UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU

INGENIERIA DE SEGURIDAD INDUSTRIAL Y MINERA

CURSO:PROCESOS INDUSTRIALES EN MINERIA

ING. MIGUEL ORDOÑEZ PANIBRA

HIDROMETALURGIA DEL COBRE

Por hidrometalurgia se entiende los procesos de lixiviación selectiva ( disolución )de los componentes valiosos de las menas y su posterior recuperación de la solución por diferentes métodos. El nombre de hidrometalurgia se refiere al empleo generalizado de soluciones acuosas como agente de disolución.

La hidro-electrometalurgia comprende el conjunto de procesos de lixiviación y precipitación por medio de electrólisis, donde los procesos electroquímicos son precedidos por los procesos hidrometalúrgicos.

HIDROMETALURGIA DEL COBRE

Hay tres principales etapas de los procesos hidrometalúrgicos :

( 1 ) Disolución del componente deseado presente en la fase sólida.

( 2 ) Concentración y/o purificación de la solución obtenida.

( 3 ) Precipitación del metal deseado o sus compuestos.

ELECTROMETALURGIA

La ELECTROMETALURGIA consiste en la producción de depósitos metálicos mediante la aplicación de la ENERGIA ELECTRICA.

Se distingue : • La electrometalurgia en solución acuosa : Aplicada fundamentalmente a la producción de Cu, Zn,

Ni, Co, Pb, Ag, Au y otros metales menores (Cd, Cr, Mn, Ga, Ti, Te ).

• La electrometalurgia en sales fundidas : Aplicada principalmente a la producción de Al, Li, Mg, Na,

K y otros metales menores (Tierras raras, Ti, V, W, Zr, Th).

PROCESOS ELECTROMETALÚRGICOS

Según el tipo de depósito obtenido, se distinguen los siguientes

PROCESOS ELECTROMETALURGICOS :

1.-ELECTROOBTENCION (Electrowinning) de metales : Consiste en la extracción de metales a partir de soluciones, en forma de depósitos metálicos puros, densos y compactos o depósitos metálicos en polvo (pulvi-electrometalurgia) o bien, depósitos de compuestos metálicos (óxidos, hidróxidos o sales).

2.-ELECTROREFINACION (Electrorefining) de metales : Es la obtención de depósitos metálicos de alta pureza a partir de un metal impuro.

3.-GALVANOPLASTIA (Electroplating) : Es el recubrimientos metálicos delgados con fines anticorrosivos o estéticos (cromados).

4.-ELECTROCONFORMADO (Electroforming) : Es la elaboración de piezas metálicas especiales por vía electrolítica

ESQUEMA GENERAL

CELDAS DE ELECTRÓLISIS

Una celda de electrólisis está constituida por :

• LA CELDA MISMA : Es un recipiente que contiene el electrolito y los electrodos. En algunos casos, la celda puede ser constituida por dos mitades, conectadas entre sí por un puente salino.

• EL ELECTROLITO : Un medio acuoso, que contiene los iones del metal a depositar y otros iones que migran permitiendo el paso de la corriente entre los electrodos.

• EL ÁNODO : Material sólido conductor en cuya superficie se realiza un proceso de oxidación con liberación de electrones.

Ejemplo : Zn => Zn2+ + 2 e-

• EL CÁTODO : Electrodo sólido conductor en cuya superficie se realiza un proceso de reducción con los electrones provenientes del ánodo.

Ejemplo : Cu2+ + 2 e- => Cu

CELDAS DE ELECTRÓLISIS

CELDAS DE ELECTRÓLISIS

PROCESO ELECTROQUÍMICO

Se realiza simultáneamente dos reacciones denominadas anódicas y catódicas.

LA PRIMERA o REACCIÓN ANÓDICA, sucede una transformación química de oxidación y se liberan electrones.

LA SEGUNDA o REACCIÓN CATÓDICA involucra un proceso químico de reducción con participación de los electrones liberados en el ánodo y que viajan por

CONDUCTORES ELECTRÓNICOS (cables) que unen el cátodo con el ánodo.

En la solución, no hay desplazamiento de electrones, sino que los iones se desplazan en la solución.

Los aniones (-) van hacia el electrodo de carga positiva y Los cationes (+) hacia el electrodo de carga negativa. El

electrolito es un CONDUCTOR IONICO.

