TRABAJO N°1

HIDROMETALURGIA

Integrantes:

Viviana Monroy V.Daniel Palma S.

René Rojas E.Alejandra Rubio M.

Asignatura

Hidrometalurgia

Profesor

Lionel Ahumada

INTRODUCCIÓN

La Hidrometalurgia puede definirse como aquella parte de la metalurgia extractiva que agrupa los procesos que tratan una mina mediante el uso de un disolvente adecuado, pasando el elemento útil a una fase líquida y quedando la ganga inalterada para luego recuperar el elemento útil desde la solución enriquecida.

Por lo tanto, podríamos decir que la hidrometalurgia involucra las operaciones de:

Disolución: que implica el paso de las especies de valor desde la mina a una solución

Purificación: que involucra la eliminación de algunos elementos contaminantes desde la solución.

Recuperación: es decir, obtener las especies o elementos de valor desde la solución.

VENTAJAS

• Los metales pueden ser obtenidos directamente en forma pura desde la solución. Los problemas de corrosión son relativamente menores que en la piro metalurgia.

• Los procesos generalmente son a temperatura ambiente.

• El manejo de los productos y materiales es relativamente fácil.

• Se prestan para e1tratamiento de menas de baja ley.

• No producen grandes problemas de contaminación ambiental

DESVENTAJAS

• La separación entre la ganga y la solución puede ser dificultosa.

• Los procesos hidrometalúrgicos son relativamente lentos.

• Cantidades muy pequeñas de iones contaminantes pueden afectar el proceso posterior. De acuerdo a los procesos que involucra la hidrometalurgia podemos entonces mencionar que ésta implica lixiviación, purificación de soluciones (extracción por solventes o intercambio iónico) y recuperación (precipitación o electro obtención). Todo el estudio respecto a estos temas será abordado tratando principalmente al elemento cobre.

LIXIVIACION

El procesamiento de minas de cobre oxidadas y ciertos tipos de sulfuros, para la obtención de cátodos de cobre de alta pureza, se realiza a través de un proceso hidrometalúrgico que incluyen las etapas de: preparación y pretratamiento de mineral (chancado, aglomerado y curado); lixiviación de las especies útiles, usando reactivos químicos o acción bacterial; lavado y separación de residuos sólidos; purificación y concentración de la especie útil presente en la solución proveniente de lixiviación, por medio de la extracción por solvente; y finalmente la etapa de precipitación del cobre disuelto en la etapa de electroobtención.

Lixiviación es aquel proceso mediante el cual, se extrae selectivamente un compuesto, presente en una fase sólida, a través de la disolución de las especies de interés, por medio de un agente lixiviante, que transforma éstas especies en sales solubles. En el caso de la lixiviación de menas de cobre el agente lixiviante es generalmente ácido sulfúrico y las sales solubles formadas son principalmente sulfatos.

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

AGENTE LIXIVIANTE

El 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:

Características físicas y químicas del material a lixiviar.

• Debe disolver el metal o compuesto de interés en forma rápida y debe reaccionar con los minerales sin valor en forma lenta o despreciable.

• La solubilidad de los reactivos de lixiviación debe ser alta, al igual que los productos del proceso para minimizar el volumen de las soluciones.

• Costo razonable y adecuada disponibilidad.

• Capacidad de regeneración en forma simple.

• Mínimos problemas de corrosión en los equipos.

• En lo posible no debe ser peligroso para los seres humanos y el medio ambiente.

• Deben actuar en frío y en concentraciones diluidas.

La lixiviación de minerales de cobre depende de varios factores, que también son comunes 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

REACCIONES DE LIXIVIACIÓN DE MINERALES DE COBRE

Esto puede ser esquematizado a través de la ecuación, que representa al proceso de lixiviación en términos generales:

MINERAL + (AGENTE LIXIVIANTE) (SOLUCIÓN) + OTROS PRODUCTOS

• Especies Oxidadas

CRISOCOLA: CuSiO3 * 2 H2O ; 36.1 % Cu

CuSiO3 * 2 H2O + H2SO4 .. CuSO4 + SiO2 + 3 H2O

TENORITA: CuO; 79.7 % Cu

CuO + H2SO4 .. CuSO4 + H2O

ATACAMITA: CuCl2 * 3 Cu(OH)2 ; 50.5 % Cu

CuCl2 * 3 Cu(OH)2 + 3 H2SO4 .. CuCl2 + 3 CuSO4 + 6 H2O

• Especies Sulfuradas

CALCOSITA: Cu2S; 79.8 % Cu

Cu2S + Fe2(SO4)3 .. CuS + CuSO4 + 2 FeSO4

CuS + Fe2(SO4)3 .. CuSO4 + 2 FeSO4 + S

Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 .. 2 CuSO4 + 4 FeSO4 + S

COVELITA: CuS ; 66.4 % Cu

CuS + Fe2(SO4)3 .. CuSO4 + 2 FeSO4 + S

BORNITA: Cu5FeS4 ; 63.3 % Cu

Cu5FeS4 + 6 Fe2(SO4)3 .. 5 CuSO4 + 13 FeSO4 + 4 S

CALCOPIRITA: CuFeS2; 34.6 % Cu

CuFeS2 + 2 Fe2(SO4)3 .. CuSO4 + 5 FeSO4 + 2 S

LIXIVIACIÓN BACTERIANA

La Biolixiviación, Biohidrometalurgia o Biooxidación de Sulfuros, puede ser definida como un proceso natural de disolución que resulta de la acción de un grupo de bacterias principalmente del género Thiobacillus con habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo la liberación de los valores metálicos contenidos en ellos. Por mucho tiempo, se pensó que la disolución o lixiviación de metales era un proceso netamente químico, mediado por agua y oxigeno atmosférico. El descubrimiento de bacterias acidófilas ferro y sulfooxidantes ha sido primordial en la definición de la lixiviación como un proceso catalizado biológicamente.

