UVM Maestría en Gestión de la Industria Minera

LIXIVIACIÓN DE LA CALCOPIRITAMÉTODOS Y TECNOLOGÍAS

MAESTRÍA EN GESTIÓN DE LA INDUSTRIA MINERAJohann Pavel TELLO CASTILLO

TECNOLOGÍA DE PROCESAMIENTO DE MINERALESJonathan Castillo - 18/11/13

RESUMEN

El mineral sulfurado de cobre más común en los concentrados es la calcopirita y también el mineral más difícil de lixiviar debido a una capa pasiva que se forma bajo una variedad de condiciones de lixiviación oxidante. Aún en medios fuertemente oxidantes la cinética de disolución de calcopirita es mucho más lenta que la de otros sulfuros de cobre y además no extrae el cobre selectivamente sobre el hierro. La precipitación y descarte del hierro desde las soluciones de lixiviación de calcopirita es un problema grave ya que los precipitados tienen un alto potencial contaminante y requieren de sistemas de confinamiento especiales y caros para prevenir la contaminación ambiental.

El tratamiento metalúrgico de la calcopirita se realiza, principal ente, utilizando la vía pirometalúrgica después de una necesaria concentración por flotación del propio mineral. Una vía alterna a la seca es la hidrometalúrgica, la cual presenta ventajas tales como su capacidad para el tratamiento de menas pobres (cada vez más abundantes en el caso del cobre) y un control más fácil de los subproductos lo cual permite mejorar los aspectos medioambientales de la obtención del metal. Sin embargo, la vía húmeda para el tratamiento de este sulfuro tropieza con problemas derivados de su refractariedad frente a los reactivos lixiviantes más comúnmente utilizados en función de una economía aceptable de proceso. Las razones para explicar la situación anterior se centran en las transformaciones superficiales que sufre el mineral al ser atacado químicamente en medios oxidantes, debido a la formación de productos intermedios de reacción muy estables en las condiciones

iniciales de trabajo. Precisamente, en relación con ello giran las distintas opciones que tanto al nivel de laboratorio como piloto se han ensayado para implantar estas tecnologías húmedas a escala industrial.

INTRODUCCIÓN

Los procesos hidrometalúrgicos, como las pilas de lixiviación (LX), seguidos por los procesos de extracción por solventes (SX) y electro-obtención (EW) son aplicados a óxidos y sulfuros secundarios de cobre. Sin embargo, estos óxidos y sulfuros secundarios se encuentran en la superficie de los depósitos, los cuales se están agotando, y sólo van quedando los sulfuros primarios. Debido a esto, la actividad minera está enfrentando la problemática del agotamiento de material de alimentación a las plantas de LX-SX-EW, además de leyes cada vez más bajas, escasez del recurso hídrico y que el mineral de cobre disponible a futuro será la calcopirita, sulfuro de cobre cuyo tradicional procesamiento es a través de una combinación de técnicas de flotación y pirometalúrgicas. La calcopirita es el mineral más refractario y abundante de los sulfuros de cobre, por lo que la metalurgia extractiva del cobre se basa principalmente en este mineral. Debido a esto, para permitir el uso continuo de estas plantas, es necesario desarrollar alternativas tecnológicas para el procesamiento de los sulfuros abordando la lenta cinética de lixiviación del principal sulfuro primario de cobre.

LIXIVIACIÓN DE LA CALCOPIRITA

La mayor investigación sobre lixiviación de minerales de cobre está dirigida la calcopirita por las siguientes razones:

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a) Mayor abundancia en la naturaleza.b) Una gran parte de los yacimientos

existentes son complejos y sobretodo piríticos.

c) La calcopirita es el mineral más difícil de lixiviar.

d) Por los procesos convencionales (flotación-fusión de concentrados) se obtienen resultados deficientes con concentrados impuros, penalizados por las fundiciones y con altos costos.

