mineral Baja ley Baja-media Media-alta Alta ley

Tonelaje grande Gran a mediano Amplio rango Amplio rango

Inversin mnima media Media a alta alta

Granulometra Corrido de minaChancadogrueso

Chancadomedio

Moliendahmeda

Recuperaciones tpicas 40 a 50 % 50 a 70% 70 a 80% 80 a 90 %

Tiempo de tratamiento Varios aos Varias semanas Varios das horas

Calidad de solucionesDiluidas(1-2 gpl Cu)

Diluidas(1-6 gpl Cu)

Concentradas(20-40 gpl Cu)

Medianas(5-15 gpl Cu)

Problemas principales ensu aplicacin

-recuperacinincompleta,-reprecipitacinde Fe y Cu,-canalizaciones,-evaporacin- prdidas desoluciones- solucionesmuy diluidas.

-recuperacinincompleta,-requiere degrandes reas,- canalizaciones,- reprecipitaciones,- evaporacin.

- bloqueo porfinos,- requiere dems inversin,- manejo demateriales,-necesidad demayor control enla planta.

- molienda,- lavado encontracorriente,- tranque derelaves,- inversin muyalta,- control de laplanta es mssofisticado.


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3.2.2. Lixiviacin in situ - in place

La lixiviacin IN PLACE se refiere a la lixiviacin de residuos fragmentadosdejados en minas abandonadas, mientras la lixiviacin IN SITU se refiere a laaplicacin de soluciones directamente a un cuerpo mineralizado.

Por lo general, estas operaciones presentan actualmente un gran inters por losbajos costos de inversin y operacin que se requieren, y que posibilitan recuperarvalores metlicos que de otra manera no podran ser extrados. Los bajos costosson consecuencia de evitar o al menos disminuir los costos de extraccin minera,el transporte del mineral a la planta y de los desechos finales del proceso, y laconstruccin de una planta de lixiviacin. Generalmente, la recuperacin es baja (

< 50% ).

Dependiendo de la zona a lixiviar, que puede ser subterrnea o superficial, sedistinguen tres tipos de lixiviacin in situ, como se puede visualizar desde Fig 3.7.

Tipo I : Se trata de la lixiviacin de cuerpos mineralizados fracturados situadoscerca de la superficie, sobre el nivel de las aguas subterrneas. Puedeaplicarse a minas en desuso, en que se haya utilizado el "block caving",o que se hayan fracturado hidrulicamente o con explosivos (IN PLACELEACHING).

Tipo II : Son lixiviaciones IN SITU aplicadas a yacimientos situados a ciertaprofundidad bajo el nivel de aguas subterrnea, pero a menos de 300 -500 m de profundidad. Estos depsitos se fracturan en el lugar y lassoluciones se inyectan y se extraen por bombeo.

Tipo III : Se aplica a depsitos profundos, situados a ms de 500 m bajo elnivel de aguas subterrneas


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Figura3

.7,Sistemasdeminerade

soluciones


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3.2.3. Lixiviacin en botaderos (Dump leaching)

Esta tcnica consiste en lixiviar lastres, desmontes o sobrecarga de minas de tajoabierto, los que debido a sus bajas leyes (por ej. < 0.4% Cu) no pueden sertratados por mtodos convencionales. Este material, generalmente al tamao "runof mine" es depositado sobre superficies poco permeables y las solucionespercolan a travs del lecho por gravedad. Normalmente, son de grandesdimensiones, se requiere de poca inversin y es econmico de operar, pero larecuperacin es baja (por ej. 40-60 % Cu) y necesita tiempos excesivos paraextraer todo el metal. Las soluciones se alimentan generalmente por aspersin.

Normalmente la lixiviacin en botaderos es una operacin de bajo rendimiento

(pero tambin de bajo costo). Entre las diferentes razones para ello se puedemencionar :

- Gran tamao de algunas rocas (> 1 m).

- Baja penetracin de aire al interior del botadero.

- Compactacin de la superficie por empleo de maquinaria pesada.

- Baja permeabilidad del lecho y formacin de precipitados (yeso, ...)

- Excesiva canalizacin de la solucin favorecida por la heterogeneidadde tamaos del material en el botadero.

Figura 3.8,Botaderos.


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3.2.4. Lixiviacin en batea (por percolacin)

Esta tcnica consiste en contactar un lecho de mineral con una solucin acuosaque percola e inunda la batea o estanque. Un esquema de equipo empleado enlixiviacin en batea se presenta en Fig. 3.9.

Los minerales a tratar por este mtodo deben presentar contenidos metlicos altoso muy altos, debiendo ser posible lixiviar el mineral en un perodo razonable (3 a14 das) y en trozos de tamao medio con tonelajes suficientes de mineralpercolable en el yacimiento que permitan amortizar la mayor inversin inicial querequiere este tipo de proceso.

Ya que esos minerales no existen ms, es una tecnologa antigua actualmente endesuso.

Figura 3.9, Equipos de lixiviacin en batea.


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3.3. Lixiviacin en pilas (heap leaching)

3.3.1. Descripcin

El esquema general del proceso se puede observar en la Fig. 3.10. El mineralprocedente de la explotacin, a cielo abierto o subterrnea, debe ser ligeramentepreparado en una planta de chancado y/o aglomeracin, para conseguir unagranulometra controlada que permita un buen coeficiente de permeabilidad.

Una vez preparado el mineral, se coloca en montones de seccin trapezoidal yaltura calculada para proceder a su riego con la solucin lixiviante. Tras percolar atravs de toda la pila, se recolectan los lquidos enriquecidos (solucin rica) que sellevan a la planta de proceso de recuperacin de la sustancia mineral (sal o metal).Las aguas sobrantes del proceso vuelven a ser acondicionadas para serrecicladas hacia las pilas. Tambin en algunos casos es preciso aadir aguanueva, para reponer las fuertes prdidas de evaporacin del circuito.

Se denomina cancha de lixiviacin a la superficie de apoyo de la pila donde secoloca la impermeabilizacin. Cuando la cancha es recuperada para reutilizarlacon un nuevo mineral se trata de lixiviacin en PILAS DINAMICAS, mientras que siel terreno no es recuperado y, por lo tanto, el mineral agotado queda en eldepsito como nueva base para otra pila, se est en la lixiviacin en PILASESTATICAS o PERMANENTES.

La solucin rica (S.R. o P.L.S. : pregnant leach solution) es generalmente impura ydiluida y debera ser purificada y concentrada antes de recuperar el metal. En lahidrometalurgia del cobre, eso se realiza mediante la extraccin por solventeseguida por la electrodepositacin del cobre. La solucin rica slo contiene 4 - 6g/l Cu y 1 - 2 g/l H2SO4 y es impura ( 5 g/l Fe, SiO2, Al2O3 coloides, slidos en

suspensin, ...)


