CAPITULO III: LIXIVIACIN DE COBRE

2009

Introduccin

Es una etapa fundamental en el proceso, que involucra la disolucin del metal a recuperar desde una materia prima slida, en una solucin acuosa mediante la accin de agentes qumicos. Esta transferencia del metal hacia la fase acuosa, permite la separacin del metal contenida en la fase slida de sus acompaantes no solubles. En la hidrometalurgia del cobre dada su variedad de sustancias slidas que contienen cobre factibles de beneficiar por lixiviacin, complican la extensin de los fundamentos del sistema lixiviante (slido agente extractante mtodos).

Factores Tcnicos y Econmicos involucrados en un anlisis de un proyecto de lixiviacin. - ley de la especie de inters a recuperar - reservas de mineral - caracterizacin mineralgica y geolgica - comportamiento metalrgico - capacidad de procesamiento - costos de operacin y de capital - rentabilidad econmica, ...

Materia PrimaSegn origen: Fuentes primarias (menas desde yacimientos) Fuentes secundarias (desechos de procesos, chatarras metlicas, efluentes de plantas) Segn qumica: Cobre Metlico (cobre nativo, chatarras, productos cementacin, barros andicos) Cobre Oxidado (menas oxidadas, calcinas de tuestas, ndulos marinos polimetlicos) Cobre Sulfurados (menas sulfuradas, matas cuprferas, productos sulfurados)

Agentes LixiviantesLa seleccin depende de su disponibilidad, costo, estabilidad qumica, selectividad, producir, regenerar y que permita la recuperacin del cobre de la solucin acuosa en forma econmica. Se clasifican en: Acido inorgnicos (cido sulfrico, cido clorhdrico, cido ntrico) Bases (hidrxido de amonio) Agentes oxidantes (oxgeno, in frrico, in cprico) Agentes acomplejantes (amoniaco, sales de amonio, cianuros, carbonatos, cloruros)

Reacciones qumicas

Lixiviacin en agua CuSO4 = Cu+2+SO4-2 Lixiviacin cida CuO+2H+ = Cu+2+H2O Lixiviacin cida oxidante Cu2S+O2+4H+ = 2Cu+2+2H2O+S0 Lixiviacin cida oxidante acomplejante CuFeS2+CuCl2 = 4CuCl+FeCl2+2S0 Lixiviacin alcalina Lixiviacin alcalina acomplejante Lixiviacin alcalina oxidante - acomplejante

Cintica de lixiviacinb. c.

Aporta dos tipos de informacin importante para: Diseo de equipos y procesos Determinacin de mecanismos Los cuales son los factores que determinan la velocidad de un proceso y como puede ser manejable en la prctica, es un apoyo fundamental por varias causas: Los procesos hidrometalrgicos operan a temperatura ambiente o algo superior Las reacciones son de carcter heterogneoEL HECHO DE QUE UNA REACCION SEA TERMODINAMICAMENTE POSIBLE, NO ASEGURA SI LA REACCION VA A PASAR EN UNA ESCALA DE TIEMPO RAZONABLE

f.

g.

Mecanismo slido - lquidoEtapas consecutivas: Disolucin de reactantes gaseosos en la solucin acuosa Transporte de los reactantes disueltos hacia la interfase slido lquido Transporte de los reactantes a travs de una capa producto o ganga mineral hacia la superficie de reaccin (difusin: poros, slido) Reaccin qumica de los reactantes con el mineral Transporte los productos solubles a travs de la capa producto hacia la superficie slido lquido Transporte de los productos solubles hacia el seno de la solucin

ETAPAS DE UNA REACCIN

Esquema de una reaccin de lixiviacin con disolucin completa del mineral.