En términos más globales, se puede señalar que la biolixiviación es una tecnología que emplea bacterias específicas para lixiviar, o extraer, un metal de valor como uranio, cobre, zinc, níquel y cobalto presente en las menas o en un concentrado mineral. El producto final de la biolixiviación es una solución ácida que contiene el metal valor en su forma soluble. De otro lado, el término biooxidación es un utilizado para describir un proceso que emplea bacterias para degradar un sulfuro, usualmente pirita o arsenopirita, en la que el oro o la plata, o ambos, se encuentran encapsulados.

La tecnología microbiana presenta ventajas sobre los métodos no biológicos, entre los que podemos encontrar:

• Requiere poca inversión de capital (las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas).

• Bajos costos de operación necesarios para las operaciones hidrometalúrgicas en comparación con los procesos convencionales.

• Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso.

• El tratamiento del creciente acumulo de minerales de baja ley en las minas los que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales.

Aspectos microbiológicos

Thiobacillus ferrooxidans:

Los microorganismos que son responsables de la disolución de los metales a partir de minerales son, principalmente, organismos quimiosintéticos y autotróficos pertenecientes al género Thiobacillus, aunque como señalamos en un párrafo y tabla anterior, no es la única. De las especies de Thiobacillus que se conocen la que más atención ha recibido es Thiobacillus ferrooxidans, cuya presencia fue demostrada por Colmer y Hinkle, a comienzos de los años 50, en el drenaje unas minas de carbón, que reportaban altos contenidos de ácido y fierro.

T. ferrooxidans presenta forma bacilar, gram negativas, de 0.5 a 1.7 µ, algunas cepas tienen flagelos, es quimioautotrófico, capaz de oxidar compuestos inorgánicos como iones ferroso (Fe(II)) y azufre, los que le sirven de fuente primaria de energía. El carbono necesario para su arquitectura celular lo obtiene por fijación de CO2, de manera similar a las plantas verdes (Ciclo de Calvin-Benson). Es aerobio (requiere de O2 como aceptor final de electrones), acidófilo (desarrolla en rangos de pH que varían entre 1.5 y 3.0), y a

temperaturas que oscilan entre 25-35 ºC. Es considerada como el mayor contribuyente en la producción de aguas ácidas que drenan de depósitos de metales sulfurados, gracias a la capacidad que tienen de oxidar minerales de disulfuro de fierro, generando soluciones ácidas de sulfato férrico.

Mecanismos de Lixiviación

Los principales mecanismos involucrados en el proceso de lixiviación bacteriana son: directa e indirecta.

a.- Lixiviación Indirecta:

Dos reacciones importantes mediadas por T. ferrooxidans son:

Pirita: FeS2 + 7/2 O2 + H2O . FeSO4 + H2SO4 Ec. 1

2 FeSO4 + 1/2 O2 + H2SO4 . Fe2(SO4)3 + H2O Ec. 2

El sulfato férrico es un oxidante fuerte capaz de disolver una amplia variedad de minerales sulfurados.

La lixiviación con Fe2(SO4)3 recibe el nombre de lixiviación indirecta porque se realiza en ausencia de oxígeno o de bacterias y, es responsable de la disolución o lixiviación de varios minerales sulfurados de cobre de importancia económica:

Calcopirita: CuFeS2+ 2 Fe2(SO4)3 . CuSO4 + 5 FeSO4 + 2 Sº Ec. 3

Calcocita: Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 . CuSO4 + 4 FeSO4 + 2 Sº Ec. 4

El mecanismo de lixiviación indirecta depende de la regeneración biológica del sulfato férrico

(Ec.2). El azufre (Sº) generado en las reacciones Ec.3 y Ec.4 puede ser

convertido en ácido sulfúrico (H2SO4) por T. ferrooxidans según:

2 Sº + 3 O2 + 2 H2O . 2 H2SO4 Ec. 5

Este ácido sulfúrico, así generado, mantiene el pH del sistema a niveles favorables para el desarrollo de la bacteria.

b.- Lixiviación Directa:

Las bacterias ferrooxidantes también pueden lixiviar sulfuros metálicos directamente sin la participación del sulfato férrico producido biológicamente. El proceso se describe en la siguiente reacción:

MS + 2 O2 . MSO4 Ec.6

Donde M representa un metal bivalente.

Bacteria

Pirita: 2 FeS2 + H2O + 15/2 O2 . Fe2(SO4)3 + H2SO4 Ec.7

Bacteria

Calcopirita: 2 CuFeS2 + 17/2 O2 + H2SO4 . 2CuSO4 + Fe2(SO4)3+ H2O Ec. 8

Dado que el fierro siempre está presente en ambientes de lixiviación natural, es posible que tanto la lixiviación indirecta como la directa ocurran de manera simultánea.

Desarrollo Bacteriano

El efecto de ciertos factores ambientales sobre el desarrollo y crecimiento de las bacterias juega un rol importante dentro del proceso de lixiviación bacteriana, es por ello de mucha importancia el control de factores, como el pH, la presencia de oxigeno, la temperatura, la influencia de la luz, los requerimientos nutricionales, tamaño de partícula, y el efecto de inhibidores, entre otros.

pH: En general los T. ferrooxidans, desarrollan bien en medios ácidos, siendo incapaces de desarrollar sobre Fe+2 a un pH mayor de 3.0. Normalmente los valores sobre el que los tiobacilos se desarrollan se ubican dentro del rango de 1.5 a 2.5.

Oxígeno y CO2: La disponibilidad de oxígeno es un factor que controla la extracción de metales por bacterias. No se conoce otro oxidante que pueda ser utilizado por los microorganismos en ambientes de lixiviación. El dioxido de carbono es utilizado como fuente de carbono para la fabricación de su arquitectura celular.