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Figura3.10,Esquemadelix

iviacinenpila


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3.3.2. Construccin de las pilas

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

- La calidad del patio o base de apoyo (impermeable)

- Las facilidades de riego y recoleccin 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 deposicin del material lixiviable(Compactacin, homogeneidad, ...)

3.3.2.1. Preparacin de la base de las pilas

Se necesita disponibilidad de amplias superficies de terreno relativamente llanas (menos de 10% de pendiente ). La cancha debe ser considerada con su sistema deimpermeabilizacin, para controlar las prdidas de soluciones y evitarcontaminaciones del medio ambiente. El sistema consiste en :

- Una base firme y consolidada, debidamente preparada- Una capa de lecho granular sobre el que apoyar suavemente la lmina- La lmina o capa de impermeabilizacin- Un conjunto de drenaje o capa de recoleccin de lquidos- Una capa protectora del sistema

Generalmente, las membranas o lminas de impermeabilizacin del patio songeomembranas de origen sinttico (lminas de plstico : polietileno de altadensidad o PVC de 1 a 1.5 mm o polietileno de baja densidad de 0.2 a 0.3 mm deespesor) pero tambin pueden ser materiales arcillosos compactados sobre elpropio terreno, hormign, asfalto, etc.. Se pueden disponer de membranas osellados simples, dobles o triples, de acuerdo con el nmero de capas

impermeables o membranas que se hayan utilizado.

Una parte importante de la construccin de la pila es el sistema de recoleccin dela solucin rica, que, en general consta de grava o material filtrante sobre la lminay tuberas perforadas drenantes de plstico.


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3.3.2.2. Tcnicas de apilamiento del mineral

El uso de cargadores frontales y camiones (Fig. 3.12a) a sido desplazado, en losltimos proyectos, por apiladores autopropulsados de bajo perfil de carga, comoen el caso de Lince, para tonelajes de 5000 a 10000 tpd (Fig. 3.12b). Paratonelajes mayores, 17500 tpd en Quebrada Blanca por ejemplo, se ha adoptado elsistema de correas cortas y mviles (grass hoppers) que se articulan flexiblementeen secuencia para transportar el mineral desde el aglomerador hasta el apiladormvil que construye la pila (Fig. 3.12c). Para tonelajes an mayores, como en ElAbra 125000 tpd, se implementaron otros tipos de equipos (apiladores sobreorugas, ...).

La altura de la pila flucta entre 2.5 m para sistemas de camin y cargador frontal,hasta 10 m para apiladores.

3.3.2.3. Riego de la pila

El riego de las pilas se puede realizar fundamentalmente por dos procedimientos :por aspersin o por distribucin de goteo, este ltimo siendo recomendable encaso de escasez de lquidos 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 homogeneo.

(a) Por aspersin (b) Por goteo

Figura 3.13, Tcnicas de irrigacin de las pilas


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Figura 3.12, Tcnicas de apilamiento del mineral.

Chancado

AglomeracinCorrea Camin

Cargador frontal

Pila

(a) Producciones pequeas, baja inversin

Apilador Mobil

Chancado

Aglomeracin

Correa Camin

Chancado

Pila

(b) Producciones pequeas - medianas. Mejora la permeabilidad de la pila.

Apilador Mobil

Chancado

AglomeracinCorrea

Chancado

Correa fijaCorreas mobiles

Correas mobiles

Pila

(c) Producciones medianas - grandes. Menor costo operacin..


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3.3.3. Operacin de las pilas

Al inicio de la operacin, se deben disponer como mnimo de dos pilas,comenzndose con el riego de la primera de ellas. En un principio se obtendr unaalta concentracin (Cmx) en la solucin, que ir descendiendo hasta un valor pordebajo de la concentracin media (Cmd) de diseo. En este momento se ponesimultneamente en operacin la segunda pila, con dos sistemas posibles :

a) Lixiviacin de las dos pilas con obtencin de una nica solucin ricafinal.

b) Lixiviacin de la primera pila con produccin de solucin intermedia(pobre), que se recicla a la segunda pila nueva en donde se obtiene lasolucin rica (Fig. 3.15). Este segundo sistema se generalizo, ya quepermite alargar el tiempo de lixiviacin de las pilas y/o disminuir elcaudal de solucin rica y entonces el tamao de la planta de SX.

Cuando la primera pila alcanza el valor mnimo econmico, se procede al lavadocon agua fresca y drenaje hasta el agotamiento, yendo esta solucin al depsito opiscina de solucin estril para recirculacin al sistema. Al mismo tiempo se poneen operacin una nueva pila.

Segn las disponibilidades de rea, la pila agotada se puede cargar y transportar a

un vertedero cercano (PILA DINAMICA o REMOVIBLE) o puede servir de basepara la formacin de una nueva pila (PILA PERMANENTE).

La tendencia se desplaza al uso de pilas permanentes, para evitar los costosasociados a los movimientos de materiales residuales y aminorar las perdidas desolucin por filtracin a travs de la lmina de plstico. Por ejemplo, en MantosVerde, se planea subir hasta 6 pisos de 3 m cada uno.

Si el tiempo de lixiviacin no es suficiente, la recuperacin baja. Es un problema,porque no es posible aumentar el tiempo sin aumentar el area de la cancha delixiviacin.


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Figura 3.14, Esquema de un sistema de lixiviacin en pilas.

SX

0.5 g/l Cu[cido] levada

Ultimos das

Piscina refino

cido

Piscina solucin intermedia

3 g/l Cu[ cido ] debil

Primeros das

6 g/l Cu

Piscina solucin rica

SXPila

Figura 3.15, Reciclage de la solucin lixiviante en contra -corriente.


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3.3.4. Chancado del mineral

El chancado del mineral debe cumplir con tres objetivos :

(1) Ser lo suficiente fino para que la mayora de la especie metlica valiosaeste expuesta a la accin de la solucin lixiviante.

Por ej. : 100 % bajo 3/4"

(2) No puede producir demasiado partculas finas para no alterar lapermeabilidad de la pila. ( Por convencin, se llama fina toda partculabajo 100 mallas) Material arcilloso

Por ej. : partculas finas < 10%

(3) El mineral chancado debe ser el ms homogneo posible, todas laspartculas siendo comprendidas en un estrecho rango de tamao (Fig.3.16).

Tabla 3.4 , Escala de tamaos de partculas, en pulgadas, mallasTyler y mm.

16/16" 8/8" 4/4" 2/2" 1" 25.4 mm3/4" 19.0 mm FRACCION

8/16" 4/8" 2/4" 1/2" 12.7 mm3/8" 9.5 mm GRUESA

4/16" 2/8" 1/4" 6.4 mm3/16" 4.8 mm2/16" 1/8" 3.2 mm FRACCION...

