curso lixiviacion en pilas ucn 2014 final

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CURSO LIXIVIACION EN PILAS

PREPARADO POR:

MBA ING. EDWIN FRANCO YAÑEZ

COQUIMBO, 2013

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• 1 Definición

• Proceso hidrometalúrgico ( fisicoquímico ) basado en la propiedad de ciertas sustancias de pasar de la fase sólida a la líquida al estado de un compuesto complejo o iónico mediante la acción de un disolvente adecuado.

• En general, es el cambio de fase sólida a líquida.

• En el proceso ocurre una disolución parcial respecto a la mena, es decir, se disuelve la especie de valor, quedando la ganga ( material estéril, sin valor comercial ) sin disolver, produciéndose de esta manera la separación.

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• La minería a partir de soluciones o Hidrometalurgia se define como las formas de recuperación de un metal o compuesto desde su mena por medio de una solución que fluye disolviendo las especies de interés desde la roca, esto es aplicable tanto para minerales lixiviables como para minerales que requieren de reacciones químicas, aguas de descartes y soluciones de formación.

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• Algunos minerales se lixivian en forma natural, formando soluciones ricas las que son llamadas Aguas de Mina, la recuperación de estas soluciones representa las primeras aplicaciones de la Hidrometalurgia.

• La Hidrometalurgia es un campo interdisciplinario que comprende la geología, química, hidrología, metalurgia extractiva, minería, ingeniería de procesos y economía.

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• Algunos de los factores que se han de considerar en un proyecto hidrometalúrgico son:

1. La química de lixiviación

2. La química de la roca (ganga)

3. Los flujos de solución en el mineral (percolación)

4. Espacio libre en el mineral para permitir el paso de la solución

5. Porosidad de la roca

6. Transporte desde el interior de la roca al flujo (difusión química)

7. Tecnología de recuperación del metal/mineral

8. Impacto ambiental

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9. Pérdida de soluciones

10. Química de la solución rica

11. Balance de agua

12. Manejo de soluciones (piscinas, bombeo, riego, colección, etc.).

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LIXIVIACION EN PILAS

• Los reactivos lixiviantes más comunes son los siguientes:

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LIXIVIACION EN PILAS

• Para el caso de especies oxidadas de cobre, el agente lixiviante más común es el ácido sulfúrico (H2SO4), dada su buena selectividad respecto de la ganga salvo, si ésta es de naturaleza calcárea.

• Su disponibilidad y costo en el mercado nacional ha bajado en el primer caso, y ha subido demasiado, en el segundo caso ( 80 a 105 US$/ton )

• Su manejo y transporte en camiones especiales resulta sencillo.

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LIXIVIACION EN PILAS

• En el caso de minerales mixto de cobre (óxidos y sulfuros secundarios) se utiliza, generalmente, el sistema de lixiviación en pilas, ácida o ácida/férrica; ésto último, dependiendo de las características del mineral en relación a su composición mineralógica y la ley de cobre insoluble.

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Sobre las pilas de material mineralizado se riega una solución de agua con ácido sulfúrico que disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre, que se purifica y se concentra (SX) antes de llevarla a la electroobtención y/o cristalización-recristalización.

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MECANISMO DE LA LIXIVIACIÓN DE ÓXIDOS DE COBRE

El problema de la extracción de una o varias especies desde la mena por medio de un disolvente puede ser resuelto por dos métodos:

a) Por disolución directa de la especie de valor por el disolvente.

SOLUTO CONTENIDO EN LA MENA + DISOLVENTE = SOLUCION

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DISOLUCION DE LA MALAQUITA

Cu2(OH)2CO3 + 2H2SO4 2CuSO4 + CO2 + 3H2O

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DISOLUCION DE LA AZURITA

Cu3(OH)2(CO3)2 + 3H2SO4 3CuSO4 + 2CO2 + 4H2O

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DISOLUCION DE LA CRISOCOLA

CuSiO3 · 2H2O + H2SO4 CuSO4 + SiO2 + 3H2O

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DISOLUCION DE LA CUPRITA

Cu2O + H2SO4 CuSO4 + Cu + H2O

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DISOLUCION DE LA CUPRITA

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ATACAMITA

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BROCHANTITA

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CALCANTITA

Cu2SO4·5H2O

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REACCIONES QUÍMICAS SECUNDARIAS