Nutrientes: Como todos los seres vivientes, T. ferrooxidans requiere de fuentes nutricionales para su óptimo desarrollo, entre las que tenemos fuente de N2 (amonio), de fosfato, de S, iones metálicos (como Mg+), etc. Magnesio, es necesario para la fijación de CO2 y el fósforo es requerido para el metabolismo energético. Los medios de cultivo empleados presentan estos requerimientos, siendo los más importantes el 9K y el TK.

Fuente de Energía: Los T. ferrooxidans utilizan como fuente primaria de energía los iones ferroso y azufre inorgánico. El fierro ferroso debe ser suplementado al medio cuando se trata de medios sintéticos. En caso de utilizar mineral, no es necesario añadir Fe+2.

Luz: La luz visible y la no filtrada tienen un efecto inhibitorio sobre algunas especies de Thiobacillus, pero el fierro férrico ofrece alguna protección a los rayos visibles.

Temperatura: El rango sobre el cual se desarrrollan se encuentran entre 25ºC y 35ºC.

Presencia de Inhibidores: En los procesos de molienda o por acción propia del agente lixiviante se liberan algunos iones que en ciertas concentraciones resultan tóxicas para las bacterias ferrooxidantes afectando el desarrollo bacterial. La literatura señala que los niveles de tolerancia de las bacterias para ciertos metales es

Zn+2 = 15 -72 g/l; Ni+2 = 12 - 50 g/l; Cu+2 = 15 g/l; Ag+ = 1ppb; UO2+2 = 200 - 500 mg/l, entre otros.

Otros microorganismos de importancia.

Dentro de este grupo y estrechamente asociados a T. ferrooxidans encontramos a: Thiobacillus thiooxidans: Se lo puede encontrar en depósitos de azufre y sulfurosos, desde donde es fácil aislarlos. Se caracteriza porque sólo es capaz de oxidar azufre. Desarrollan a temperatura entre 5ºC y 40ºC, a un pH en el rango de 0.6 a 6.0, siendo el óptimo 2.5. Son aerobios estrictos.

T. acidophilus: Fue aislado por primera vez por Markosyan en 1973 a partir de minerales, describiéndolo con el nombre de T. organoparus. Presentan forma bacilar, son aerobios estrictos, oxida azufre y utiliza compuestos orgánicos como parte de sus requerimientos nutricionales.

Tiobacilos semejantes a termófilos: Aunque no están bien estudiadas, es reconocida su importancia en los procesos hidrometalurgicos. Muestran un activo crecimiento sobre medios conteniendo Fe+2 y sulfuros en presencia de extracto de levadura.

Leptospirillum ferrooxidans: Son vibriones en forma de espira, como pseudococos. Móviles por la presencia de un flagelo polar simple. Las colonias sobre silica gel son pequeñas y de color marrón rojizo debido a la formación de fierro férrico. Son aerobios estrictos y quimioautotróficos obligados. Utiliza Fe+2 y FeS2 como fuente energética.

Sulfolobus: Son bacterias gram negativas, que se presentan como células esféricas, con lóbulos, inmóviles, y la ausencia de flagelos y endosporas. Su pared celular carece de mureina.

APLICACIÓN DE LOS PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS

Biooxidación de Sulfuros

Muchos sulfuros metálicos pueden ser atacados por acción bacterial, dando lugar a la producción de los correspondientes sulfatos solubles. Para sulfuros refractarios de oro y metales del grupo del platino, el ataque bacterial resulta siendo un pretratamiento.

Oxidación de la Pirita: La pirita (FeS2) es un sulfuro ampliamente distribuido y se lo puede hallar en asociación con muchos metales como cobre, plomo, zinc, arsénico, plata, oro, entre otros. Su oxidación da lugar a la formación de sulfato férrico y ácido sulfúrico (Ec.1 y Ec.2).

Sulfuros de Cobre: La oxidación biológica de sulfuros de cobre ha sido el proceso más estudiado. El cobre se disuelve transformándose en sulfato de cobre (CuSO4). La Calcopirita (CuFeS2) es el sulfuro de cobre más difícil de oxidar. Bajo la influencia de T. ferrooxidans la velocidad de oxidación de este sulfuro se incrementa hasta en 12 veces más que el proceso netamente químico. Los sulfuros secundarios de cobre -Calcocita (Cu2S), covelita, bornita, son oxidados más fácilmente bajo el impacto de las bacterias (Ec.3 y Ec.4). A nivel industrial, la tecnología ha venido siendo aplicada en pilas (Chile, USA, Perú, etc.). Southern Perú viene aplicando la tecnología para la recuperación de cobre en sus botaderos de sulfuros de baja ley de Toquepala. Más recientemente, Billiton, de Sudáfrica, realiza investigaciones para recuperar el cobre contenido en minerales arsenicales, en un proceso que ha denominado BIOCOP.

Sulfuros de Metales Preciosos: La lixiviación bacteriana se emplea para romper la matriz del sulfuro (principalmente, pirita y/o arsenopirita) en la que se encuentra "atrapada" la partícula aurífera, permitiendo la posterior recuperación de la misma por cianuración convencional. Realmente, el proceso resulta siendo un pretratamiento antes que una disolución directa del metal. Los procesos industriales han tenido enorme aplicación, entre los que destacan: el proceso BIOX, de Gencor, y que tiene plantas como la de Ashanti con capacidad para tratar hasta 1000 tpd de mineral. En el Perú la tecnología es aplicada en el Proyecto Tamboraque de Minera Lizandro Proaño, para recuperar oro contenido en arsenopirita. Mintek, también ha desarrollado el proceso MINBAC, y Bactech de Australia ha desarrollado un proceso que emplea bacterias moderadamente termófilas para el tratamiento de sulfuros preciosos y de metales base que se conoce como el proceso BACTECH. En 1998, Mintek y Bactech se han asociado para comercializar el proceso a nivel mundial. Esta asociación ha dado sus primeros frutos y ya se ha iniciado la construcción de la planta que emplea esta tecnología en Tasmania para tratar el mineral aurífero refractario del proyecto Beaconsfield. Las evaluaciones preliminares han reportado una recuperación de hasta el 98% del oro contenido en el mineral.