MEDIA

4 mallas 4.75 mm...

FRACCIONFINA

100mallas

150 mm


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Figura 3.16, Curvas de distribucin granulomtrica de unproducto de la etapa de chancado. La curva (1) es mshomognea que la curva (2).

Figura 3.17 , Concepto de la lixiviacin TL (capa delgada).

(1)

(2)


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3.3.5. Aglomeracin

3.3.5.1. Lixiviacin TL (Thin Layer)

Este concepto revolucion la industria de lixiviacin del cobre (Pudahuel 1980).Consiste en impedir la acumulacin de solucin en la pila. Al contrario de lalixiviacin en bateas, la pila no se inunda. La solucin escurre sobre las partculasde minerales, formando una capa delgada de lquido (Fig. 3.17)

3.3.5.2. Permeabilidad del lecho

Se necesita que el lecho de partculas que conforman la pila sea bien permeable,para asegurar una buena percolacin y dispersin de la solucin lixiviante en lapila, sin escurimiento preferencial. Tambin, las pilas podran derrumbarse sihaba acumulacin de agua en la pila.

La permeabilidad del lecho de mineral es mayor si :

- Las partculas son de tamao suficientemente grande

- No hay acumulacin de partculas finas

- El tamao de las partculas es homogneo en la pila- No hay compactacin de la pila por maquinaria pesada

3.3.5.3. Proceso de aglomeracin

De lo anterior, se deduce que se tiene que reducir la cantidad de partculas finasen la pila para aumentar su permeabilidad. Hoy en da, el proceso ms empleadopara solucionar el problema de los finos es la aglomeracin.

El procesos de aglomeracin consiste en esencia en la adhesin de partculasfinas a las gruesas, que actan como ncleos o la aglomeracin de los finos conlos finos, a partir de la distribucin de tamaos en la alimentacin (Fig. 3.18).


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Figura 3.18, Concepto de aglomeracin.

Aglomeracin por humedad

El proceso ms simple de aglomeracin es humedecer el mineral con lquido,hasta alcanzar un contenido de agua que origine una tensin superficial suficiente,para que al colisionar las partculas entre s, los finos se adhieran a los tamaosgruesos. Se forma un puente lquido entre las partculas.

El clculo terico de la humedad ptima es casi imposible y depende de muchosfactores como la mineraloga del mineral, contenido de finos, arcillas, ... Puede serde 6 - 8 % para minerales muy limpios, hasta un 10-15 % H2O para materiales

normales.

Aglomeracin por adherentes

Existen ciertos materiales que pueden mejorar la adherencia de las partculasfinas a las gruesas, prolongando esta unin tanto en la manipulacin como en laoperacin de lixiviacin.


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En el caso de la lixiviacin del cobre, la aglomeracin (o curado) se realiza con elmismo lixiviante cido en un tambor rotatorio (Fig. 3.19). Primero, se humecta elmineral (+/- 4%) con agua o solucin pobre (refino). Despus, se agrega cido

sulfrico concentrado (+/- 30 kg/t o 3%), este cido ataca el mineral y generacompuestos cementantes entre las partculas.

Adems de la aglomeracin, ocurren reacciones qumicas conduciendo a laformacin de sulfatos de cobre y hierro (curado propiamente tal). Estas reaccionesson exotrmicas y generan mucha calor. Por ejemplo :

CuO + H2SO4 => CuSO4 + H2O

CuSiO3 + H2SO4 => CuSO4 + SiO2 + H2O ........

Despus de la aglomeracin en el tambor rotatorio, se deja reposar el mineraldurante 24 h en la pila, para que se completen las reacciones qumicas y que seadhieren entre s las partculas en la misma pila.

En el caso de la aglomeracin de minerales de oro y plata, los aglomerantes sonnormalmente el cemento y la cal. Estos reactivos mejoran la adhesin de laspartculas entre s, y tambin aumentan el pH del mineral para su posteriorcianuracin.

Equipos

El equipo ms comn es el tambor aglomerador. Consiste en un cilindroinclinado girando a baja velocidad, ocasionando el deslice (cascada) y laaglomeracin del mineral previamente mojado con agua y/o adherentes (Fig 3.19).Se practica tambin la aglomeracin en depsitos (stock), en cintastransportadoras y en platos.


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Figura 3.19, Aglomeracin en tambor rotatorio.

3.3.6. Variables del proceso

Se pueden estudiar el efecto de varias variables operacionales sobre larecuperacin del metal valioso y la cintica realizando pruebas de laboratorio encolumnas.

Las principales variables son :

La granulometra

La altura de la pila

La tasa de riego [l/h.m2] o [l/h.T]

La concentracin en cido de la solucin de riego

El tiempo de lixiviacin Depende de la cintica (lix. qumica : 1 a 2 meses; lix. bacterial : 3 a 12meses)


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Todos estos factores estn relacionados entre si.

Por ejemplo, si se aumenta la altura de la pila, la concentracin en cido del

primer metro es buena, pero baja a medida que la solucin percola en la pila y elcobre de los estratos inferiores no se lixivia bien. Se puede aumentar laconcentracin en cido de la solucin de lixiviacin, para salir de la pila con +/- 3g/l [H+], pero ms cido se da a la ganga y ms se come, as que se va aincrementar el consumo de cido. Otra posibilidad es aumentar la tasa deriego,pero existe un riesgo de inundar la pila.

3.3.7. Diseo de las pilas

En este prrafo, se considera el diseo de una operacin mediana de lixiviacin dexidos de cobre, por ejemplo Mantos Verde (III regin).

3.3.7.1. Datos

Capacidad de la planta : 48000 tCu/ao = 4000 tCu/mes = 133 tCu/da

Ley del mineral : 0.95 % CuT

(0.80% Cu soluble + 0.15% Cu insoluble)

Fierro : 5%

Consumo de cido : 3.5 kg cido/kg Cu producido

Recuperacin en la pila : 80% CuT en 2 meses (le da las pruebas piloto)

Granulometra : 100% < 3/8"

Altura de la pila : 5 m (parmetro de diseo)

Densidad aparente del mineral en la pila : 1.45 t/m3 (material chancado)


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3.3.7.2. Capacidad de la planta de chancado

Se recupera 80% x 9.5 kg Cu/TMS = 7.6 kg Cu/TMS (TMS = Tonelada MtricaSeca).

Entonces, se tiene que procesar

Figura 3.20 , Diagrama de flujo simplificado de una planta delixiviacin de cobre.