Factores que afectan la cintica

Temperatura Geometra, tamao, porosidad del slido Formacin producto slido o no Tipo de Control Naturaleza reaccin qumica Concentracin de los reactantes y productos solubles

Mtodos de la lixiviacin2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

La seleccin del mtodo depende de: Caractersticas fsicas y qumicas de la mena Caracterizacin mineralgica Ley de la mena Solubilidad del metal til en la fase acuosa La cintica de disolucin Magnitud de tratamiento Facilidad de operacin

Los mtodos ms caractersticos son: Lixiviacin de lechos fijos

Lixiviacin in situ Lixiviacin en bateas Lixiviacin botaderos Lixiviacin en pilas Lixiviacin en agitadores Lixiviacin en autoclaves

Lixiviacin de pulpas

MINERALMINERIA Y TRANSPORTE

Lixiviacion in situ Lixiviacion en Botaderos Lixiviacion en pilas Aglomeracin y Lixiviacion TL

CHANCADO

Lixiviacion por Percolacion

MOLIENDA HUMEDA

Lixiviacion por agitacin

Concentracion por Flotacion

Lavado y separacin Sol/liq

Lixiviacin y Separacin Sl/liq

Pretratamiento termico (Tuesta)

Lixiviacin y Separacin Sl/liq

SOLUCIONES RICAS PARA RECUPERACION DEL METAL

Lixiviacin in situ in place

La lixiviacin IN PLACE se refiere a la lixiviacin de residuos fragmentados dejados en minas abandonadas. La lixiviacin IN SITU se refiere a la aplicacin de soluciones directamente a un cuerpo mineralizado. Dependiendo de la zona a lixiviar, que puede ser subterrnea o superficial, se distinguen tres tipos de lixiviacin in situ: Tipo I: Se trata de la lixiviacin de cuerpos mineralizados fracturados situados cerca de la superficie, sobre el nivel de las aguas subterrneas. Puede aplicarse a minas en desuso, en que se haya utilizado el "block caving",o que se hayan fracturado hidrulicamente o con explosivos (IN PLACE LEACHING).

Tipo II: Son lixiviaciones IN SITU aplicadas a yacimientos situados a cierta profundidad bajo el nivel de aguas subterrnea, pero a menos de 300 - 500 m de profundidad. Estos depsitos se fracturan en el lugar y las soluciones se inyectan y se extraen por bombeo. Tipo III: Se aplica a depsitos profundos, situados a ms de 500 m bajo el nivel de aguas subterrneas

Lixiviacin In-Situ: La lixiviacin in-situ aplica soluciones directamente al mineral en el yacimiento.

Lixiviacin in situAhorros del proceso de lixiviacin in situ: Extraccin de las menas del yacimiento Transporte de material a la planta y desechos finales Construccin de la planta de lixiviacin Comparacin gastos y desventajas: Facturacin del yacimiento, para facilitar el contacto de la fase acuosa lixiviante con el mineral o incrementar la permeabilidad del lecho Estudio geolgico de la gnesis, hidrologa, enriquecimiento secundario y zona alteracin, permeabilidad del fondo y costados de la zona a lixiviar Construccin sistema aplicacin de soluciones y de recoleccin

Lixiviacin en bateasEsta tcnica consiste en contactar un lecho de mineral con una solucin acuosa que percola e inunda la batea o estanque. Los minerales a tratar por este mtodo deben presentar contenidos metlicos altos o muy altos, debiendo ser posible lixiviar el mineral en un perodo razonable (3 a 14 das) y en trozos de tamao medio con tonelajes suficientes de mineral percolable en el yacimiento que permitan amortizar la mayor inversin inicial que requiere este tipo de proceso

Lixiviacin en bateasVentajas y desventajas: Operacin flexible Soluciones ricas de alta concentracin Presenta alta eficiencia de lavado Requiere menor volumen de agua que la agitacin por TM de mena Existencias de reacciones laterales no deseables Mayores dificultades de automatizacin Costos apreciables de manejos de mena y ripios Mayor mano de obra para mantencin, reparacin e inspecciones Requiere de mayor superficie e infraestructura

Lixiviacin en botaderosEsta tcnica consiste en lixiviar lastres, desmontes o sobrecarga de minas de tajo abierto, los que debido a sus bajas leyes (por ej. < 0.4% Cu) no pueden ser tratados por mtodos convencionales. Este material, generalmente al tamao "run of mine" es depositado sobre superficies poco permeables y las soluciones percolan a travs del lecho por gravedad. Normalmente, son de grandes dimensiones, se requiere de poca inversin y es econmico de operar, pero la recuperacin es baja (por ej. 40-60 % Cu) y necesita tiempos excesivos para extraer todo el metal.