Los carbonatos de la ganga, como las sales de fierro, también serán atacadas por los reactivos de la solución lixiviante de acuerdo al siguiente sistema:

a) CaCO3 + H2SO4 CaSO4(s) + CO2 + H2O

b) Fe(OH)2 + H2SO4 FeSO4 + 2H2O

c) 2Fe(OH)2 + H2SO4 + 2HCl FeCl2 + FeSO4 + 4H2O

d) Fe2O3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O

e) 2Fe2O3 + 3H2SO4 + 6HCl 2FeCl3 + Fe2(SO4)3 + 6H2O

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• De estas reacciones secundarias, la más beneficiosa sería la formación de sulfato férrico, Fe2(SO4)3 y de cloruro férrico, FeCl3, ya que cooperan en la lixiviación de algunas especies de cobre presentes como los sulfuros ( Por ejemplo, Calcosina ).

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

g) 3CuO + 2FeCl3 Fe2O3 + 3CuCl2

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El cloruro ferroso generado no es muy conveniente ( aunque ataca algunas especies cupríferas ), ya que parte del cobre queda como cloruro cuproso ( CuCl2 ). Este es un precipitado que se pierde junto a los ripios.

3CuO + 3H2O + 2FeCl2 CuCl2 + Cu2Cl2 (s) + 2Fe(OH)3

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• Análisis del carbonato de calcio

De los minerales de ganga, el más perjudicial es el CaCO3.

CaCO3 (s) + H2SO4(l) CaSO4(s) + CO2(g) + H2O

• Produce alto consumo de ácido sulfúrico.

• a) Consumo real: 3 a 5 k de H2SO4/ k de Cu recuperado.

• b) Consumo teórico: 1.54 k de H2SO4/ k de Cu.

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CALCITA

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• Produce sulfato de calcio sólido, el cual cristaliza sobre las sustancias que se están disolviendo

• Impide el contacto entre la solución lixiviante y las especies solubles.

• El proceso se retarda y puede llegar a detenerse.

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El ácido, también ataca a la ganga, la cual está

constituida por minerales que producen un menor o mayor consumo de éste.

Los que consumen menos ácido son: los silicatos y los que consumen más ácido son: los óxidos e hidróxidos de fierro y aluminio, además, de los carbonatos de metales alcalinos.

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• Lixiviación en Pilas

• La lixiviación en pilas corresponde a una técnica de lixiviación percolante donde la solución se desplaza a través de un lecho de partículas sólidas, previamente acondicionada y sin inundarla, a objeto de poner en solución especies valorables.

• Es de interés conocer el contenido de cobre total, cobre soluble, fierro total y azufre total. La identificación de las especies minerales útiles y las de la ganga son de interés para definir las condiciones de lixiviación, pretratamiento, tipo de solución lixiviante y presencia de impurezas en las soluciones finales.

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• En la lixiviación en pila, la solución de lixiviación requiere de concentraciones de ácido bajas, lo que eventualmente podría representar una desventaja si sabemos que en el inicio de la cinética de extracción la etapa controlante es la reacción química del cobre de la superficie de las partículas, y en la medida que la reacción avanza pasa a tener mayor importancia la difusión en el sólido.

• Esta posible desventaja es eliminada en el proceso de lixiviación en pila gracias a la operación preliminar del curado ácido.

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CONDICIONES Y CONSIDERACIONES

Disponer de amplias superficies de terreno, relativamente llanas, con menos de 10% de pendiente.

Calcular los flujos de aporte y evaporación para mantener un balance equilibrado de líquidos efluyentes.

La pila perderá agua por:

a) Evaporación a la atmósfera

b) Permanencia en los ripios como humedad residual

c) Pérdidas de proceso en derrames, filtraciones y descartes ocasionales

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Capacidad y flexibilidad para admitir grandes variaciones de leyes de mineral y tiempos de lixiviación.

Utilizar láminas impermeables sencillas para evitar pérdidas por infiltración y la contaminación del subsuelo.

Realizar un estudio geomecánico del material depositado para alcanzar la máxima altura posible y evitar el derrumbe de la pila.

Disponer de represas de líquidos intermedios y finales.

Considerar un margen de sobrecapacidad del sistema para absorber situaciones de exceso por tormentas lluvias en el área en explotación o explotada.

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Preparar el material para llevarlo al tamaño adecuado, de manera de lograr una permeabilidad mínima suficiente, que libere el mineral en la superficie y percole adecuadamente.