2 FeAsS + 7 O2 + H2SO4 + H2O . Fe2(SO4)3 + 2 H3AsO4 Ec.4

Se ha determinado que existen tres poblaciones distintas de bacterias lixiviantes de cobre: Thiobacillus ferrooxidans, Thiobacillus thiooxidans y Leptospirillum ferrooxidans, consideradas similares a los primeros seres vivos existentes en el planeta por su capacidad de sobrevivir en ambientes inorgánicos. La clave de esta tecnología radica en la participación activa de bacterias de la especie Thiobacillus Ferroxidans, éstas contribuyen a disolver el cobre contenido en minerales del tipo calcosina, covelina y bornita. En el proceso de biolixiviación destinado a lixiviar sulfuros se repiten los pasos del procesamiento aplicado a los óxidos (chancado, curado, aglomerado, lixiviación en pilas, extracción por solventes y electroobtención).

La diferencia con el proceso explicado anteriormente radica en la participación activa de los microorganismos, que requiere cuidar en forma especial las variables que influyen en su crecimiento y actividad. En la Tabla 2.3.1 se lista una serie de bacterias que pueden actuar en la lixiviación. En relación con su forma, las bacterias tipo bacillus tienen forma de bastón, las spirillum son espirales y las lobus son esferas lobuladas.

BACTERIA OXIDAN T° (°C) Ph

Thermosulfidooxidans Fe+2, Sº 40 – 50 2.0 – 3.0

Sulfolobus acidocaldarius Fe+2, Sº 70 – 75 2.0 – 3.0

Sulfolobus brierleyi Fe+2, Sº 70 - 75 2.0 – 3.0

Leptospirillum ferrooxidans Sº, S2O3 28 - 30 2.0 – 3.5

Thiobacillus thiooxidans Sº, S2O3 28 - 30 2.0 – 3.5

LIXIVIACIÓN EN PILAS (HEAP LEACHING)

El mineral a lixiviar es chancado previamente a una granulometría que puede variar 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 de consideraciones metalúrgicas y sistema de carguío.

El piso de la pila se prepara adecuadamente y se impermeabiliza con carpetas de poliuretano, dándole al piso una leve pendiente de alrededor de un 3 %, dirigida hacia una canaleta de recolección de soluciones. La pila se riega por aspersión o goteo desde encima, mediante sistemas de tuberías conectadas a mangueras que alimentan los goteros o aspersores. La gran ventaja de la lixiviación en pilas radica por una parte, en el inventario de soluciones de regadío, la cual es muy inferior que en lixiviación por agitación y en bateas. Por otra parte, los costos de inversión y operación son muy inferiores respecto de los sistemas antes mencionados, pues no se requiere de infraestructura y equipos sofisticados salvo, un buen sistema de regadío y carguío de la pila.

Etapas en la lixiviación en pilas

Como tratamiento previo a la lixiviación misma, se puede implementar principalmente dos pretratamientos: un curado ácido para lograr un aumento en la cinética de lixiviación y un proceso de aglomeración para minimizar el efecto adverso que generan los finos en la permeabilidad del lecho.

Curado Ácido

Este pretratamiento, tiene como objetivo acelerar la cinética de disolución por aumento del tiempo de contacto entre el agente lixiviante y el mineral. En forma práctica, el proceso de curado ácido consiste en dosificar ácido sulfúrico concentrado o soluciones concentradas de este reactivo al mineral de cobre en una etapa previa al carguío de la pila. De esta forma, se logra la reacción anticipada de las especies oxidadas de cobre, aún las más refractarias, para transformarlas a sulfato de cobre. Por otra parte, el hecho de agregar ácido concentrado al mineral antes de cargarlo en la pila, permite neutralizar en parte las gangas calcáreas y reducir el consumo de ácido durante la etapa de lixiviación, disminuyendo el ciclo de lixiviacion. Otro efecto positivo que se relaciona con el proceso de curado ácido, se relaciona con la evacuación de los gases producto de las reacciones químicas, antes del carguío de mineral en la pila, lo que favorece la precolación de la solución lixiviante a través del lecho de mineral.

La cantidad de ácido a dosificar debe ser tal que permita lograr la máxima disolución de la especie de interés, la menor disolución de ganga posible y la menor generación de finos producto de las reacciones químicas.

Ciclo de Lixiviación

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

Carguío de la pila

Corresponde a la etapa de acopio de mineral sobre una superficie previamente preparada, operación que normalmente se realiza por capas para evitar que las partículas gruesas se depositen en la parte inferior y las finas en la zona superior (segregación del mineral), minimizando de esta forma el riesgo de canalización de la solución lixiviante, situación que genera sectores sin lixiviar y afecta negativamente el porcentaje de extracción de la especie útil.

Primera entrante (Refino de Extracción por solvente). Una vez completado el proceso de carguío de la pila es necesario comenzar a irrigar la solución sobre la corona, ya sea empleando aspersores o goteros, esta primera solución de irrigación se conoce como primera entrante y normalmente corresponde a refino proveniente del proceso de extracción por solvente.