Tanto la lixiviación de concentrados de calcopirita, como la lixiviación de minerales de calcopirita están en vías de desarrollo, sin haber alcanzado el grado de madurez necesario para poner en desuso los sistemas y procesos convencionales.

Detrás de esta situación hay toda una problemática muy compleja que se relaciona con aspectos básicos derivados de la lixiviación de los sulfuros al tratar de conseguir un proceso hidrometalúrgico coherente, desde un punto de vista químico, pero que cumpla además la condición de ser rentable. Aquí algunas razones:

Bajas recuperaciones de cobre en las etapas iniciales de lixiviación;

Pérdidas de cobre debido a la coprecipitación del metal junto con otros productos de hidrólisis del propio ataque del mineral;

Difíciles separaciones sólido-líquido después de la etapa de lixiviación;

Difícil o incompleta recuperación de metales preciosos a partir de los residuos de la lixiviación;

Etapa muy complicada de recuperación del azufre que se forma, en ocasiones, como subproducto del ataque de los sulfuros;

Excesiva corrosión de los equipos, especialmente cuando se utiliza un medio a base de cloruros;

Dificultad de producir residuos no tóxicos estables atmosféricamente;

Grandes requerimientos energéticos para la dispersión de los oxidantes gaseosos, más concretamente del oxígeno, utilizados como reactivos de ataque;

Mala calidad de los productos obtenidos que requiere su electrorefinación; etc.

Para la lixiviación de calcopirita existen dos sistemas fundamentales:- Sistema ácido, con oxidación previa a

sulfatos y disolución en 1) medio ácido-sulfato o 2) medio cloruro

- Sistema básico, con oxidación previa a sulfatos y disolución en medio amoniacal o amínico

Para ello se necesitan ciertas condiciones:

- Exposición parcial del mineral a los medios lixiviantes, con reducción de tamaño, dependiendo del grado de liberación en la mena.

- Fuerte oxidación.- Temperaturas y presiones superiores a

los normales.

Son condiciones idóneas para una lixiviación dinámica. Sin embargo, con condiciones menos extremas, los sistemas expuestos pueden ser aplicados a una lixiviación estática a expensa de un mayor tiempo de lixiviación y una recuperación menor, pero con un menor costo de producción.

Por ello las investigaciones sobre la lixiviación de la calcopirita, aparte de un mayor conocimiento de la cinética de las reacciones, van dirigidas a un suavizamiento de las condiciones de lixiviación, sin olvidar la investigación sobre la oxidación bacteriana de la calcopirita y de la biolixiviación en general, de gran influencia para los sistemas estáticos.

En el grupo de procesos que se desarrollan en medio sulfato, que por otra parte son los más estudiados, se suele utilizar como oxidante el oxígeno y/o el ion férrico, trabajando en un amplio margen de presiones (desde la atmosférica a presiones del orden de 10 – 40 atm), generalmente a temperaturas elevadas y con tamaños de partícula relativamente pequeños para facilitar la cinética de las reacciones (entre 1 y 2 horas de lixiviación). Cabe mencionar en este grupo a los siguientes tipos de procesos: Placer Dome, el cual trabaja a alta

presión y temperatura (220ºC) utilizando oxígeno como oxidante.

Activos, desarrollado por Western Minerals Technology Pty. Ltd., Australia y Albion, puesto en funcionamiento por Xstrata Technology, Brisbane, Australia

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(Albion Process ), los cuales utilizan oxígeno aunque realmente quien disuelve al mineral es el ión férrico a través de un mecanismo indirecto. Las temperaturas de trabajo rondan los 100ºC.

Dynatec, que se incluye en el grupo de procesos que utilizan aditivos para favorecer la disolución de la calcopirita, concretamente carbón. Es un proceso realizado a unos 150ºC y con un sólido relativamente molido.

Anglo American Corporation / University of British Columbia, que como en el caso anterior utiliza un aditivo para mejorar la cinética del proceso, agentes surfactantes como el quebracho y lignosulfonato. El tamaño de partícula es muy pequeño y la temperatura también en un nivel medio, utilizando oxígeno a presión.