Organizar un conjunto de pilas de manera de ordenar el flujo de líquidos en forma seriada, para lograr un enriquecimiento progresivo de la solución al pasar de una pila en otra.

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• Para que la lixiviación tenga éxito se tienen que considerar una serie de factores, siendo el primero asegurar la permeabilidad de la masa a lixiviar, de manera que el líquido lixiviante pase a través de todo el material y que el contacto entre el agente lixiviante y el mineral sea el óptimo.

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CONSIDERACIONES PARA UN ÓPTIMO CONTACTO ENTRE EL MATERIAL Y EL AGENTE LIXIVIANTE

• La localización de los minerales a disolver

• Volumen del material y distribución de tamaños

• Área expuesta

• Superficie específica

• Tamaño de partículas

• Porosidad

• Presión capilar

• Rugosidad o aspereza de las superficies.

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GRANULOMETRÍA DEL MINERAL A LIXIVIAR

• La granulometría del mineral chancado bordea entre 3/8” y ¼” La granulometría del mineral chancado bordea entre 3/8” y ¼”

• Se debe controlar la presencia masiva de finos, con un harnero Se debe controlar la presencia masiva de finos, con un harnero especial, antes de que éste sea procesado en la etapa de especial, antes de que éste sea procesado en la etapa de aglomeración, ya que al existir una excesiva cantidad de finos, aglomeración, ya que al existir una excesiva cantidad de finos, no va a permitir una percolación de la solución lixiviante en no va a permitir una percolación de la solución lixiviante en forma óptima, fuera de otros problemas operacionales, como lo forma óptima, fuera de otros problemas operacionales, como lo es, por ejemplo, el derrumbe de pilases, por ejemplo, el derrumbe de pilas.

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• Cuando el mineral presenta una distribución de tamaños de Cuando el mineral presenta una distribución de tamaños de partículas, incluidas partículas muy pequeñas, dependiendo de la partículas, incluidas partículas muy pequeñas, dependiendo de la forma de construcción de la pila, se puede producir forma de construcción de la pila, se puede producir segregación,segregación, generando zonas de diferente permeabilidad. generando zonas de diferente permeabilidad.

• De esta manera, la solución pasaría solamente a través de las De esta manera, la solución pasaría solamente a través de las zonas de mineral grueso. Para corregir estas deficiencias, el zonas de mineral grueso. Para corregir estas deficiencias, el mineral debe ser aglomerado con agua o con algún agente mineral debe ser aglomerado con agua o con algún agente aglomerante, como por ejemplo cal o cemento (lixiviación alcalina); aglomerante, como por ejemplo cal o cemento (lixiviación alcalina); en las lixiviaciones ácidas se aglomera con ácido sulfúrico en las lixiviaciones ácidas se aglomera con ácido sulfúrico concentrado dosificándolo de tal modo que sólo humecte al concentrado dosificándolo de tal modo que sólo humecte al mineral.mineral.

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AGLOMERACIÓN Y/O CURADO

• El material ya chancado, puede ser aglomerado y curado, con agua y ácido sulfúrico concentrado, según se requiera, dependiendo del valor final de la recuperación de cobre, de su curva de cinética, y de la presencia de finos que afecten la percolación de la solución en la pila.

• El mineral se puede aglomerar en tambores aglomeradores, pero también hay ay operaciones que agregan el agua y el ácido directamente sobre el mineral en operaciones que agregan el agua y el ácido directamente sobre el mineral en una correa, cuando la cantidad de finos es limitada o el material es grueso una correa, cuando la cantidad de finos es limitada o el material es grueso (Zaldivar, RT).(Zaldivar, RT).

• Luego el mineral es almacenado como pilas, para un tiempo breve de reposo, previo al tratamiento de lixiviación.

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Agente aglomerante o ligante

a) Líquidos: agua, soluciones de ácido sulfúrico, soluciones de cianuro ( para el oro ), etc.

b) Sólidos: cal, cemento, etc.

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Se aglomera:

a) Para unir los finos a las partículas más gruesas y así optimizar la percolación de la solución lixiviante.

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

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

d) Mejorar la oxigenación de la pila.

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TAMBORES AGLOMERADORES

El mejor equipo para lograr estos dos efectos, de mezcla y de aglomeración, es el tambor aglomerador.

Éste consiste en un cilindro metálico, revestido interiormente con neopreno o goma antiácida, provisto de levantadores para lograr el rodado de la carga, e incluyendo las tuberías perforadas para el suministro del agua, para humedecer el mineral y para el suministro del ácido concentrado.