Lixiviacin en Botaderos: es el tratamiento de minerales de bajas leyes, conocidos como "estril mineralizado y/o ripios de lixiviacin.

Lixiviacin en botaderosNormalmente la lixiviacin en botaderos es una operacin de bajo rendimiento (pero tambin de bajo costo). Entre las diferentes razones para ello se puede mencionar : - Gran tamao de algunas rocas (> 1 m). - Baja penetracin de aire al interior del botadero. - Compactacin de la superficie por empleo de maquinaria pesada. - Baja permeabilidad del lecho y formacin de precipitados - Excesiva canalizacin de la solucin favorecida por la heterogeneidad de tamaos del material en el botadero.

Lixiviacin en pilasSe basa en la percolacin de la solucin lixiviante a travs de un mineral chancado y apilado, el que esta formando una pila sobre un terreno previamente impermeabilizado. La pila se riega por aspersin o goteo. Se aplica a minerales de alta ley debido a los costos de operacin y transporte. Existen dos tipos de pila segn su operacin. Pila Permanente (capas mltiples) Pila Renovable o Reutilizable

Configuracin de la Pila

Pila Unitaria: todo el material depositado pasa por todas las etapas del ciclo de lixiviacin, permitiendo una operacin ms simple y flexible. Pila Dinmica: coexisten materiales que estn en diversas etapas del ciclo de tratamiento.

CONFIGURACION NORMAL DE LIXIVIACION

MINA O FUENTE DE MINERAL

TRITURACION AGLOMERADO

STOCK

PILA AGOTADA

PILA EN LAVADO O DRENAJE

PILA EN OPERACION

PILA EN FORMACION

SX

Emergencia

PLS

Refino

Acido

3 gpl Cu Acido Debil

O,5 gpl Cu +/- 14 gpl H+

SX Primeros das+/- 6 gpl Cu

ltimos das

Piscina PLS

Piscina ILS

Piscina Refino

SX

Reciclaje de solucin de lixiviacin en contracorriente

CONTRUCCIN DE LAS PILAS

El diseo de las pilas debe tener en cuenta los siguientes factores : - La calidad del patio o base de apoyo (impermeable) - Las facilidades de riego y recoleccin o drenaje del efluente. - La estabilidad de la pila seca y saturada en agua - Los tanques (piscinas) de soluciones ricas y pobres - La forma de apilamiento o deposicin del material lixiviable (Compactacin, homogeneidad, etc.)

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

Generalmente, las membranas o lminas de impermeabilizacin del patio son geomembranas de origen sinttico (lminas de plstico : polietileno de alta densidad o PVC de 1 a 1.5 mm o polietileno de baja densidad de 0.2 a 0.3 mm de espesor) pero tambin pueden ser materiales arcillosos compactados sobre el propio terreno, hormign, asfalto, etc.. Se pueden disponer de membranas o sellados simples, dobles o triples, de acuerdo con el nmero de capas impermeables o membranas que se hayan utilizado.

Tcnicas de apilamiento del mineral Riego de la pilaEl riego de las pilas se puede realizar fundamentalmente por dos procedimientos : por aspersin o por distribucin de goteo, este ltimo siendo recomendable en caso de escasez de lquidos y bajas temperaturas (Fig 3.13 a y b). En la industria, se utiliza generalmente una tasa de riego del orden de 10 - 20 litros/h.m2. El riego tiene que ser homogneo.

Por aspersin

Por goteo

Variables del procesoLas principales variables son : La granulometra La altura de la pila La tasa de riego [l/h.m2] o [l/h.T] La concentracin en cido de la solucin de riego El tiempo de lixiviacin - Depende de la cintica (lix. qumica : 1 a 2 meses; lix. bacterial : 3 a 12 meses)

DISEO DE PILAS

DATOS: Capacidad de la planta : 48000 tonCu/ao = 4000 ton/mes= 133 ton/dia Ley de Mineral : 0,95% CuT ( 0,8% Cu soluble + 0,15% Cu insoluble) Fierro : 5%