Planta

recup=80%

17500TM S/da0.95%C u

M ineral Abotadero17367T M S/da

C todos133T M C u/da


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3.4. Lixiviacin por agitacin

3.4.1. Descripcin

La lixiviacin por agitacin se utiliza en los minerales de leyes ms altas, cuandolos minerales generan un alto contenido de finos en la etapa de chancado, ocuando el mineral deseado est tan bien diseminado que es necesario molerlopara liberar sus valores y exponerlos a la solucin lixiviante. Es tambin el tipo de

tcnica que se emplea para lixiviar calcinas de tostacin y concentrados.Se recurre a la agitacin mediante burbujeo o bien a la agitacin mecnica paramantener la pulpa en suspensin hasta que se logra la disolucin completa,siendo el tiempo de contacto de los slidos con la solucin del orden de horascomparado con el proceso de lixiviacin en pilas que requiere meses. Losagitadores mecnicos son simplemente impulsores colocados en el interior deltanque (Fig. 3.21a), mientras que los tanques agitados con aire son a menudotanques de tipo "Pachuca" (Fig. 3.21b).

Sus ventajas comparativas con otros mtodos de lixiviacin son :

- Alta extraccin del elemento a recuperar

- Tiempos cortos de procesamiento (horas)

- Proceso contnuo que permite una gran automatizacin

- Facilidad para tratar menas alteradas o generadoras de finos

Sus desventajas son :

- Un mayor costo de inversin y operacin

- Necesita una etapa de molienda y una etapa de separacin slido-lquido (espesamiento y filtracin)

En la regin de Atacama, Chile, se puede mencionar la planta "La Coipa",propiedad de Minera Mantos de Oro y mayor productora de plata del mundo.Utiliza el proceso de cianuracin de oro y plata por agitacin en ocho tanques enserie. Procesa 16000 t/da de mineral para producir 8214 kg/ao de oro y 3315t/ao de plata (1993).


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Figura 3.21, Equipos de lixiviacin por agitacin

3.4.2. Variables del proceso

El anlisis de las variables de la lixiviacin por agitacin en sistemas industriales,para la definicin y optimizacin del proceso, debe necesariamente hacer confluiraspectos tcnico, operacionales y econmicos.

3.4.2.1. Granulometra

El grado de molienda debe ser lo suficiente para exponer, por lo menospartialmente, la superficie del mineral valioso a la accin de la solucin lixiviante.Depende del tipo de mineral y de sus caracteristicas mineralogicas. Deberaconsiderarse un tamao tal que no contenga un exceso de gruesos (> 2 mm) queproduzca problemas en la agitacin (embancamiento, aumento de la potencia delagitador) y que por otra parte, no contenga un exceso de finos (menos de 40% Fe(OH)3 (floculos caf / rojos)

La tabla 4.1 muestra el pH de precipitacin de los hidrxidos de algunos metalesen agua. Los fosfatos y arseniatos bsicos, si se encuentran en la solucin,precipitan, a veces, ms rpidamente que los hidrxidos y con pH ms bajo.

Tabla 4.1, pH de precipitacin de algunoshidrxidos (C. EK).

Concentracindel ion metlico

10-2 mol/l 10-5 mol/lFe3+ 2.2 3.2Al3+ 3.6 4.6

Fe2+ 5.5 7.2

Cu2+ 5.6 7.3

Zn2+ 6.6 8.3

Ni2+ 6.7 8.4

Co2+ 6.8 8.5

Cd2+ 7.0 8.7

Pb2+

7.4 8.9

Mn2+ 8.4 10.1

Mg2+ 9.7-10.8 11.2 - 12.3


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4.2.2 Hidrolisis

Los procesos de hidrlisis se basan fundamentalmente en el mismo tipo dereaccin de precipitacin de hidrxido, con la diferencia de que en la mayor partede los casos no se termina la reaccin en un hidrxido sino en una sal bsica, enuna sal doble o hasta en un xido.

Dentro de este tipo de reacciones, la que tiene mayor inters industrial es lahidrlisis del hierro, utilizado comnmente como un mtodo de eliminacin de estaimpureza en circuitos hidrometalrgicos.

4.2.3 Hidrolisis del fierro

Existen bsicamente tres tipos de procesos para la eliminacin del hierro acuoso :precipitacin como jarosita, goetita y hematita. Estos dos ltimos procesosproducen precipitados ms fcil de filtrar y decantar.

Jarositas

Las jarositas son compuestos que tienen la siguiente formula : MFe3(SO4)2(OH)6,en la que M puede ser Na+, K+, NH4+, Ag+, Rb+, Pb2+ y H+. La precipitacin delFe como tal se consigue entre 80 y 100 C, con adicin de un lcali y con controlde la acidez. Para la formacin de jarosita de amonio, la siguiente reaccin tienelugar :

3 Fe3+ + 2 SO42- + NH4+ + 6 H2O => NH4Fe3(SO4)2(OH)6 + 6 H+

Con la exposicin a la intemperie en los tranques de relaves, la jarosita setransforma gradualmente en hematita y debido a sus propiedades de adsorcin y

retencin de agua, se produce una eliminacin (disolucin) de metales solublesque ocasionan un problema ecolgico.

Goetita

La precipitacin del hierro como goetita se realiza mediante la siguiente reaccingeneral :

Fe3+ + 2 H2O => FeOOH + 3 H+


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La temperatura de la precipitacin oscila entre 20 y 100 C, el pH entre 2 y 4 y elpotencial debe ser oxidante con el fin de mantener el hierro en forma frrica. La

cintica de precipitacin es lenta, dependiendo de la concentracin de Fe inicial ydel nivel de la impureza a eliminar. El tipo de cristal que se obtiene es de mejorescaractersticas para la separacin slido - lquido.

Hematita

La precipitacin del hierro como hematita se fundamenta en la siguiente reaccin :

2 Fe3+ + 3 H2O => Fe2O3 + 6H+

Los factores de mayor importancia en este mtodo son la temperatura,concentracin de hierro y la concentracin de cido. Dependiendo de estosfactores se pueden formar una serie de compuestos, pudindose sealar engeneral, que las hematitas tienden a formarse sobre 140 C.

4.3. Cementacion

La cementacin de un metal a partir de una solucin, depende de una reaccin dedesplazamiento en la cual un metal menos noble reduce a los iones del metal porprecipitar al estado metlico. Entonces, ste sale de la solucin, y los iones delmetal menos noble entran en la solucin para substituirlos.

Por ejemplo :

Cu2+ + Zn => Cu + Zn2+

El metal utilizado debe tener un potencial de electrodo inferior al potencial delmetal que se desea precipitar.

La reaccin se produce a la superficie del metal, que se agrega habitualmente enforma de polvo a la solucin impura (Fig. 4.3). Para alcanzar velocidades dereaccin aceptables con impurezas que se encuentran en bajas concentraciones,se tiene que agregar un exceso de metal, lo que conduce a la obtencin decementos impuros. Ademas, estos cementos contienen todos los metales depotencial superior al metal agregado.