Proceso BRISA desarrollado en la Universidad de Sevilla, España, que contempla dos etapas. En la primera, el mineral de cobre es lixiviado por una disolución de sulfato férrico en presencia de pequeñas cantidades de ión plata que facilita la reacción. La segunda etapa consiste en la regeneración del agente lixiviante por biooxidación utilizando cultivos de bacterias mesófilas.

Mención especial merecen los procesos en donde participan directa o indirectamente, bacterias para facilitar la disolución de los súlfuros de cobre. Se trabaja en reactores agitados o sobre montones de mineral pobre para facilitar la disolución de los súlfuros contenidos. En este grupo de procesos cabe mencionar los siguientes:

BioCOP, desarrollado por BHP Billiton (BHP Billiton ). Utiliza la oxidación biológica de concentrados sulfurados de cobre en tanques agitados, a 45ºC, utilizando bacterias mesófilas, o a 65-85ºC utilizando microorganismos termófilos, con unas densidades de pulpa de entre el 10 y 20% de sólidos. En los últimos años, BHP Billiton y CODELCO han firmado un acuerdo para crear Alliance Copper, la cual se está encargando de probar la tecnología del proceso a escala industrial. Proyecto abortado, por razones técnico-económicas, en el segundo semestre de 2006.

BacTecgm, desarrollado por la compañía canadiense BacTech Mining Corporation (BacTech Mining Corporation). Después del proceso anterior, éste fue el siguiente que se implantó a nivel mundial aplicándose inicialmente al tratamiento de minerales refractarios de oro. En la actualidad, el proceso ha evolucionado hacia el tratamiento de minerales de cobre y de otros metales, y la empresa ha firmado un acuerdo con Industria Peñoles Méjico para la instalación de una planta de demostración en este país con una producción anual de 200 Tm de cobre electrolítico.

GEOCOAT, fue puesto a punto por GeoBiotics (GeoBiotics). Fue creado también para el tratamiento de minerales refractarios de oro aunque se utiliza lixiviación estática para el caso de los minerales de cobre y de otros metales pesados. El mineral se prepara de tal forma que finalmente queda recubriendo, con un tamaño relativamente pequeño, a partículas mayores de roca madre, lo cual facilita la hidrodinámica del sistema. Utilizando microorganismos termófilos a temperaturas de hasta 70°C, se recupera el 97% del cobre después de 120 días.

BioHeap ha sido desarrollado por Titan Resources propiedad de Pacific Ore Technology Ltd, Australia. Se vuelve a utilizar la lixiviación en pilas para el tratamiento de diversos tipos de minerales, entre ellos los de cobre. El proceso se basa en bacterias cultivadas por la propia empresa dentro del rango de los mesófilos y los termófilos.

En el campo de la metalurgia en base a cloruro, se encuentran una serie de procedimientos de lixiviación química convencional en los que el ataque en medio sulfato se mejora añadiendo ión cloruro. El uso de los cloruros tiene como ventaja una mejor cinética, la oxidación del azufre a su forma elemental y la mayor solubilidad de los metales en este medio. Sin embargo, sus problemas son muy importantes y relativos al material de construcción de los reactores para soportar atmósferas tan corrosivas, a la precipitación del cobre metálico a partir de estas disoluciones y al mayor costo del ácido clorhídrico con respecto al sulfúrico.

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En esta posibilidad de ataque, el oxidante más utilizado es el ión férrico. Como procesos más importantes a mencionar se encuentran los siguientes:

BHAS, desarrollado en Australia para el tratamiento de matas de cobre-plomo utilizando disoluciones ácidas conteniendo sulfatos y cloruros, y como oxidante el oxígeno.

Noranda Antlerite, en el que la calcopirita se transforma en un sulfato básico de cobre, denominado precisamente antlerita, utilizando como lixiviante una disolución de sulfato y cloruro cúprico a 140ºC y 140 kPa de presión de oxígeno.