PROCESO ELECTROQUÍMICO

Pueden ser clasificados en dos tipos según sean espontáneos o no

1.-Los procesos espontáneos se denomina GALVÁNICA o PILA. Y suceden sin aporte de energía.

2.-Los no espontáneos se realizan por medio de la aplicación de corriente externa y se realizan en una celda llamada ELECTROLITICA.

Los procesos de electrodeposición de metales no son espontáneos y necesitan un aporte de energía eléctrica para ser forzados a ocurrir.

La FUENTE DE ENERGIA ELECTRICA debe proporcionar corriente

continua o directa (DC) a la celda, permitiendo el flujo forzado de

electrones entre el ánodo y el cátodo dónde son consumidos. En

forma simple, la fuente de energía actúa como bomba impulsora

de electrones que fluyen por los conductores y los electrodos.

REACCIÓN QUÍMICA

En la práctica, se acostumbra escribir una reacción química, bajo la forma :

aA + bB ⇔ cC + dD (1) En (1), a,b,c,d : Coeficientes estequiométricos A,B : Reactantes C,D : Productos El valor de la energía libre estándar de la

reacción (ΔG°) puede determinarse conociendo los potenciales químicos estándares o

las energías libres de formación de los reactantes y productos

REACCIÓN ELECTROQUÍMICA

Por lo general, una reacción electroquímica (o semi reacción), es decir en que participan además electrones, se escribe en el sentido de la reducción (captación de electrones) :

Ox. : Especie oxidante Red. : Especie reductora n : Número de electrones que

participan en la reacción

LIXIVIACIÓN

en minería el término lixiviación se define como un proceso hidro-metalúrgico. Esto significa que, con la ayuda del agua como medio de transporte, se usan químicos específicos para separar los minerales valiosos (y solubles en dichos líquidos) de los no valiosos. Este proceso permite trabajar yacimientos que suelen ser calificados de baja ley (y por tanto de más alto costo de producción por tonelada) siempre que la operación minera involucre una actividad a gran escala. Es decir, que la lixiviación es un proceso de recuperación que hará económico un proyecto conforme se trabajen mayores volúmenes de material.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 1. La preparación del material.

El material extraído de un yacimiento para su lixiviación inicia su camino de preparación con su fragmentación (chancado y molienda) para obtener dimensiones mucho más pequeñas de lo que antes eran grandes pedazos de rocas (el tamaño final puede alcanzar hasta un tamaño de 30 micras con el objeto de que el proceso de separación del mineral valioso sea más eficiente y rápido.

2. El transporte de material a la zona de lixiviación

Luego del chancado y molienda, el material debe ser llevado y dispuesto adecuadamente sobre el área de lixiviación. Por lo general las operaciones mineras usan para ello volquetes gigantes, aunque en algunos casos se realiza este trabajo mediante fajas transportadoras.

3. Formando pilas

Para el adecuado proceso, es necesario que el material molido sea acumulado sobre la membrana impermeable en montículos (pilas) de varias toneladas, formando columnas de ellos de manera ordenada.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO4.- Bañado o RiegoEs la aplicación en repetidas oportunidades y lentamente, a modo

de riego por goteo o aspersores, una solución especial sobre la superficie del material. Lo solución es la mezcla de químicos disueltos en agua, los cuales varían dependiendo del material que se este trabajando y los productos a obtener (oro, cobre, etc.).

La solución líquida tiene la propiedad de disolver el mineral y de esa manera fluir con el líquido hacia el sistema de drenaje

5. Almacenaje y recuperaciónla sustancia obtenida del proceso de riego es transportada hacia

pozas construidas y acondicionadas para almacenarlas en tanto se programe su

ingreso a la siguiente etapa del proceso (recuperación y concentración).

Cabe indicar que al igual que se recupera mineral valioso de la sustancia obtenida, se recupera también el agua involucrada en ella, la misma que se reutiliza en los siguientes procesos de lixiviación, buscando hacer un uso más eficiente de este recursos.

PRÁCTICA DE LA LIXIVIACIÓN

En general, la práctica industrial de la lixiviación presenta diferentes sistemas de operación que se seleccionan de acuerdo a factores técnicos y económicos en el análisis de un proyecto, algunos de los cuales son :

- ley de la especie de interés a recuperar- reservas de mineral- caracterización mineralógica y geológica- comportamiento metalúrgico- capacidad de procesamiento- costos de operación y de capital- rentabilidad económica, ...

