cap 0 - introducciÓn.pdf
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PROCESOS EXTRACTIVOS II
(HIDROMETALURGIA)
REGIMEN
X. Nº de horas teoría semanal: 3
Y. Nº de horas Practica Semanal: 1.5
Z. Nº de horas Laboratorio Semanal: 1.5
T. Nº de horas Seminario semanal: 0
U. Nº de créditos del Curso: 4
W. Sistema de Evaluación: E.
a) Prácticas calificadas y de laboratorio: 3 y 3 promedio peso 1
b) Examen: 1parcial a la mitad del Curso peso 1
1 final al final del Curso peso 1.
PRE-REQUISITOS.
Fundamentos metalúrgicos II.
Ciclo que se dicta: 8vo.
OBJETIVOS.
Entregar las nociones fundamentales
de los factores físico-químicos
fundamentalmente de la extracción y
recuperación acuosa de metales y no –
metales de menas, minerales y de
desechos metálicos.
SYLLABUS
Equilibrio Hidrometalurgico.
Cinética heterogénea de importancia en hidrometalurgia.
Lixiviación de metales, óxidos y sulfuros.
Purificación de soluciones.
Producción de metales.
Tecnología.
TEXTO.
Habashi. F Metalurgia Extractiva, Hidrometalurgia,
Editorial Gordon and Breach, 1976.
BIBLIOGRAFIA.
Wadsworth M.E. Principios de Hidrometalurgia,
Curso Corto.
Habashi. F Metalurgia Extractiva, Principios,
Editorial Gordon and Breach, 1976.
INTRODUCCIÓN.
La metalurgia extractiva puede ser dividida en
tres grandes campos:
Pirometalurgia.
Hidrometalurgia y
Electrometalurgia.
LA PIROMETALURGIA
Se interesa en el estudio de las
reacciones químicas que ocurren a
elevadas temperaturas (>1000ºC) en la
que no participan soluciones acuosas.
La Fundición a 1100ºC, concentrados de Cobre
2 CuFeS2 + 5/2 O2 Cu2S.FeS + FeO + 2SO2
calcina aire matta escoria
Luego pasa a la etapa de conversión de la matta en cobre el cual toma en dos
etapas distintas :
Primera etapa , soplado de la matta :
Cu2FeS + 3/2 O2 Cu2S + FeO + 2SO2
Matta aire metal blanco escoria
Segunda etapa , soplado de Cobre :
Cu2S + O2 2Cuº + SO2
Metal blanco aire cobre
LA HIDROMETALURGIA, se interesa
en las reacciones químicas que ocurren
a bajas temperaturas (eventualmente a
temperaturas medias con el auxilio de
presiones elevadas) en un medio
predominante acuoso.
LA ELECTROMETALURGIA, estudia las
reacciones en la que es necesario aplicar una
energía externa al sistema (corriente continua) para
que se lleve a cabo la reacción química, esta a la
vez se divide en:
Electro-obtención y
Electro-refinación.
Desde el punto de vista Europeo la
electrometalurgia forma parte de la pirometalurgia y
desde el punto de vista americano esta forma parte
de la hidrometalurgia.
HIDROMETALURGIA
La Hidrometalurgia la podemos dividir en tres grandes
campos:
LIXIVIACIÓN.
La lixiviación es el proceso de disolución de los valores
minerales de una mena o concentrado por una solución
acuosa del agente lixiviante, el cual puede ser extendido
a la disolución de materiales secundarios tal como
chatarras, residuos y desechos.
CuOx (Fe2O3)+ H+ Cu+2 (Fe+3) + H2O
ZnOx(Fe2O3, CuOx, CdOx) + H+ Zn+2(Fe+3, Cu+2, Cd+2) + H2O
2Au + 4NaCN + O2 +2H2O 2Au(CN)-2 + 2NaOH + H2O2
PURIFICACIÓN DE SOLUCIONES.
Los procesos de lixiviación son raramente selectivos,
consecuentemente las soluciones ricas contienen
impurezas y frecuentemente requiere purificación.
En el caso de la lixiviación de minerales oxidados de
cobre, en la solución rica no solamente va el cobre si
no también Hierro y a la siguiente etapa que es la
recuperación del cobre necesariamente tiene que ir
solamente el cobre en solución y para que ocurra esto
se aplica lo que conocemos como extracción solvente:
La primera etapa es la extracción:
Cu+2(Fe+3) + 2RH R2Cu + H+(Fe+3)
La segunda etapa es la re-extracción:
R2Cu + H+ Cu+2 + 2RH
Reacción de reducción
RECUPERACIÓN DEL METAL DE LA SOLUCIÓN.