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Cu

Zn

Zn +

Cu +

e-

Figura 4.3, Cementacin de cobre en la superficie de una

partcula de zinc.

El mejor metal utilizado para cementar las impurezas de una solucin es

generalmente el mismo metal que se desea recuperar desde la solucin pura. As,no se agrega otra impureza a la solucin. Por ejemplo, el cadmio y el cobrecontenidos en las soluciones de lixiviacin de concentrados de zinc se cementancon polvo de zinc.

Ademas de utilizarse como mtodo de purificacin de soluciones, la cementacinpuede utilizarse para recuperar el metal valioso a partir de soluciones diluidas ( ej :cementacin de cobre por chatarra de hierro).

4.4. Precipitacion de un compuesto

especifico

Cuando otros mtodos no son aplicables, se pueden usar reactivos especficos deprecipitacin. Estas reacciones son generalmente complejas, necesitancondiciones de trabajo estrictas y consumen reactivos costosos. Por ejemplo, seusa el nitrosobetanaphtol para precipitar el cobalto contenido en las soluciones de

electroobtencin de zinc.

Se puede aplicar todas las reacciones que estudiaron en el ramo de qumica en laenseanza media tales como precipitacin de sulfuros, formacin de sales, ...

Por ejemplo : AgNO3 + NaCl => AgCl (precipitado) + NaNO3

Es importante el fenmeno de envejecimiento de un precipitado, favorecido poruna temperatura alta y un tiempo de contacto solucin-precipitados largo. El


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envejecimiento consiste en la disolucin de las partculas ms finas y formacin deprecipitados ms gruesos, generalmente acompaado por un cambio en laestructura cristalina de estos. Mejora la insolubilidad del precipitado y su posterior

filtracin.

4.5. Fenomeno de coprecipitacin

La coprecipitacin es cuando hay precipitacin de dos o ms elementos al mismo

tiempo. El elemento minoritario puede ser disuelto en la matriz cristalina delelemento mayoritario, o absorbido en su superficie.

Esto puede ser ventajoso, ya que la la concentracin del elemento minoritario enla solucin puede bajar a niveles mucho ms bajos que por precipitacin de esteelemento en forma pura.

Por ejemplo, en la hidrometalurgia del zinc, impurezas como el Ge y el Ascoprecipitan con un "hidrxido" (*) de hierro , probablemente por absorcin en lasuperficie de los floculos de "hidrxido" de hierro. ( (*): Existen varias formas deprecipitar el hierro : como jarosita, goetita,...)


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etapa posterior del proceso a una solucin de alta pureza y concentracin decobre y cido, formando un electrolito apto para ser electrodepositado en el sectorEW (Figura 4.5).

Figura 4.4, Planta extraccin por solventes en una operacin delixiviacin de cobre.

Extraccin (Extraction)

La solucin rica proveniente de las pilas es mezclada con la fase orgnica(orgnico descargado), para extraer SELECTIVAMENTE el cobre obteniendo unasolucin pobre en cobre, llamada refino, que es reciclada a la etapa de lixiviacinen pilas. Se obtiene en esta etapa una fase orgnica cargada, que es avanzada ala siguiente etapa.


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4.6.2.2. Mecanismo de la transferencia de cobre

El proceso SX se basa en la siguiente reaccin REVERSIBLE de intercambioionico :

Cu2+(A) + 2 RH(O) R2Cu(O) + 2 H+(A)

en la cual el sentido de reaccin est controlado por la acidez o pH de la solucinacuosa.

En la etapa de extraccin, el reactivo orgnico se contacta con la solucinacuosa impura de lixiviacin y extrae selectivamente desde la fase acuosa losiones de cobre, incorporandolos en la fase orgnica. El ion cprico reacciona conel extractante formando un compuesto organometlico insoluble en agua,totalmente soluble en el solvente orgnico (Kerosene, ...), con la cual se producela extraccin del cobre desde la fase acuosa a la orgnica. Mediante estemecanismo, cada ion de cobre se intercambio con dos iones de hidrogeno quepasan a la fase acuosa donde se regenera cido sulfrico en una proporcin de1.54 (kg de cido / kg de cobre).

Figura 4.6, Esquema de un mezclador sedimentador paraoperaciones de extraccin y reextraccin.


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La etapa de reextraccin ocurre por efecto del cambio de acidez en la faseacuosa, revertiendo la reaccin y generando un electrolito de alta pureza y altaconcentracin en cobre.

R2Cu(O) + 2 H+(A) Cu2+(A) + 2 RH(O)

4.6.2.3. Configuracin de plantas SX

Las plantas de extraccin por solventes, tanto en la extraccin como en lareextraccin, estn configuradas en UNA, DOS O TRES ETAPAS DE CONTACTO

de las fases acuosa y orgnica, con el objeto de aumentar el tiempo de contactoentre ambas fases y mejorar la transferencia de cobre. El contacto de las fasesorgnica y acuosa se realiza EN CONTRACORRIENTE.

Adems, en algunos casos, se debe incorporar una etapa de lavado del orgnicocargado, con el objeto de eliminar impurezas dainas en la electroobtencin, porejemplo el cloro.

Se presenta en la figura 4.7 una configuracin tpica de una planta de extraccinpor solventes, compuesta por 2 etapas de extraccin y 1 etapa de reextraccin (2E-1S). La figura 4.8 representa una planta 3 E-2 S.

Figura 4.7, Configuracin 2 E - 1 S (o 2 E - 1 R E).

Lixiviacin Electro-obt.

E1

E2

S1

Extraccin Reextraccin

SR

RFOSC

SRFOC OD

ED EC

OC


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Tabla 4.3, Soluciones, concentraciones y acidez.

Nombre Definicin [Cu]tpica(g/l)

[cido](g/l)

Solucin Rica (SR)Solucin proveniente de la etapa delixiviacin, que alimenta a la planta SX.

6 5pH=1.8

Refino (RF)Solucin diluida en cobre que sale de laplanta SX

0.5 12

OrgnicoMezcla en volumen de un extractante

orgnico y un diluyente ( 8 a 25 % v/v).

ExtractanteEs un reactivo orgnico especial queforma un complejo con el cobre en lafase orgnica. Es bastante viscoso.

Diluyente

Es un solvente orgnico, de tipoparafina, que sirve para diluir elextractante organico y reducir suviscosidad.

Orgnico descargado(OD)

Es el orgnico con una menorconcentracin de cobre, que sale de la

etapa de reextraccin.

4

Orgnico cargado (OC)Es el orgnico cargado con cobre.Transfiere el cobre de la etapa deextraccin a la etapa de reextraccin.