RIEGO DE LA PILA

El riego de las pilas se puede realizar fundamentalmente por dos procedimientos :

por aspersión o por distribución de goteo, este último siendo recomendable en caso de escasez de líquidos y bajas temperaturas Fig 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 homogeneo

DISEÑO DE LAS PILAS

Datos Capacidad de la planta : 48000 tCu/año = 4000 tCu/mes =

133 tCu/día Ley del mineral : 0.95 % CuT (0.80% Cu soluble + 0.15% Cu insoluble) Fierro : 5% Consumo de ácido : 3.5 kg ácido/kg Cu producido Recuperación en la pila : 80% CuT en 2 meses (le da las

pruebas piloto) Granulometría : 100% < 3/8" Altura de la pila : 5 m (parámetro de diseño) Densidad aparente del mineral en la pila : 1.45 t/m3 (material

chancado)

Capacidad de la planta de chancado Se recupera 80% x 9.5 kg Cu/TMS =

7.6 kg Cu/TMS (TMS = Tonelada Métrica Seca).

Entonces, se tiene que procesar

Diagrama de flujo simplificado de una plantade lixiviación de cobre.

Superficie de terreno El ciclo de lixiviación de una pila de mineral es de 2 meses.

Entonces, el stock de mineral en la planta es de 17500 TMS/día x 60 días = 1.050.000 TMS.

Si se consideran pilas rectangulares (aproximación) de 5 metros de altura, se puede almacenar 1.45 TMS/m3 x 5 m = 7.25 TMS/m2.

La superficie de las pilas en funcionamiento es de

Pero todos los días, hay por lo menos una pila en carga, otra en descarga y se necesita espacio para el movimiento de las máquinas. La práctica indica que esos espacios ocupan un 10% de la superficie de las pilas en funcionamiento.

Se necesita entonces una superficie total de terreno de 144827 m2 x 110% = 159310 m2.

Eso corresponde a una área de 400 m x 400 m, o 200 m x 800 m, o 100 m x 1600 m.

PURIFICACIÓN Y CONCENTRACIÓN DE LA SOLUCIÓN

En un proceso de purificación o de concentración, siempre hay dos fases en contacto ( líquido - sólido o líquido - líquido).

Los procesos de purificación y/o concentración son muy variados

y dependen de : la naturaleza del elemento deseado las impurezas presentes en la solución el tipo de proceso de recuperación el grado de pureza deseado para el producto final Los procesos de purificación y/o concentración se pueden

dividir en varias categorías : Hidrólisis Cementación Precipitación de un compuesto específico Extracción por solventes Resinas de intercambio iónico

HIDROLISIS

Los procesos de hidrólisis se basan fundamentalmente en el mismo tipo de

reacción de precipitación de hidróxido, con la diferencia de que en la mayor parte

de los casos no se termina la reacción en un hidróxido sino en una sal básica, en

una sal doble o hasta en un óxido. Hematita La precipitación del hierro como hematita se

fundamenta en la siguiente reacción : 2 Fe3+ + 3 H2O => Fe2O3 + 6H+

CEMENTACIÓN

La cementación de un metal a partir de una solución, depende de una reacción de desplazamiento en la cual un metal menos noble reduce a los iones del metal por precipitar al estado metálico. Entonces, éste sale de la solución, y los iones del metal menos noble entran en la solución para substituirlos.

Por ejemplo : Cu2+ + Zn => Cu + Zn2+

EXTRACCIÓN POR SOLVENTES

El proceso de extracción por solventes, conocido en la hidrometalurgia del cobre también como SX (del inglés Solven Extracction)

consiste en la extracción selectiva del cobre contenido en las soluciones de lixiviación mediante un solvente orgánico, para luego transferirlo a una solución de sulfato de cobre pura y concentrada, denominada electrolito rico.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESOS SX

La planta SX recibe la solución rica generada en la etapa de lixiviación en pilas de

minerales de cobre. Esta solución se caracteriza por tener una baja concentraciónde cobre disuelto, junto con impurezas como el Fe, Cl, Al, Mn, Mg, Na

y otrosdisueltos durante el proceso (Figura 4.4).El objetivo del proceso SX es extraer selectivamente el cobre

contenido en estasolución rica impura, mediante intercambio iónico entre la fase

acuosa (soluciónrica) y el reactivo orgánico. Este reactivo es capaz de descargar el cobre en unaetapa posterior del proceso a una solución de alta pureza y

concentración decobre y ácido, formando un electrolito apto para ser electro

depositado en el sectorEW (Figura 4.5).