Este campo consiste en aplicar cualquier de las siguientes alternativas:
Electro-obtención.
Cu+2 + e Cu+
Cu+ + e Cuº
O2 + 4H+ + 4e 2H2O Reacción de oxidación
Reducción con gas hidrogeno.
Cu+2 + 2e Cuº Reacción de reducción
2H+ + 2e H2 Reacción de oxidación
Obtención de alguna sal del metal que esta
disuelto y purificado.
Tal como por ejemplo:
La obtención de Sulfato de Cobre.
La obtención de Sulfato de Zinc.
La obtención de Oxicloruro de Cobre.
La obtención de Sulfato de Níquel.
VENTAJAS DE LA HIDROMETALURGIA.
Las ventajas de la hidrometalurgia se pueden
sumariar tal como se indica a continuación: Los metales pueden ser obtenidos
directamente en forma pura de la solución de lixiviación, por ejemplo: por precipitación con hidrogeno bajo presión o electrolisis previa purificación y cementación etc.
Metales de alta pureza pueden ser recuperados de soluciones de lixiviación impuras
La ganga silicea en la mena no es afectada por muchos agentes de lixiviación; en pirometalurgia la ganga necesita se escoriada.
Los problemas de corrosión son relativamente bajos en comparación con el deterioro de los ladrillos refractarios en los hornos y la necesidad de reemplazar en forma periódica estos forros.
Muchos procesos hidrometalurgicos son llevados a cabo a temperatura ambiente y por lo tanto no se consume cantidades grandes de combustibles como en la pirometalurgia.
El manipuleo de productos de lixiviación es más barato y fácil que manipular matas fundidas y metales.
El proceso hidrometalurgico es especialmente necesario para el tratamiento de menas de bajo grado.
Un proceso hidrometalurgico puede empezar a pequeña escala y expandirse como sea requerido, un proceso pirometalúrgico usualmente necesita ser diseñado para una operación en gran escala.
Las plantas hidrometalurgicas usualmente la polución es menor con respecto a las fundiciones. Este factor juega un rol importante en el presente debido a las leyes estrictas sobre polución.
DESVENTAJAS DE LA HIDROMETALURGIA
Algunas dificultades pueden presentarse en el tratamiento de una mena, tales como:
Separación sólido/liquido, por ejemplo minerales con alto contenido de arcillas.
Impurezas en cantidades bien pequeñas en la solución de lixiviación que pueden afectar la Electrodeposición de un metal y por lo tanto necesita una purificación previa, caso del cobre, zinc etc.
PRINCIPIOS GENERALES DE LA LIXIVIACIÓN.
TIPOS DE MINERALES. En hidrometalurgia el proceso de lixiviación de
un metal de su mena, se realiza a temperaturas relativamente bajas, debajo de 200ºC. El rate de reacción puede ser lento y depende de la naturaleza de la fase que contiene el metal.
Por ejemplo: bajo condiciones oxidantes acidas, es mucho más rápido disolver el cobre de la chalcocita (Cu2S) que de la calcopirita (CuFeS2).
En el caso de la cianuración de oro por ejemplo la presencia de compuestos como la chalcocita, covellita, malaquita etc., causa un consumo excesivo de cianuro de tal manera que lo puede hacer prohibitivo su aplicación.
Por lo tanto en la lixiviación, la naturaleza de los minerales presentes es importante, mientras que en el caso de los concentrados de cobre que se alimenta a la fundición no lo es.
AGENTES DE LIXIVIACIÓN
Para que se lleve a cabo en forma eficiente el proceso de lixiviación debemos tomar en cuenta las siguiente
proposiciones: Liberación de los minerales, concentrados
o productos metalúrgicos para recuperar el elemento valioso. Factores económicos usualmente deciden el tamaño de partícula de la mena a ser procesado.
Fácil lixiviación de constituyentes solubles en una mena o concentrado con un agente de lixiviación adecuado.
La elección de un agente de lixiviación depende de muchos factores:
Las características físicas y químicas del material a ser lixiviado.
Costo del agente lixiviante y aspectos ambientales.
Acción corrosiva de los agentes lixiviantes y consecuentemente los materiales de construcción.
Selectividad para decidir el constituyente a ser lixiviado.
Habilidad de ser regenerado, por ejemplo en la lixiviación de zinc por ácido sulfúrico, el acido es regenerado durante la electrolisis.