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TAMBORES AGLOMERADORES

El agua y parte del ácido se puede remplazar por soluciones de refino de la planta de extracción por solventes y/o la purga de electrolito de la electro-obtención.

En estos casos debe cuidarse de evitar que el orgánico atrapado por arrastre, ingresen al tambor, pues se degrada con el ácido concentrado y termina por contaminar todo el circuito de SX. Para evitar este efecto, previamente a su ingreso al tambor, las soluciones pobres deben ser tratadas por algún medio filtrante, como una columna de carbón activado.

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TAMBORES AGLOMERADORES

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Tambor aglomerador minera El Abra

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CONSTRUCCIÓN DE LAS PILAS Y APILAMIENTO

El mineral aglomerado con cierta cantidad de ácido y de agua (en k/t) según su mineralogía y su ganga, se acomoda en las pilas, que formarán los módulos de riego, con superficie y altura determinadas, ángulo de reposo del mineral ya establecido, y con pendiente en dos sentidos:

Inclinación lateral, para el drenaje

Inclinación en sentido longitudinal, para la evacuación de las soluciones.

Para ayudar a la recolección de las soluciones se usan cañerías de drenaje corrugadas y canaletas abiertas.

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4949Canaleta receptora solución rica Lambert

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•A este material mineralizado apilado y preparado, se le determina la densidad aparente que varía según su porcentaje de finos.

•El apilamiento se puede realizar por distintos métodos, entre ellos mediante un sistema de correas o mediante apiladores móviles.

•Las pilas se cargan habitualmente, entre 3 y 8 m, sobre un sustrato impermeable, normalmente protegido con una membrana de plástico que puede ser de polietileno de alta densidad (HDPE), de baja densidad (LDPE) , de muy baja densidad (VLDPE) o de cloruro de polivinilo (PVC), que puede tener de 0.1 a 1.5 mm, según la aplicación.

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•La altura de las pilas, ya sean dinámicas o permanentes, va a depender de tres factores esenciales:

•Estabilidad mecánica del material

•Facilidad de extracción del mineral, y

•Consumo del material lixiviante.

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CARGUIO DE MATERIAL

En el caso de faenas pequeñas que van de 300 a 2000 t/d, como por ejemplo Dos Amigos y Punta del Cobre, hasta 5000 t/d y 10000 t/d, como Quebrada-Damiana en El Salvador y Lince, en Michilla, se usan sistemas de camiones y apiladores de correa autopropulsados, evitando el uso de cargadores frontales.

Este sistema de carguío se puede aplicar a pilas dinámicas y permanentes.

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CARGUIO DE MATERIAL

En faenas mayores, que van desde 10000 t/d y hasta 50000 t/d ( Manto Verde, Cerro Colorado y Quebrada Blanca ) se usan correas modulares articuladas que terminan en un apilador de correa o stacker.

Sistema de carguío usado en pilas dinámicas y permanentes, sin restricción.

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CARGUIO DE MATERIAL

En faenas aun mayores, desde 75000 t/d a 150000 t/d ( El Abra y Radomiro Tomic ), donde se prefieren complejos sistemas apiladores sobre orugas alimentadas con correas transportadoras estacionarias y móviles.

Cuando se requiere remover el material ya lixiviado desde las pilas, por ser un sistema de pilas dinámicas, normalmente se usan recolectores tipo pala de rueda con capachos, llamados ” rotopalas “ o bucketwheel.

6363Sistema de Correas Tripper

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Correas tripper móviles

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Apilador usado en Radomiro Tomic, con una capacidad de 10.500 t/h Apilador usado en Minera Zaldívar

6666Apilador Marca Rahco Minera “El Abra”.

6767Apilamiento Minera El Tesoro

6868Apilamiento y retiro de pilas en Zaldívar

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Rotopala de capacidad nominal de 11.500 t/h.Sistema de traslación sobre orugas.

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Rotopala de Radomiro TomicDiariamente, remueve 220 mil toneladas de material lixiviado.

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• CLASIFICACION DE LAS PILAS

• PILA DINAMICA:

• Implica que en el mismo sector de la pila en tratamiento, coexisten materiales que están en diversas etapas del ciclo de tratamiento.

• Periódicamente se carga un módulo y se abandona el tratamiento de otro.