10

ElectrolitoEs la solucin de sulfato de cobre de laplanta de ElectroObtencin.

Electrolito Descargado(ED)

Es el electrolito que viene de la etapa deelectroobtencin.

35 180

Electrolito Cargado (EC)Es el electrolito que se cargo de cobre

en la etapa de reextraccin.

50 160

(OSC) Orgnico semi-cargado 6

(SRF) Semi-refino 2


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Figura 4.8, Configuracin 3 E - 2 S


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4.6.3. Conceptos Fundamentales

4.6.3.1. Coeficiente de distribucin

Un sistema de extraccin por solventes implica una transferencia de masa delelemento acuoso desde una fase a otra. La extraccin o la reextraccin seproduce por la dispersin de una fase en la otra en forma de pequeas gotitas,que favorece la transferencia de materia y se realiza por medio de agitacinmecnica.

Al contactar una solucin acuosa que contiene al elemento M que interesa extraer

con una fase orgnica inmiscible, el elemento se distribuir entre las dos faseshasta alcanzar el equilibrio. La concentracin del elemento en el equilibriodepender de su afinidad relativa (o solubilidad) por ambas fases.

La razn entre la concentracin del metal en la fase orgnica y acuosa, en el

equilibrio, define al coeficiente de distribucin D (o coeficiente de extraccin EaO) :

(4.1)

El coeficiente de re-extraccin (stripping) se define del mismo modo :

(4.2)

4.6.3.2. Selectividad

La existencia de ms de una especie qumica en solucin dar lugar a que dichasespecies se distribuyan entre las fases acuosa y orgnica de acuerdo a susrespectivas solubilidades. Las diferencias en las solubilidades entre ambas fasesse pueden aprovechar para extraer las especies ms solubles y separarlas de lasmenos solubles. de este modo, se puede establecer el concepto de factor deseparacin como la relacin de los coeficientes de distribucin de dos especiesdistintas (DM y DN), que realmente mide la posibilidad de separacin de las

especies M y N y que se conoce con el nombre de selectividad.


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(4.3)

4.6.3.3. Influencia del pH

En el caso de agentes de extraccin que formen especies qumicas con iones decobre en solucin, la reaccin de extraccin por solventes se puede escribir como:

Cu2+(A) + 2 RH(O) R2Cu(O) + 2 H+(A) (4.4)

Con una constante de reaccin definida por :

(4.5)

Reemplazando (4.1) en (4.5) se tiene la siguiente expresin para la constante K :

(4.6)

D : Coeficiente de distribucinF : Producto de los coeficientes de

actividad

K es una caracterstica del sistema y slo depende de la temperatura. Aplicandologaritmos a esta ltima expresin, resulta :

0)log(22log HRpHF

KD ++= (4.7)

que relaciona el coeficiente de distribucin con el pH e indica que la extraccinesta afectada por el pH de la solucin. En la figura 4.9 se puede observar esteefecto y su importancia para la extraccin individual de los elementos como para laseparacin de varios metales acuosos. Por ejemplo, se aprecia que en la

N

M

D

DS =


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4.6.4. Determinacin del nmero de etapas deextraccin y re-extraccin

4.6.4.1 Isoterma de Distribucin

La ISOTERMA DE DISTRIBUCIN es un grfico de la concentracin de laespecie extrada en la fase orgnica versus la concentracin de la misma en faseacuosa, en el equilibrio y a una temperatura dada, y puede ser preparada paraextraccin como para reextraccin.

Normalmente la forma ms utilizada para construir la isoterma de extraccin escontactar en diferentes proporciones el acuoso y el orgnico, y analizar por elelemento metlico una vez logrado el equilibrio. La fases orgnicas y acuosas seponen en contacto en un embudo decantador (250 cc) y se agita durante 3minutos. Luego se deja decantar las fases. Generalmente se emplean razonesO/A de 10/1, 5/1, 2/1, 3/2, 1/1, 1/2 y 1/5.

La figura 4.11 muestra la construccin de una isoterma de distribucin cuando seponen en contacto A ml de solucin rica conteniendo X0 g/l de metal disuelto con

O ml de orgnico fresco. Despues de la puesta en equilibrio, el refino contiene X1

g/l y el orgnico Y1 g/l de metal. El balance de masa se puede expresar como :

y para cada razn existe un coeficiente de distribucin diferente :

PUNTO DE SATURACIN : Composicin del extractante dnde el a alcanzado sucapacidad mxima de carga (a la derecha del grfico).

Isotermas de extraccin y de re-extraccin pueden ser generados de manerasimilar (ver laboratorio). Los isotermas son vlidos solamente para condicionessimilares al las condiciones que se emplearon para su determinacin. Por ejemplo,si cambia la concentracin de reactivo en el orgnico, la concentracin de metalen solucin en la fase acuosa u orgnica, el pH de la solucin rica, la


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concentracin de cido del electrolito descargado, etc...., entonces habr quegenerar otra isoterma de distribucin.

Figura 4.11, Construccin una isoterma de extraccin.

4.6.4.2. Recta de operacin

Como se ha se sealado, la mayora de los procesos industriales de SX operancon un sistema de contacto mltiple en contra corriente. La figura 4.10 representaesquemticamente la operacin de la parte extraccin de una planta de SX para locual se han supuesto n etapas de extraccin. En un proceso de extraccin encontra corriente, la solucin acuosa y la solucin orgnica fluyen en direccionesopuestas. Entonces, el orgnico descargado se contacta con el refino, pobre enCu, mientras que el orgnico cargado est en contacto con la solucin rica en Cu.El proceso de extraccin en contra corriente permite tener una buena extraccindel metal contenido en la solucin acuosa, y a la vez usar eficientemente elreactivo orgnico.

[Me] enorgnico (g/l)

[Me] en elacuoso (g/l)


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EtapaN1

EtapaN2

EtapaN3

EtapaNn

A, X0

O, Y1

A, X1

O, Y2

A, X2

O, Y3

A, X3

O, Y4

A, X(n-1)

O, Y(n)

A, X(n)

O, Y(n+1)

A : Flujo de acuoso (m3/h)O : Flujo de orgnico (m3/h)X(n) : Concentracin de metal en el acuoso que sale de la etapa n (g/l)Y(n) : Concentracin de metal en el orgnico que sale de la etapa n (g/l)

Figura 4.10, Esquema de una extraccin en contra corriente

El balance de masa para la primera etapa es :

y para la etapa N n :

(4.8)

El balance de masa global para n etapas es :

(4.9)

La composicin de la fase orgnica que entra en la etapa n es una funcin lineal

de la composicin de la fase acuosa que abandona la nsima etapa, y vise versa.La ecuacin (4.9) es la ecuacin de una linea recta llamada RECTA DEOPERACIN en el diagrama de McCabe-Thiele, el cual se describe en el parafoposterior.