Consumo de acido: 3,5 kgH+/kg Cu producido Recuperacion de la pila : 80% CuT en 2 meses ( de acuerdo a p.piloto) Granulometria : 100% < 3/8 Altura de pila : 5 m ( parametro de diseo) Densidad aparente del mineral de la pila : 1,45 ton/m3 (material chancado) Mineral de Mina : 9,5 kgCu/ TMS ( TMS: ton. Metrica seca)

Capacidad de la Planta de Chancado

Se recupera el 80% x 9,5 Kg Cu/ TMS = 7,6 kg Cu / TMS Entonces se tiene que procesar: (133000 kg Cu /dia ) / 7,6 kgCu/ TMS = 17500 TMS/dia Esquema A Botadero 17500 TMS/dia 0,95%Cu 17367 TM/dia Pila (Recup 80%) Ctodos 133 TM/dia

Superficie del Terreno

El ciclo de lix. De una pila de mineral es de 2 meses, entonces: El stock de Mineral en la planta es de 17500 TMS/dia x60 dias 1.050.000 TMS Si se considera pilas rectangulares (aproximacion) de 5m de altura, se puede almacenar: 1,45 TMS/m3 x 5m = 7,25 TMS/m2 La superficie de las pilas en funcionamiento es: 1.050.000 TMS/ (7,25 TMS/m2) = 144.827 m2 Pero todos los dias hay por lo menos una pila en carga, otra en descarga, entonces : 144.827 m2 x 110% = 159310 m2 Eso corresponde a un area de 400x400 m ; ; 200 x 800 m; etc.

Lixiviacin por agitacin

La lixiviacin por agitacin se utiliza en los minerales de leyes ms altas, cuando los minerales generan un alto contenido de finos en la etapa de chancado, o cuando el mineral deseado est tan bien diseminado que es necesario molerlo para liberar sus valores y exponerlos a la solucin lixiviante. Es tambin el tipo de tcnica que se emplea para lixiviar calcinas de tostacin y concentrados.

Lixiviacin por agitacin

La lixiviacin en reactores, es solo aplicable a material finamente molido, ya sean lamas, relaves, concentrados o calcinas de tostacin, y se realiza utilizando reactores agitados y aireados. Esta operacin permite tener un gran manejo y control del proceso de lixiviacin. Adems, la velocidad de extraccin del metal es mucho mayor que la lograda mediante el proceso de lixiviacin en pilas o en bateas. Es un proceso de mayor costo, ya que incluye los costos de la molienda del mineral.

Lixiviacin por agitacin

Sus ventajas comparativas con otros mtodos de lixiviacin son : Alta extraccin del elemento a recuperar Tiempos cortos de procesamiento (horas) Proceso continuo que permite una gran automatizacin Facilidad para tratar menas alteradas o generadoras de finos Sus desventajas son : Un mayor costo de inversin y operacin Necesita una etapa de molienda y una etapa de separacin slido-lquido (espesamiento y filtracin).

Variables del procesoGRANULOMETRIA: El tamao de partculas debe ser menor a 2mm (problemas de embancamiento), pero no deben tener exceso de finos (menos de 40% < 75 micrones) ya que dificultan la separacin slido-liquido. TIEMPO DE AGITACION: El tiempo necesario para una extraccin aceptable es muy importante para el proceso (velocidad de dilucin). MINERALOGIA DEL MINERAL: El tamao y la disposicin de la especie valiosa influye en el grado de molienda necesario para exponer esta especie a la solucin de lixiviacin.

Variables del procesoOTRAS VARIABLES: La lixiviacin se realiza a temperatura ambiente (o en autoclaves). El % slidos debe ser en la mayora de los casos lo mas alto posible para alcanzar una alta concentracin del ion metlico en la solucin de lixiviacin (20% y 50%) La velocidad de agitacin debe ser lo suficientemente alta para mantener los slidos en suspensin (para que no decanten).