Recirculación

Una vez que la solución es drenado de la pila, la solución se recircula por un periodo de tiempo para procurar tiempo de contacto entre el mineral y la solución lixiviante y de ser necesario se debe ajustar la cantidad de ácido de la solución para favorecer la cinética de disolución de la especie útil. El periodo de recirculación depende de las concentraciones de cobre y/o ácido libre presente en la solución drenada.

Avance (Drenaje de lixiviación)

Alcanzadas las condiciones requeridas de concentración de cobre y ácido libre, se extrae la solución concentrada. Esta extracción se obtiene por desplazamiento, tipo pistón, de la solución concentrada por otra más diluida. Generalmente las primeras soluciones salientes (PLS) van al proceso posterior (SX) por su alto contenido de cobre, mientras que las siguientes pasan a piscinas de ILS o refino desde donde reingresan a la pila.

Lavado

El lavado corresponde a la etapa de desimpregnación del mineral agotado, y tiene por objetivo recuperar la mayor cantidad de solución extractante y cobre disuelto. El agua de lavado, normalmente, es del orden del 30 a 35% del peso de mineral cargado.

Drenaje de lavado

El ripio antes de retirarlo como en el caso de una pila renovable o abandonarlo en una pila permanente, se deja en reposo para drenarlo o que percole la mayor cantidad de solución contenida, entre los límites de humedad de precolación y de humedad de impregnación del mineral ya agotado.

Descarga

Esta etapa se realiza solamente en las pilas renovables y consiste en retirar el ripio (mineral agotado) para reutilizar la superficie impermeable con una nueva carga de mineral.

Sistemas de Lixiviación en Pilas

Desde el punto de vista de la utilización del piso y carpeta de impermeabilización, las pilas se pueden clasificar en:

Pila Permanente o de piso desechable:

Es aquella en el que el mineral depositado en la pila, una vez completada la lixiviación no se retira, esto es, el ripio resultante queda en el mismo piso. Este tipo de pila se aplica a minerales de muy baja ley, que tienen una baja recuperación y una cinética de lixiviación muy lenta. También se usa en la lixiviación secundaria de ripios. Es necesario disponer de un amplio espacio. Entre las características se pueden mencionar que se diseñan pilas altas. Se cargan sucesivos lechos de mineral, dependiendo su altura de las necesidades de oxigenación del mineral.

Pila Renovable o de piso reutilizable:

En esta pila el ripio resultante de la lixiviación es retirado para reemplazarlo por mineral fresco. Se aplica a minerales de baja ley y de alta recuperación, y con una cinética alta de lixiviación. Se utiliza en lixiviación primaria. Entre las características podemos mencionar que se diseñan pilas relativamente bajas para permitir una rápida carga y descarga del material, generalmente hasta unos dos metros de altura.

“La situación por desarrollar en este trabajo es evaluar el diseño de pilas de lixiviación permanente y el calculo de tambor aglomerado para los datos que veremos a continuación”

DATOS

Ton/dia % CuOx % Recuperación Densidad Aparente

Consumo de AC KgHt/KgCu

30.000 0,90 75% 1,65 4,0

Desarrollo.

1. Fino=P x L x%Recuperacion100

L=Cu0 x

Fino = 30.000 Ton/día x 0,90 x 0,75 = 202,5 Ton /Día 100

202,5 x 30 = 6.075 Ton/ mes TMS Fino

De Ton a Kilo = 202,5 x 1.000 = 202.500 Kg/dia

6.075.000 Kg/mes

2. Capacidad de planta de chancado:

75% x 9,5 Kg Cu/tms = 7,125 KgCu/TMS

202.500 Kg Cu/ Día = 28,421 TMS /Día7,125 Cu /TMS

3. Diseño capacidad de Pila de Lixiviación

28.421,05 TMS /Día x 60 días = 1.705.263,16 TMS/2mes

1° Altura Pila de 6 metros

1,65 Ton/m3 x 6m = 9,9 TMS/m2

Superficie = 1.705.260 TMS = 172.248,5 m2

9,9 TMS/m2 Superficie producción 17 Hectáreas, (Demasiado alto para superficie de Cancha)

2° Altura de Pila de 8 metros.

1,65 Ton/m3 x 8 m2 = 13,2 TMS /m2

Superficie = 1.705.260 TMS = 129.186,4 m2 13,2 TMS/m2

Volumen de producción para 2 meses = 1.705.260 TMS = 1.033.492 m31,65 t/m3

La 2° Alternativa de altura de pilar de 8 metros, reviste menos superficie y será la alternativa usada.

DISEÑO DE LAS PILAS DE LIXIVIACIÓN

DESCRIPCIÓN

En esta parte de nuestro trabajo se presenta el diseño geométrico de las pilas de lixiviación, considerando los principales aspectos técnicos, necesarios para satisfacer los requerimientos geotécnicos y ambientales que impone el proceso de lixiviación primaria.

El sector que ocuparan las 5 pilas de lixiviación (2 pilas agotadas, 2 pilas en producción y una en construcción) alcanza un área de aproximadamente 45 hectáreas, sector donde se depositará material proveniente del proceso de chancado, que corresponde a un ripio arenoso.

En el diseño de las pilas de lixiviación, se ha considerado una metodología similar a la que se aplica en otros depósitos de estas características, es decir un terraplén con taludes en altura, con impermeabilización de fondo en base a geomembranas de polietileno de alta densidad (HDPE) de espesores mínimos de 1,0 mm, que pueden ser lisas o texturadas. Además deberán existir drenes de fondo principalmente en base a pendientes hacia sistemas de evacuación de líquidos y de ahí a piscinas de recepción.