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• En el caso particular de las operaciones mayores, que presentan cierta rigidez con los equipos de transferencia de minerales, se ha preferido una configuración rectangular doble (dos rectángulos paralelos y adyacentes) con semicírculos en los extremos, donde se forma la pista de giro de los equipos de carguío y de descarga.

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PILA DINAMICA TL

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PILA DINAMICA TL

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• Las pilas dinámicas, una vez agotadas, son retiradas a través de correas transportadoras a botaderos.

• Posteriormente, se construyen pilas permanentes, constituyendo la lixiviación en pilas secundarias, donde se continua extrayendo el cobre remanente de los ripios, y así, se aumenta la recuperación global del proceso, es decir, la recuperación metalúrgica de las pilas primarias más de las pilas secundarias.

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• PILA PERMANENTE:

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.

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Pila de lixiviación permanenteMinera Dos Amigos

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• Pilas permanentes, en las que las nuevas pilas se cargan sobre las anteriores, aprovechando o no la impermeabilización existente.

Normalmente, este tipo de pilas se diseña de forma de apilar mineral en capas sucesivas, una vez que ha terminado la lixiviación del mineral de las capas inferiores, llegando hasta 6 a 7 pilas en total, montadas una tras otra.

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Sistema de riego en lixiviación en pilas

Se puede clasificar en:

• Riego por Goteo

• Riego por aspersores y boquillas

• Riego por tuberías perforadas

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Sistema de riego por goteo y aspersores, y recolección de soluciones

• El sistema de riego instalado permite distribuir las soluciones ya sea por medio de un sistema de goteros, que hasta pueden estar instalados bajo la superficie de las pilas cuando las condiciones son extremas (Quebrada Blanca a 4.400 msnm y temperaturas muy bajas) o por medio de aspersores tipo wobblers o sprinklers, dependiendo de la evaporación y de la disponibilidad de agua de cada operación.

• La solución es bombeada y la presión creada provoca una descarga controlada por las perforaciones y/o aspersores.

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Riego por goteo:

Es recomendable en caso de escasez de líquidos, bajas temperaturas (climas muy fríos) y/o con vientos fuertes y permanentes o cuando no hay peligro de precipitación de sales que tapen los goteros.

En la industria, se utiliza, generalmente, una tasa de riego del orden de 10 - 20 litros/hm2. El riego tiene que ser homogéneo.

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Riego por aspersores: Los aspersores son adecuados cuando hay agua en abundancia y cuando ésta contenga gran cantidad de sales disueltas y no exista un clima muy riguroso.

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TASA DE RIEGO

• Es el flujo de solución de riego de la pila, la cual debe regar toda el área superior. Con esta solución se logra extraer el cobre contenido en la mena.

• A mayor tasa de riego, más luego se extraerá el cobre de la pila y, por ende, más luego se agotará.

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lts

regaratotalArea

riegodeFlujoTR

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• Las tasas controladas de irrigación van en rangos desde 0.002 a 0.005 galones/min/pie² (menores de 0.2 l/min/m2, lo que mantiene al material granular húmedo, pero no saturado).

Por lo general, en la extracción de cobre y en donde el tipo de pilas es de grandes dimensiones, se utiliza una tasa de riego del orden de 10 a 20 l/h x m².

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• Piscinas de recolección de soluciones

Las soluciones recogidas son llevadas primero a piscinas desarenadoras, para ser clarificadas y desde allí fluyen a diferentes piscinas según la calidad de la solución:

• Piscina de solución rica (PLS) (Pregnant leaching solution), que tiene una dimensión tal que permite conocer el tiempo de retención de la solución.

• La solución percolante rica, es enviada al próximo proceso que puede ser: extracción por solvente (SX) o de ferrocementación .

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• Piscina de solución intermedia (ILS), que se utiliza para regar el aglomerado fresco y generar así PLS, según corresponda.

• Durante los primeros días de tratamiento, la pila es regada con estas soluciones, las cuales son reforzadas en ácido para aumentar su capacidad de recuperar cobre desde el mineral recientemente depositado.

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Solución refino ( solución “ pobre “ )

• En la segunda etapa de tratamiento, cuando una parte importante del cobre ha sido removido de los minerales, el material se riega con solución retornante desde SX o de ferrocementación. Esta solución debe ser reforzada en ácido antes de lixiviar los minerales en esta etapa de tratamiento.

• Agua de lavado

• La pila, a la que se le ha extraído el máximo de cobre, es lavado con agua de manera de recuperar los últimos valores posibles, antes de transportar a botadero.

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