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4.6.4.3. Diagrama de McCabe-Thiele.

La combinacin de la isoterma de distribucin y la linea de operacin constituye elDIAGRAMA DE OPERACIN o DIAGRAMA DE MCCABE-THIELE, el que esutilizado para ESTIMAR EL NMERO TERICO DE ETAPAS o pisos en unsistema SX. La isoterma de distribucin es fija, y depende slo de la qumica desistema (concentracin de reactivos, pH, ...). La linea de operacin se basa en elbalance de masa, varia con la razn A/O y las concentraciones de metal en laentrada y salida del sistema.

Un diagrama tpico de operacin se presenta en la figura 4.12. Se supone que el

orgnico descargado que entra en la ltima etapa de extraccin contiene 1.80 g/lCu y que los flujos del orgnico y del acuoso son iguales (razn A/O =1).Conociendo eso, una recta de operacin puede ser determinada, partiendo delpunto dnde el orgnico descargado intercepta a la isoterma de extraccin ydibujando la recta hacia arriba y la derecha con una pendiente igual a la razn A/O(=1 en este caso).

Para determinar el nmero de etapas de extraccin, se dibuja una linea verticalrepresentando la concentracin de la solucin rica (feed = 2.50 g/l Cu) hasta queintercepte la recta de operacin. Despus, se traza una recta horizontal hasta laisoterma de extraccin y de ah una recta vertical hasta la recta de operacin,creando de esa forma un escaln correspondiente a la primera etapa deextraccin. Se repite este procedimiento para crear un segundo escalncorrespondiente a la segunda etapa de extraccin. En este sistema, un refino de0.22 g/l Cu y un orgnico cargado de 4.24 g/l Cu se predicen para una extraccinen dos etapas.

Aunque el diagrama de McCabe-Thiele que se muestra en la figura 4.12representa solamente una aproximacin del sistema, resulta muy til paradeterminar el nmero de etapas necesarias para alcanzar una cierta extraccin.Un diagrama de McCabe-Thiele ms preciso podra dibujarse a partir de la figura4.12, dibujando la recta de operacin a partir de un punto situado a igual distanciade la isoterma de extraccin y de la recta vertical representando la composicindel refino. Entonces, se hace de nuevo el diagrama de McCabe-Thiele, y seobtienen valores de 0.15 g/l Cu en el refino y 4.17 g/l Cu en el electrolito cargado.La construccin de un verdadero diagrama de McCabe-Thiele es un procesoiterativo.


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Figura 4.12, Diagrama de McCabe-Thiele para una extraccin en2 tapas de cobre contenido en una solucin rica de 2.5 g/l Cu .

E1

E2 A/O=1/(O/A)

(SR,OC

(Ref,OD)

(SRef,OSC)


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En los mezcladores industriales, no se alcanza la concentraciones de cobre en elorgnico y el acuoso al equilibrio, pero solamente un 90% de extraccin respecto

del equilibrio, como lo muestra la figura 4.13, que representa las etapas de unaoperacin industrial.

Figura 4.13, Extraccin de cobre en una planta industrial, dndeno se alcanza el equilibrio (isoterma de distribucin)


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Figura 4.14, Diagrama de McCabe-Thiele para una reextraccinen 1 tapa de cobre contenido en un orgnico cargado de 3.9 g/lCu .


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4.6.5. Reactivos utilizados en SX de cobre

4.6.5.1. Qumica de los extractantes

Los extractantes se disuelven en un solvente orgnico tipo parafina, generalmenteen una proporcin de 8 a 25 % v/v (% en volumen).

Los extractantes industriales forman complejos de Cu solubles en la fase orgnica.Actuan segn un mecanismo de chelacin : toman el ion de cobre entre sus "pinzas " (Fig. 4.16).

Cu2+(A) + 2 RH(O) R2Cu(O) + 2 H+(A)

Figura 4.15, Estructura qumica general de las Oximas utilizadascomercialmente para la recuperacin de cobre.


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Figura 4.16, Estructura de los complejos formados.


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4.6.5.2. Tipos y caractersticas de reactivos

Reactivos extractantes

Los tipos ms usados son : LIX 984N (Henkel), PT 5050 (Acorga) y MOC 45(Allied Signal).

Sus caractersticas principales son (en promedio) :

Densidad : 0.91 g/cc

Color : mbar

Punto de inflamacin : 70 CSelectividad Cu/Fe : > 2000

Carga mxima (a 10% v/v) : 5.2 g/l de Cu a pH =2

Transferencia neta (10% v/v) : 3.0 g/l de Cu

Separacin de fases : < 90 segundos

Cintica de extraccin : > 95% en 60 segundos

DiluyentesLos tipos de diluyentes ms usados son : ESCAID 103 (Exxon) y OXIMIN(Oxiquim).

Sus caractersticas principales son :

Densidad : 0.81 g/cc

Punto de inflamacin : 79 C

Modificadores

Los modificadores son compuestos que aumentan la solubilidad del extractanteorgnico y del metal en la fase orgnica. Mejoran la velocidad de separacin defases y extraccin de cobre, favoreciendo la coalescencia.

Los modificadores ms usados son el TRIDECANOL y el ESTER.


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Tabla 4.4, Reactivos en uso actualmente

(Revista Mineria Chilena, sept. 1994)

Reactivo Extractante Modificador

Acorga PT5100 Aldoxima Nonil Fenol

PT5050 Aldoxima Tridecanol

M5640 Aldoxima Ester

LIX 84 Ketoxima No

984 Mezcla No

622 Aldoxima Tridecanol

860 Aldoxima No

MOC 45 Ketoxima No

55 Aldoxima No

4.6.6. Arrastres

4.6.6.1. Continuidad

Al mezclarse en un mixer 2 fases inmiscible, una de ellas debe encontrarsedispersa en la otra. Se presentan dos casos :

(1) Cuando la fase acuosa est dispersa en la fase orgnica, se habla decontinuidad orgnica, y

(2) cuando la fase orgnica est dispersa en la fase acuosa, se habla decontinuidad acuosa (Fig. 4.17)


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4.6.6.3. Remocin de acuoso

De manera similar a los arrastres de orgnico, existen arrastres de acuoso en lafase orgnica, los que constituyen la principal fuente de contaminacin delelectrolito. El Cl y Mn, adems de Fe, son actualmente las mayores impurezas. Elmtodo normal de remocin de acuoso es el diseo del estanque de orgnico contiempo suficiente y facilidades para eliminar peridicamente el acuoso acumulado.Este mtodo puede ser suficiente para el Fe, pero no as para el Cl y Mn, cuyasconcentraciones permisibles en el electrolito son muy inferior a las de Fe (30 ppmCl y 100 ppm Mn vs 1.5-2.0 gpl Fe). En este caso se pueden implementar lossiguientes mtodos :

Uso de una o ms etapas de LAVADO. Diseo del estanque de orgnico como post-decantador. Uso de coalescedor del tipo desarrollado por Chuquicamata. Combinacin de cualquiera de las alternativas anteriores, dependiendo de la

concentracin de las impurezas presentes.