Disposición de los ripios

Se define la disposición de los ripios en el denominado sistema de pilas, que consiste en disponer los residuos sobre la superficie de terreno natural, con posterioridad al retiro del material de relleno artificial que ocupa gran parte del área en estudio y que se ha presentado en los estudios estratigráficos. El área debe ser preparada dejando superficies relativamente llanas con pendiente suave (3 a 4%), considerando la colocación de zanjas de intercepción, desvío de aguas lluvia y canales de conducción de los líquidos lixiviados desde los ripios depositados.

Para la producción propuesta en este ejercicio y según los cálculos expuestos anteriormente de 1.033.492,73 m3 de material a lixiviar en 2 meses, se define:

• Altura de las pilas de lixiviación igual a 8,0 m Superficie mínima para 2 pilas es de 129.186,5 m2 (60 días producción) Superficie de una pila 64.593 m2 Volumen para dos meses de producción 1.033.492,73 m3• Pendiente del talud de las pilas de lixiviación 1:1,5 (vertical : horizontal)

Con estos requerimientos dimensionamos nuestra Pila la cual contempla contener el volumen de 1 mes de producción TMS.

Capacidad de Pila

V= 100 x 8 x 500 + 2 (((50 x 8)/2) x 500) = 600.000 m3

Ton = 600.000 m3 x 1,65 ton/m3 = 990.000 ton

Esta dimensión satisface la necesidad de apilar 1.033.492,73 m3 y

Zanjas de conducción de lixiviados

Al pie de los taludes de las pilas de lixiviación, se construirán zanjas para interceptar los lixiviados que se generen desde los ripios, por los procesos de lixiviación a que se sometan las pilas. Las zanjas deberán revestirse con un geomembrana de polietileno de alta densidad HDPE de 1,0 mm de espesor con sus uniones soldadas. La zanja deberá tener una sección libre de 0,80 m de ancho por 0,80 m de altura. Las zanjas de recolección del nivel basal deberán conducir los líquidos a una cámara receptora, ubicada en el punto más bajo del área en estudio, construida en hormigón armado, que tendrá la función de acumular los líquidos recepcionados para su posterior bombeo y acumulación.

PREPARACIÓN DEL FONDO

El fondo del área a ocupar por las futuras pilas, deberá prepararse perfilando el suelo natural con el propósito de dejar las pendientes de 3% a 4% y superficies adecuadas. Todas aquellas áreas destinadas a servir de subrasante, una vez terminadas, deberán estar libre de residuos o materiales deleznables, orgánicos y/o degradables, manteniendo una superficie regular y horizontal.

Una vez alcanzados los niveles de terreno proyectados, se procederá a nivelar y compactar la subrasante mediante un equipo de rodillo vibratorio de peso mínimo de 4.000 kg.

Se incluirá en estos procesos todos aquellos rellenos que se confeccionen para la conformación de obras anexas. El material componente de estos rellenos, será el que provenga de los cortes realizados en los movimientos de tierras y se compactarán en capas horizontales de espesor no superior a 0,30 m.El material componente del subsuelo resulta adecuado para la construcción de obras de tierras y por lo tanto se podría emplear como empréstito, previa selección sobretodo en lo que se refiere a la eliminación de sobretamaños. Los suelos para obras anexas y rellenos, deben cumplir con las siguientes exigencias:

Sistemas de impermeabilización basal

El área destinada al emplazamiento de las pilas de lixiviación cuenta con una superficie de aproximadamente 45 Ha. En esta zona se habilitarán planos con pendientes suaves, sobre los cuales se construirá el sistema de impermeabilización basal.

En la construcción del sistema de impermeabilización se ha considerado la utilización de geosintéticos en el fondo del área de ubicación de los ripios, con el propósito de impedir que el flujo de líquidos que se generan por la humedad contenida en los ripios y los aportes externos de agua, infiltren el suelo basal y contaminen las zonas aledañas.

En la base del área de emplazamiento de las pilas, se habilitarán paños colindantes con pendientes suaves, en la cual debe estar emplazado el sello de fondo, dejando superficies libres de gravas angulosas con tamaño mayor a 3/8”.

La carpeta de fondo deberá ser instalada sobre un material de relleno que asegure que no se producirán roturas de ésta por punzonamiento o desgarros originados por los esfuerzos de tracción a los que serían sometidas en estados de solicitación críticos. Para ello, en la superficie basal se empleará como capa de apoyo material arenoso asegurando por la vía del harneado la no existencia de cantos angulares en el material,que puedan dañar la geomembrana

Todo esto, posterior a la nivelación superficial de la zona. Sobre la geomembrana, deberá colocarse una primera capa de arena de 30 cm. de espesor, también para evitar punzonamientos o desgarros de la geomembrana.

Sobre la superficie previamente aprobada, se colocará una geomembrana de HDPE de 1,0 mm de espesor, que se desplegará de forma tal que se minimicen las uniones de terreno.

CANCHAS DE LIXIVIACIÓN

Bajo las condiciones definidas en este trabajo (2 pilas agotadas, 2 pilas en producción y una en construcción), tomando en consideración las toneladas de producción y teniendo diseñado las dimensiones de una pila, podemos definir el diseño de la cancha de lixiviación.

El nivel producción a mover no justifica tener equipos para retiro y construcción de pilas de alto rendimiento (Roto Palas y Apiladores de Correas Móviles), se considera agotar dos pilas en dos meses, lo que implica que debemos realizar un movimiento en las pilas de 2134 Ton/dia.

Apilador RT de 10500 ton/hr

Para este proyecto se considera un movimiento aproximado de 2134 ton/día, por tanto para la construcción y remoción de las pilas de lixiviación se considera utilizar cargadores y camiones de envergadura mediana.