PROCESO SX - EW DE COBRE

EXTRACCIÓN (EXTRACTION)

La solución rica proveniente de las pilas es mezclada con la fase orgánica

(orgánico descargado), para extraer SELECTIVAMENTE el cobre obteniendo una

solución pobre en cobre, llamada refino, que es reciclada a la etapa de lixiviación

en pilas. Se obtiene en esta etapa una fase orgánica cargada, que es avanzada a

la siguiente etapa.

RE EXTRACCIÓN (STRIPPING)

El orgánico cargado se pone en contacto con electrolito pobre proveniente del proceso de electroobtención, de alta acidez (150-200 gpl H2SO4).

El cobre pasa de la fase orgánica a la fase acuosa, obteniéndose una fase orgánica descargada que se recicla a la etapa de extracción y un electrolito rico que avanza hacia la electroobtención. EN RESUMEN, LA EXTRACCIÓN POR SOLVENTES TRANSFIERE EL COBRE DESDE LA SOLUCIÓN RICA AL

ELECTROLITO, POR INTERMEDIO DE LA FASE ORGÁNICA.

LIXIVIACIÓN - EXTRACCIÓN POR SOLVENTES - ELECTROOBTENCIÓN DE CU.

PROCESO ELECTROQUÍMICO Un proceso de naturaleza electro-química se

caracteriza por presentar la realización simultánea de dos reacciones denominadas anódicas y catódicas.

En la primera sucede una transformación química de oxidación y se liberan electrones. La reacción catódica involucra un proceso químico de reducción con participación de los electrones liberados en el ánodo y que viajan por CONDUCTORES ELECTRÓNICOS (cables) que unen el cátodo con el ánodo.

En la solución, no hay desplazamiento de electrones, sino que los iones se desplazan en la solución. Los aniones (-) van hacia el electrodo de carga positiva y los cationes (+) hacia el electrodo de carga negativa.

El electrolito es un CONDUCTOR IONICO.

ELECTRO OBTENCIÓN DE COBRE

El proceso de electro obtención de cobre consiste básicamente en la transformación electroquímica del cobre disuelto en un electrolito en cobre metálico depositado en un cátodo, mediante la utilización de energía eléctrica proveniente de una fuente externa. El cobre iónico (Cu2+) del electrolito es depositado selectivamente sobre la superficie del cátodo y a la vez se descompone agua en oxigeno y ácido sulfúrico en la superficie de ánodos insolubles de plomo.

Este proceso electrolítico y las reacciones involucradas se presentan esquemáticamente en la figura 5.13 . Dado que el cobre es más bien un metal noble ( E° = 0.34 V), el proceso de electro obtención es relativamente simple y puede ser realizado sin peligro de desprendimiento de hidrogeno ( E° = 0V).

PROCESO DE ELECTROOBTENCIÓN DE COBRE.

ELECTRO REFINACIÓN DE COBRE Los ánodos se moldean en la fundición y

son de cobre impuro (99.4 a 99.8 % Cu) y los cátodos son láminas de cobre puro (99.98 % Cu) u de acero inoxidable sobre el cual se va a depositar el cobre puro.

REACCION ANODICA : Cu => Cu2+ + 2e- E° = 0.34 V

(Disolución de cobre) REACCION CATODICA : Cu2+ + 2e- => Cu E° =

0.34V (Precipitación de cobre) REACCION DE CELDA O GLOBAL : Cu => Cu ΔE =

0 V

ELECTRO REFINACIÓN DE COBRE

Resultados del proceso electrolítico :* Depositación de cobre puro en el cátodo* Disolución de cobre impuro en el ánodo* El electrolito se enriquece en impurezas y en cobre* Se produce un barro anódico, rico en Au y Ag El electrolito es una solución ácida de sulfato de

cobre que contiene entre 40 y 50 g/l de Cu2+ y 180 a 200 g/l de H2SO4. La temperatura de trabajo es del orden de

60 °C y la densidad de corriente varia entre 180 y 250 A/m2.