Equipos de Lixiviacin por Agitacin

DATOS: Numero de estanques Capacidad % solidos Grado de molienda densidad real del mineral Tiempo de lixiviacion : : : : : : 8 15000 tpd = 625 tph 33,33% 100% < 60 mallas ASTM 2,8 g/cm3 = 2,8 ton/m3 24 hrs ( Determinado por curva lix)

Calculo de la cantidad de agua en la pulpa: 625 tph / ( 625 tph + agua) = 33,33% Despejando, agua = 1250 tph

Calculo del flujo de pulpa ( solido+ agua) Q = 625 tph + 2,8 t/m3 1250 tph 1 t/m3 = 1473 m3/h

Calculo del volumen de cada uno de los 8 estanques: V = tiempo * Q = 24 hrs * 1473 m3/hrs = 35352 m3

V = 35358 m3 / 8 = 4419 m3 V =( * d * h ) / 42

Volumen de estanque cilindrico:

8 estanques tales que h = 1,5d: d=3

4419 * 4 1,5

= 15

h = 15*1,5 = 22,5 m

LIXIVIACION DE MINERALES SULFURADOSMinerales Sulfurados: Especies minerales que adems de su contenido de azufre en forma de sulfuro ( valencia -2), tienen la particularidad de estar exentos de oxigeno en la especie mineralgica propiamente tal. Calcosina Covelina Bornita Calcopirita : Cu2S : CuS : Cu5FeS4 : CuFeS2 Pirita Argentita Blenda Galena : FeS2 : Ag2S : ZnS : PbS

En general, las especies minerales sulfuradas son insolubles en agua, aun a altas temperaturas, sin embargo, desde el punto de vista de su comportamiento frente a la dilucin, los minerales sulfurados pueden clasificarse entre los que se disuelven: a) En presencia de ambientes reductores: Generando H2S si se trata de un medio acido, o bien liberando el ion -2 sulfuro ( S ) si es ambiente alcalino. (sulfuro de sodio, cianuro de sodio) b) En presencia de Agentes Oxidantes : Generando Azufre elemental S el que si bien en condiciones neutras y alcalinas se oxida a sulfato ( SO4 -2 ), en condiciones acidas puede mantenerse estable como tal. (in frrico, cloro e hipoclorito, cido ntrico y nitratos, cido sulfrico concentrado, oxgeno)

Conceptos de la lixiviacin de sulfuroReactivos qumicos utilizados Bacterias del tipo bacillus oxidantes de azufre (Thiobacillus ferrooxidans, Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus thioparus, Sulfolobus, etc) Bacterias reductoras de azufre (Desulfovibrio desulfuricans, Gallionella) Bacterias oxidantes de fierro (Thiobacillus ferrooxidans, Sulfolobus, etc) Hongos Algas microscpicas Protozoos

Lixiviacin bacterialLa lixiviacin bacterial de minerales sulfurados envuelve el uso de microorganismos que ayudan en la extraccin del metal de valor. La disolucin de metales por accin de bacterias desde minerales escasamente solubles, puede ocurrir por dos mecanismos: Directo: Por el metabolismo del propio microorganismo. Indirecto: Por algn producto de su metabolismo

Es importante tener presente que el metal de inters puede o no estar necesariamente en la forma de sulfuro y, como ocurre en el caso del Oro, puede encontrarse encapsulado en especies sulfuradas o arsenicales ( pirita o arsenopirita). En estos dos casos, la accin bacteriana es requerida para lograr la oxidacin, aunque sea parcial, de los concentrados de flotacin de estos compuestos encapsulantes, para facilitar la posterior penetracin del reactivo del lixiviacin del oro (ejemplo: cianuro de sodio en medio alcalino).

La lixiviacin bacteriana de minerales es un fenmeno complejo al acoplar diversos elementos, algunos de los cuales son : Actividad oxidativa, crecimiento, adherencia y transporte de microorganismos. Reacciones de disolucin de minerales. Equilibrio inico y transporte de especies y oxigeno entre la fase lquida y el mineral. Reacciones de hidrlisis y precipitacin de compuestos complejos en solucin. Termoqumica de las reacciones del sistema y transferencia de calor. Movimiento del aire y de la solucin a travs del lecho.