CESL puesto a punto por Cominco y muy similar al de Noranda.

Hydrocopper, desarrollado por Outokumpu Research, utiliza una disolución fuerte de cloruro de sodio siendo el oxidante el ión cúprico y operando a 85-95ºC.

Proceso Cuprex , puesto a punto a partir de los trabajos de una empresa española: Técnicas Reunidas, S. A. En él se lixivian concentrados de calcopirita a presión atmosférica, con disoluciones de cloruro férrico y en dos etapas. El licor fértil se envía a una etapa de extracción con disolventes y, finalmente, la disolución de cloruro de cobre se electroliza en una celda de diafragma produciendo cobre metálico y cloro, que es utilizado en el mismo proceso.

C.M. Michilla (Chile). Proceso Cuproclor, procedimiento similar a la lixiviación tradicional en pilas. Utilizable tanto para minerales mixtos como sulfurados del tipo calcosina, covelina y bornita. Al igual que en la lixiviación bacteriana, el ion férrico se genera internamente en las pilas, la aglomeración se realiza adicionando CaCl2 como aglomerante. La lixiviación se realiza en presencia de altas concentraciones de cloro y cobre. Pudiendo utilizar cualquier tipo de agua (de mar, de salares, industrial, etc.). Se adiciona cloruro de calcio con dos finalidades: mejorar considerablemente la estabilidad de la pila y su permeabilidad líquida y gaseosa; y proveer el cloro requerido por la reacción de oxidación del ión ferroso catalizador por el ión cúprico.[4]

Se ha visto que la lixiviación de concentrados de cobre ha recibido una gran atención en los últimos años. La biolixiviación se ha estudiado a escala piloto, mientras que la lixiviación a presión se ha establecido como un proceso productivo y viable.

CONCLUSIONES

Son varias las investigaciones relacionadas con la disolución de la calcopirita pero aún no existe un acuerdo general en ciertos aspectos importantes, los cuales nos pueden llevar a un mejor entendimiento del proceso y así a un escalamiento a nivel industrial.

La ventaja de utilizar medios clorurados es que es uno de los principales componentes del agua de mar, conteniendo aproximadamente 20 g/L de iones cloruros y, debido a la escasez de agua dulce, las empresas mineras se están planteando la posibilidad de utilizar agua de mar en su proceso.

La recuperación de cobre desde calcopirita por medio de lixiviación es compleja, principalmente porque la disolución tiene una cinética muy lenta en la mayoría de los medios de lixiviación, y porque se produce una solución de cobre altamente contaminada con hierro. En contraste, la lixiviación de calcopirita sulfurizada para producir cobre es un proceso muy atractivo debido a que la disolución tiene una cinética rápida y es un proceso muy selectivo en medio cloruro.

La cantidad y concentración de los metales disueltos que se obtienen al lixiviar concentrados de cobre, dependen de varios factores, según que tecnología de lixiviación se utilice, el tipo de concentrado de cobre y las condiciones de lixiviación. En general, estas soluciones resultantes tendrán entre 20 a 80 g/l Cu, 0 a 25 g/l Fe, varios otros metales y un pH:< 1 a >2 con una temperatura relativamente alta.[6]

Los operadores de una planta de extracción por solvente tienen una variedad de reactivos a escoger, con el simple objetivo de obtener la producción de cobre de diseño, la calidad adecuada y

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el menor costo total de operación. Debido al alto contenido de cobre de las soluciones de lixiviación existe alguna creencia respecto de que la selección del reactivo se limita sólo a los reactivos considerados como extractantes fuertes

REFERENCIAS

Minería química (1991) IGME

Lixiviación de la calcopirita en medios clorurados (2013) T. Ibáñez y L. Velásquez

Cinética de la lixiviación de calcopirita Sulfurizada (2002) R. Padilla, P. Zambrano y M.C. Ruiz

Hidrometalurgia de la Calcopirita (2005) Antonio Ballester y Elcy Córdoba

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