En cuanto a la selectividad de un agente de lixiviación para un mineral en particular en una mena depende de:
Concentración del agente lixiviante:
En algunos casos, pequeños incrementos de la disolución del metal deseado se han llevado a cabo por incremento d la de la concentración del agente lixiviante; si el incremento en la concentración es excesivo puede ocurrir la disolución de otros elementos (indeseados), tal como se puede observar en la siguiente grafica.
R
e
c
u
p
e
r
a
ci
ó
n
concentración
MD/MI
Temperatura: Algunas veces un incremento en la
temperatura tiene un pequeño efecto sobre el incremento de la eficiencia de lixiviación del mineral deseado, pero también tiene un marcado efecto sobre el incremento del nivel de impurezas, en algunos casos es necesario enfriar el agente lixiviante para tener la temperatura óptima; este es el caso de la lixiviación de menas de cobre oxidado de Weed Height en Nevada, durante el verano, la solución de lixiviación es circulada sobre una torre de enfriamiento para mantener la solución a 29.5ºC, debido a que a mayores temperaturas se nota un marcado incremento de impurezas.
R
e
c
u
p
e
r
a
ci
ó
n
Temperatura
MD/MI
Tiempo de Contacto:
Un periodo de contacto grande entre el agente lixiviante y la mena, puede resultar en un incremento de impurezas en solución, como por ejemplo Fe, Al etc. Asimismo los costos de operación se incrementan en forma innecesaria, tal como se puede observar en la siguiente grafica:
Determinación de tiempo de Producción de lixiviación 2002
COMARSA
-10000
0
10000
20000
30000
40000
50000
-10 0 10 20 30 40 50 60 70
Dias de Proceso
Uti
lid
ad
Dia
/mo
du
lo (
US
$)
Los siguientes agentes lixiviantes son en comun usados:
Agua: El agua es usada para lixiviar calcinas como producto de la tostación Sulfatante, Clorurante etc., también en la lixiviación del Re2O7 de los polvos colectados en el tostado de la molibdenita, tal como se puede observar en las siguientes reacciones:
WO3 +H2O WO4= + 2H+
Re2O7 + H2O 2HReO4 (ácido perrhenico)
Sales en solución acuosa
Sulfato Férrico: Usado en la lixiviación de minerales sulfurados, tal como se puede observar de acuerdo a las siguientes reacciones:
CuS + Fe2(SO4)3 CuSO4 + 2FeSO4 + Sº
El sulfato ferroso generado puede ser oxidado por el O2 del aire a sulfato férrico pero a un pH <2.
Carbonato de Sodio: Usado para lixiviar menas de uranio, tal como se observa en la siguiente reacción:
UO2 +3 Na2CO3 + H2O + ½O2 Na4[UO2(CO3)3] + 2NaOH
Cloruro de Sodio: Usado para lixiviar Sulfato de Plomo (anglesita):
PbSO4 + 2NaCl Na2SO4 + PbCl2
PbCl2 + 2NaCl Na2[PbCl4]
Cianuro de sodio: Usado para lixiviar menas de oro y plata:
2Au + 4NaCN + O2 + 2H2O 2Na[Au(CN)2] + 2NaOH + H2O2
Sulfuro de Sodio: Se usa para lixiviar minerales sulfurado tales como la estibina, formando sulfuros solubles en agua:
Sb2S3 + 3Na2S 2Na3[SbS3]
Thiosulfato de Sodio: Usado par lixiviar cloruros de plata producidos por tostado clorurante de menas que lo contienen:
2AgCl + Na2S2O3 Ag2S2O3 + NaCl
Ag2S2O3 + 2Na2S2O3 Na4[Ag2(S2O3)]
Ácidos El ácido sulfúrico es el más importante agente de
lixiviación, las menas oxidadas de cobre y de zinc son fácilmente solubles en ácido sulfúrico diluido, por ejemplo:
CuCO3.Cu(OH)2 + 2H2SO4 2CuSO4 + CO2 + 3H2O
ZnO + H2SO4 ZnSO4 + H2O
Impurezas tal como el hierro oxidado son disueltos en pequeñas cantidades:
Fe2O3 + 3H2SO4 Fe2(SO4)3 + 3H2O
Bases El hidróxido de sodio es usado generalmente para
disolver aluminio de la bauxita
El Hidróxido de Amonio es disolvente de Cobre y Níquel.
La lixiviación con bases tiene las siguientes ventajas:
Los problemas de corrosión son mínimos.
Es adecuado para el tratamiento de menas con ganga calcárea.
Tiene mayor selectividad por la no disolución de óxidos de hierro.