Camiones de 30 Toneladas

Dimensionamiento de Cancha

AGLOMERADO

Para evitar en gran parte los problemas de finos y de segregación de las partículas de mineral, se usa la técnica de Aglomeración, técnica con la cual se estabilizan los finos. Durante el proceso de aglomeración las partículas finas del mineral se juntan y adhieren alrededor de los fragmentos más gruesos formando pellets (Bolitas) con una porosidad apropiada que permite la difusión de la solución de lixiviación hacia el interior y hacia afuera de las partículas del mineral; facilitando, al mismo tiempo, un buen escurrimiento a través de la pila y evitando la migración de partículas finas hacia las restantes etapas del proceso.

AGLOMERACIÓN Y CURADO

Las 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 por separado.

Aglomeración

Podemos definir la aglomeración, como un proceso de aumento de volumen, en el que está involucrada la unión de partículas pequeñas con partículas de tamaño mayor.

Curado o tiempo de envejecimiento

Es el proceso por el cual el mineral aglomerado, en el cual se ha obtenido la humedad necesaria adicionando agua o líquidos de reciclo, es dejado reposar durante un tiempo (el cual es llamado tiempo de reposo) para que se produzcan las diferentes reacciones químicas de oxidación, hidrolización, sulfatación, reacciones exotérmicas y otras que contribuyen y facilitan la lixiviación posterior de los valores metálicos que se desea extraer.

Con el proceso de aglomerado se logra lo siguiente:

• Las Partículas finas se ligan a las gruesas, formando pellets de un tamaño uniforme, de menor densidad y mayor permeabilidad.

• Reducir la probabilidad de segregación de las partículas finas durante el carguío y regadío de la pila.

• Mejorar la permeabilidad de la pila debido a la uniformidad del tamaño de las partículas.

• Mejorar la oxigenación de la pila

• Fracturar la base matriz, lo que permite crear vías de ataque y penetración.

• Mejorar la velocidad de extracción, reduciendo el ciclo o tiempo de lixiviación, lo que influye favorablemente, en la economía de las operaciones de la planta.

• Cuando la aglomeración del mineral se efectúa en conjunto con la solución lixiviante, junto con obtener una mejor velocidad de percolación, se obtiene un íntimo contacto entre la solución lixiviante concentrada y el mineral; lo que generalmente permite una mayor velocidad de lixiviación y recuperación. A este procedimiento se le llama curado de mineral.

Se pueden resumir las siguientes ventajas al agregar solución lixiviante al mineral antes de apilarlo:

• Se logra una solución muy homogénea de la solución lixiviante sobre toda la carga 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.

• En la lixiviación con ácido sulfúrico se produce una aceleración de la cinética de sulfatación debido al calor generado al producirse la mezcla ácido sulfúrico agua, que se traduce como una reacción exotérmica.

Algunas reacciones clásicas:

Tenorita: Cu O + H2SO4. Cu SO4 + H2O Crisocola: Cu SiO3 * 2 H2O + H2SO4. Cu SO4 + SiO2 + 3 H2O

La aglomeración surge así, como una alternativa viable para preparar un producto homogéneo, previo a la carga de las pilas, asegurando una buena distribución de la solución de lixiviación en todo el lecho de mineral y una permeabilidad adecuada para aceptar los flujos de riego requeridos por el proceso.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE CURADO CON ÁCIDO

El mineral grueso producto del chancado secundario y de la clasificación, es transportado al área de lixiviación en pilas para la obtención de PLS.

El proceso de lixiviación en pilas básicamente se ha dividido en 3 etapas:

• Curado con ácido, llevado a cabo en el tambor de curado.

• Transporte /apilamiento de mineral.

• Lixiviación en pilas.

El mineral grueso cuya fracción es mayor a 0,4 mm (1/64’’) y menor a 38 mm (1 ½’’) es acondicionada para la lixiviación en pilas en el tambor de curado.

La función del tambor de curado es:

• Transformar el mineral triturado en un mineral de mayor solubilidad en medio ácido.

• Disminuir el contenido de impurezas en un medio de alta acidez.

• Formar aglomerados para aumentar la permeabilidad del mineral que se acopia en las pilas de lixiviación (los finos que se forman por efecto del chancado secundario se adhieren a las partículas más grandes y formen aglomerados).

Al tambor de curado ingresa:

• Mineral con un tonelaje de mineral seco vía la faja transportadora

• Refino

• Ácido sulfúrico

• Agua de proceso en forma alternativa.

La correa transportadora descarga el mineral en el chute de carga que alimenta el tambor de curado.

Cuando se realiza el curado el tambor gira a una velocidad de 25% de la velocidad critica (según criterios de diseño), la acción giratoria inclinada del tambor eleva las partículas de mineral dentro del tambor y permiten que caigan y rueden unas sobre otras formando los aglomerados, el tiempo de residencia del mineral en el tambor es 60 s.

La correa transportadora cuenta con un pesómetro para controlar el peso del mineral que ingresa al tambor y así dosificar la cantidad de ácido de acuerdo al peso del mineral. El mineral una vez curado, sale del tambor y a través de su chute de descarga, es descargado hacia la correa transportadora que transporta el aglomerado hasta el apilador.

EQUIPO DE AGLOMERACIÓN

En Tambor Rotatorio

Este método se aplica cuando el material contiene gran proporción de finos (más de 15% de tamaños inferiores a 150 µm), pero al mismo tiempo debe contener también gruesos (aproximadamente un 50% de tamaños superiores a 150 µm y con distribución lo más homogénea posible hasta el tamaño máximo de la operación). Así será posible una aglomeración de finos con los gruesos. El diseño del equipo es el clásico de cualquier cilindro rotatorio y obviamente su finalidad principal, por su volumen, es aumentar el tiempo de contacto entre finos y gruesos para que se produzca la aglomeración. En los casos anteriores de aglomeración en stocks o cintas el tiempo de contacto es mínimo (segundos). Por otro lado, al ser normalmente los tambores rotatorios de velocidad variable, pueden adaptarse a los cambios de la cabeza en proporción o pegajosidad de finos y dosificación de aglomerantes y solución. En el caso de minerales muy arcillosos, puede presentarse un problema de adherencia y apelmazamiento en las paredes, ya que se trabaja con humedades críticas.