4.6.6.4. Diseo alternativo de Mezcladores Decantadores

Adems de los diseos de Krebs y CMS de Davy, recientemente Outokumpu ha

propuesto el VSF (agitacin muy suave). Las principales ventajas atribuidas a estediseo son :

Menores arrastres de orgnico y acuoso. Menor formacin de crud.


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5.1. Introduccin

5.1.1. Definicin

La ELECTROMETALURGIA consiste en la produccin de depsitos metlicosmediante la aplicacin de la ENERGIA ELECTRICA.

Se distingue :

La electrometalurgia en solucin acuosa :Aplicada fundamentalmente a la produccin de Cu, Zn, Ni, Co, Pb, Ag, Au yotros metales menores ( Cd, Cr, Mn, Ga, Ti, Te ).

La electrometalurgia en sales fundidas :Aplicada principalmente a la produccin de Al, Li, Mg, Na, K y otros metalesmenores (Tierras raras, Ti, V, W, Zr, Th).

5Electrometalurgia


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Figura 5.1 : Produccin Mundial aprox. de metales por electrolisis

(Fuente : Journal of Metals - Enero 1985)

5.1.2. Procesos electrometalrgicos

Segn el tipo de depsito obtenido, se distinguen los siguientes PROCESOSELECTROMETALURGICOS :

ELECTROOBTENCION (Electrowinning) de metales :

Consiste en la extraccin de metales a partir de soluciones, en forma dedepsitos metlicos puros, densos y compactos o depsitos metlicos en polvo(pulvi-electrometalurgia) o bien, depsitos de compuestos metlicos (xidos,hidrxidos o sales).

ELECTROREFINACION (Electrorefining) de metales :

Consiste en la obtencin de depsitos metlicos de alta pureza a partir de unmetal impuro.

GALVANOPLASTIA (Electroplating) :

Consiste en recubrimientos metlicos delgados con fines anticorrosivos oestticos (cromados).

ELECTROCONFORMADO (Electroforming) :

Consiste en la elaboracin de piezas metlicas especiales por va electroltica.

0 1 2 3 4 5 6 7Log. Produccin anual (tm/ao)

Ga

In

Tl

Te

Sb

Bi

Cr

Au Cd Co Mn Sn Pb

Ag Ni Zn

Cu


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5.2 Conceptos Fundamentales

5.2.1. Celdas de electrlisis

Los procesos electrometalrgicos tienen lugar en unidades llamadas CELDAS DEELECTROLISIS, las cuales se agrupan para constituir la nave o plantaelectroltica. Una celda de electrlisis est constituida por :

La celda misma : Es un recipiente que contiene el electrolito y los electrodos.En algunos casos, la celda puede ser constituida por dos mitades, conectadasentre s por unpuente salino.

El electrolito : Un medio acuoso, que contiene los iones del metal a depositar yotros iones que migran permitiendo el paso de la corriente entre los electrodos.

El nodo : Material slido conductor en cuya superficie se realiza un procesode oxidacin con liberacin de electrones.

Ejemplo : Zn => Zn2+ + 2 e-

El ctodo : Electrodo slido conductor en cuya superficie se realiza un procesode reduccin con los electrones provenientes del nodo.

Ejemplo : Cu2+ + 2 e- => Cu

ENERGIA

ELECTRICA

=> PROCESOELECTROMETALURGICO

DEPOSITO

METALICO

=>


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Figura 5.2 : Celdas electrolitica y galvnica

( ej. : electrodepositacin de cobre y pila de Daniel (1830) ).

A ) CELDA ELECTROLITICA : La energa elctrica se transforma en energa qumica.

Electrolito : H2O, Cu(2+), SO4(2-), H(+), ...

Anodoplomo

C

todoaceroinox

I

anin

+

I I

ee

H2O => 1/2 O2 + 2H(+) +2e(-) Cu(2+) + 2e(-) => Cu

Celda

-

Cu

O2

Fuente depoder

catin

B ) CELDA GALVNICA : La energa qumica se transforma en energa elctrica.

I I

ee

AnodoZn

CtodoCu

PuenteSalino

1/2 celda 1/2 celdaZn => Zn(2+) + 2 e(-) Cu(2+) + 2 e(-) => Cu

ZnSO4 CuSO4

Zn(2+) Cu(2+)

I

- +

(iones)


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Proceso Celda EW Pila

Anodo Oxidacin + -Ctodo Reduccin - +

5.2.2. Proceso electroqumico

Un proceso de naturaleza electro-qumica se caracteriza por presentar larealizacin simultnea de dos reacciones denominadas andicas y catdicas. Enla primera sucede una transformacin qumica de oxidacin y se liberanelectrones. La reaccin catdica involucra un proceso qumico de reduccin conparticipacin de los electrones liberados en el nodo y que viajan porCONDUCTORES ELECTRNICOS (cables) que unen el ctodo con el nodo.

En la solucin, no hay desplazamiento de electrones, sino que los iones sedesplazan en la solucin. Los aniones (-) van hacia el electrodo de carga positiva ylos cationes (+) hacia el electrodo de carga negativa. El electrolito es unCONDUCTOR IONICO.

Los procesos electroqumicos pueden ser clasificados en dos tipos segn sean ono espontneos. Los primeros suceden en forma natural y la celda se denominaGALVNICA o PILA. Los no espontneos se realizan por medio de la aplicacinde corriente externa y se realizan en una celda llamada ELECTROLITICA. En lafigura 5.2, se ilustran ejemplos de procesos galvnicos y electrolticos.

Los procesos de electrodepositacin de metales no son espontneos y necesitanun aporte de energa elctrica para ser forzados a ocurrir, por lo cual se estudianlas celdas electrolticas en estos apuntes. La FUENTE DE ENERGIA ELECTRICA

debe proporcionar corriente continua o directa (DC) a la celda, permitiendo el flujoforzado de electrones entre el nodo y el ctodo dnde son consumidos. En formasimple, la fuente de energa acta como bomba impulsora de electrones quefluyen por los conductores y los electrodos.


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5.3. Cantidad de metal depositado o disuelto

5.3.1. Ley de Faraday

La ley de Faraday establece que la masa de metal depositado es proporcional a lacantidad de corriente que circula a travs de la celda y al tiempo de operacin dela electrlisis.

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Hidrometalurgia univ Atacama