Adems de los factores que influyen en la lixiviacin cida, las condiciones que afectan la cintica de la lixiviacin bacteriana son:

Aireacin: La accin bacteriana, en cuanto a las reacciones de lixiviacin de sulfuros, requiere de la presencia de una concentracin mxima de oxgeno. Adems por corresponder a un organismo auttrofo, requiere dixido de carbono como fuente de carbono para su metabolismo. Nutrientes: Para mantener la viabilidad de estos microorganismos, ellos necesitan energa y fuentes de elementos tales como: nitrgeno, fsforo, magnesio, azufre, fierro, etc. Temperatura: El rango de temperaturas de crecimiento de estos microorganismos va desde 2 hasta 40C, siendo el ptimo del orden de 28 a 35C dependiendo de la cepa bacteriana. pH: El rango de pH de crecimiento de estos microorganismos va desde 1,5 hasta 3,5, siendo el ptimo del orden de 2,3

ESQUEMA DE LA ESTRUCTURA CELULAR DE UNA BACTERIA DEL GENERO THIOBACILLUS

CITOPLASMA CON RIBOSOMAS Y ENZIMAS PROTO-NUCLEO CON DNA Y RNA PLSMIDOS

MESOSOMAS CON INCLUSIONES Y GRANULOS (FUNCIONES RESPIRATORIAS)

MEMBRANA CITOPLASMATICA

PARED CELULAR EXTERIOR

Clasificacin de las bacterias segn su rango de T para su desarrollo:

Mesfilas: Se desarrollan bien a T prximas al ambiente (20 a 35C), son las mas habituales en las lixiviaciones de minerales, sean en pilas, botaderos. Pertenecen a los gneros Thiobacillus y Leptospirillum. Moderadamente Termfilas: Su mejor comportamiento se da entre 45 a 60C, solo ocasionalmente se las encuentra en botaderos y lixiviacin insitu cuando las temperaturas han subido a causa de las reacciones exotrmicas de los sulfuros. Se usan principalmente en lixiviacin de concentrados en reactores con T controlada. Pertenecen al genero Sulfobacillus y Leptospirillum. Extramadamente Termfilas: Su rango de trabajo optimo est entre los 60 y 80C, raramente se dan en operaciones de lixiviacin natural. Pertenecen a los gneros Sulfolobus, Acidianus, Metallosphera y Sulfurococcus. Son muy exitosas en reactores de T controladas.

Algunas bacterias asociadas a la oxidacin de minerales sulfurados y rango de temperatura y acidez mas ventajosas para su desarrolloMICROORGANISMO Thiobacillus Ferrooxidans Thiobacillus thiooxidans Leptospirillum ferroxidans Sulfobacillus thermosulfidooxidans Sulfobacillus thermotolerans Leptospirillum thermoferrooxidans Sulfolobus acidocaldarius Acidianus archae Metallosphaera archae Crece por oxidacion de: o S2O32Fe 2+ S 2S + + + + + + + + + -/+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + Fuente de Carbono CO2 Levadura + + + + + + + + + + + + + + + Temperatura de Acidez C pH 20 a 35 20 a 35 30 45 a 60 45 a 60 45 a 60 60 a 80 60 a 80 60 a 80 60 a 80 1,5 a 2,5 1,5 a 2,5 1,2 a 2,0 3,0 3,0 3,0 3,0 2,5 2,5 2,5

Sulfurococcus archae + + + + + Nota: + seala que esa reaccin procede habitualmente en terminos positivos - indica que esa reaccin normalmente no ocurre

Ciclo de vida de una colonia de bacterias inoculadas en un medio de cultivo adecuado:

Etapa de acostumbramiento: Periodo inicial de crecimiento lento al nuevo medio (poca actividad bacteriana). Etapa de crecimiento exponencial: La bacteria se multiplica exponencialmente. En esta etapa se puede medir experimentalmente una importante caracterstica ( particular de cada bacteria) que es el periodo de duplicacin. Etapa estacionaria: Corresponde a la limitacin de la velocidad de solubilizacin o de crecimiento de la poblacin debido al agotamiento repentino de uno o mas de los nutrientes esenciales. Etapa de muerte: Disminucin de bacterias viables, decaimiento de actividad.

Representacin esquemtica de las 4 fases de un ciclo de existencia de una colonia de bacterias

Etapa de crecimiento exponencial Log (poblacin celular) Etapa estacionaria

Etapa de muerte

Etapa de acostumbramiento

tiempo