Figura 1: Tambor de aglomerado de curado y sus componentes

Tambor rotatorio o aglomerador.

Un tambor aglomerador consiste en una estructura cilíndrica ubicada en forma horizontal, con una leve inclinación orientada hacia la descarga y apoyada en una estructura soportante, que le permite rotar a una velocidad constante.

El diseño y operatividad del tambor aglomerador, se fundamentan en procurar el tiempo de retención necesario, para lograr la mejor distribución posible de aglomerantes sobre el mineral. Es decir, mezclar homogéneamente mineral y reactivos mediante rotación

continua y así lograr la calidad de aglomeración requerida en el proceso posterior de lixiviación en pilas.

Componentes del tambor Aglomerador:

Cilindro tambor: Comprende la carcasa de placas de acero en sí, los refuerzos bajo las ruedas y transmisiones, las correas u otros refuerzos bajo las partes en rotación.

Conjuntos de rodillos de empuje: Consisten en dos rodillos con sus cojinetes y ejes apoyados sobre sus bases secundarias ajustables montadas en una de las bases del muñón de forma que en cada lado de la rueda quede un rodillo y que cada empuje final del tambor quede contrarrestado por los rodillos de empuje para evitar que el tambor se desplace lateralmente. Transmisión de correa o rueda dentada: La transmisión o rueda dentada es la transmisión que hace girar el tambor, se monta en el exterior de la circunferencia del cilindro.

Conjunto de propulsión o conjunto de piñón: Consiste en la transmisión de piñón o rueda dentada, montada (directamente), a través, de un eje elevador, cojinetes y un acoplamiento al reductor de la transmisión. Comprende igualmente el motor, cualquier acoplamiento adecuado o transmisión y una base para la propulsión con mecanismo de recepción.

Liners & lifters: Se encuentra ubicados dentro del tambor, los liners sirven para evitar el desgaste interno del cilindro, mientras los lifters se usan para sujetar a los liners y arrastrar y elevar el mineral dentro del cilindro para realizar un buen mezclado.

Control de las variables de operación

Flujo de mineral seco: Corresponde al mineral que ingresa al tambor aglomerador, a través, de la correa de alimentación y su rango de operación normal.

Flujo de ácido concentrado: La adición de ácido corresponde al volumen de ácido sulfúrico, irrigado sobre el mineral alimentado al tambor aglomerador. Adicionar ácido en exceso durante la aglomeración, puede provocar inconvenientes tales como consumo excesivo por parte de la ganga. En cambio, si la adición es menor a la requerida, se perjudica la cinética de lixiviación y la recuperación de cobre.

Flujo de agua de proceso: Corresponde al volumen de irrigación de agua sobre el mineral que ingresa al equipo. El agua debe ser rociada al mineral antes que el ácido sulfúrico, porque cuando se adiciona ácido al agua se produce una reacción violenta con liberación de temperatura y emanación de gases tóxicos, siendo esta una operación altamente riesgosa.

Tiempo de retención: Es aquel establecido en pruebas metalúrgicas preliminares, como el necesario para lograr la mejor homogeneización de los componentes introducidos al tambor aglomerador, este tiempo de retención puede ajustarse variando las R.P.M. y/o la inclinación del tambor.

Velocidad de rotación: Además de su influencia en el tiempo de retención, la velocidad de rotación del tambor aglomerador, tiene relación con la calidad de distribución de los elementos agregados.

Un aumento en la velocidad de rotación, manteniendo el mismo ángulo de inclinación del tambor, puede producir un desplazamiento de la cama de mineral en el tambor, reduciendo o dejando fuera del alcance el contacto directo de los agentes aglomerantes (agua, ácido, soluciones ácidas) con el material sólido. En cambio, una reducción en la velocidad de rotación, manteniendo el mismo ángulo de inclinación del tambor, puede producir una sobrecarga del motor del tambor, por aumento de la carga de mineral. Esta sobrecarga del motor se puede verificar controlando el incremento de amperaje del motor.

Ángulo de inclinación: Aunque el Operador no tiene mucha injerencia en el control del ángulo del tambor haremos un análisis si se modificara este parámetro. Si aumentamos el ángulo del tambor significa que disminuimos el tiempo de residencia del mineral en el equipo, por lo tanto, debemos realizar cambios en las variables operacionales de ácidos, agua, etc.

Si disminuimos el ángulo del tambor significa que aumentamos el tiempo de residencia del mineral en el equipo, por lo tanto, debemos realizar cambios en las variables operacionales de ácidos, agua, etc.

Control del Amperaje del Motor del tambor: Un aumento del amperaje del motor podría indicar un exceso de carga dentro del tambor.

Una disminución del amperaje podría indicar una disminución de la carga de mineral dentro del tambor.

CONTROL OPERACIONAL DEL PROCESO

En esta sección se muestran las variables operacionales que el operador debe tomar en cuenta para lograr un control estricto de las variables y aumentar así la capacidad de producción de la planta. Ver tabla. Variables operacionales del aglomerado.

Variables Operacionales del Aglomerado

VARIABLE UNIDADES

Flujo de alimentación de mineral m3/h

Densidad del aglomerado t/m3

Humedad del material % humedad

Dosificación de ácido kg/t

Tamaño de partícula mm

Flujo de alimentación de refino m3/h

Flujo de alimentación de ácido concentrado m3/h

Variables del equipo

Tiempo de residencia S

Velocidad de rotación del tambor de curado %de la velocidad critica

Angulo de inclinación grados

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