lixiviacion bacteriana de cobre
TRANSCRIPT
11
LIXIVIACION BACTERIANA DE COBRE LIXIVIACION BACTERIANA DE COBRE
Dr. Patricio Navarro DonosoDr. Patricio Navarro Donoso
22
CAPITULO 1. INTRODUCCION
La hidrometalurgia se desarrolla en general en tres etapas sucesivas:
La primera etapa es conocida como “lixiviación” y consiste en la disolución selectiva de los metales en una solución acuosa, desde los minerales que los contienen.
En la segunda etapa se realiza la “purificación y/o concentración” de la solución en los metales que se busca recuperar. Extracción por solvente en el caso del cobre.
33
En la tercera etapa se recuperan selectivamente las especies metálicas disueltas en el medio acuoso generado. En el caso del cobre a través de electroobtención.
44
55
ANALISIS TERMODINAMICO Y CINETICO DE DISOLUCION DE MINERALES DE COBRE Y POLIMETALICOS EN MEDIO ACIDO.
Los minerales de cobre se pueden encontrar en la naturaleza como óxidos de cobre o como sulfuros de cobre, siendo esta mineralogía importantísima en la respuesta metalúrgica del sistema.Entre las especies oxidadas que se encuentran más recurrentemente son:
Malaquita : Cu2(OH)2CO3
Azurita : Cu3(OH)2(CO3)2 Cuprita : Cu2O
66
Tenorita:
Antlerita :
Brochantita :
Chalcantita :
Atacamita :
Crisocola :
CuOCuO
442 )( SOOHCu 442 )( SOOHCu
464 )( SOOHCu 464 )( SOOHCu
OHCuSO 24 5 OHCuSO 24 5
264 )( ClOHCu 264 )( ClOHCu
OHCuSiO 23 2 OHCuSiO 23 2
77
Óxidos:
Disolución de la Malaquita:
Disolución de la Azurita:
OHCOCuSOSOHCOOHCu 22442322 322)( OHCOCuSOSOHCOOHCu 22442322 322)(
OHCOCuSOSOHCOOHCu 224422323 4233)()( OHCOCuSOSOHCOOHCu 224422323 4233)()(
88
Disolución de la Cuprita:
OHCuSOSOHOOCu 244222 2222/1 OHCuSOSOHOOCu 244222 2222/1 Disolución de Tenorita:
Disolución de la Atacamita:
•Disolución de la Crisocola:
OHCuSOSOHCuO 2442 OHCuSOSOHCuO 2442
OHCuClCuSOSOHClOHCu 22442264 633)( OHCuClCuSOSOHClOHCu 22442264 633)(
OHnOnHSiOCuSOSOHOHCuSiO 22244223 )3(2 OHnOnHSiOCuSOSOHOHCuSiO 22244223 )3(2
99
Entre las especies sulfuradas que se encuentran más abundantemente se destacan:
Calcopirita :
Bornita :
Calcosina :
Covelina :
2CuFeS2CuFeS
45FeSCu 45FeSCu
SCu2SCu2
CuSCuS
1010
Sulfuros
Disolución de la Calcopirita
Disolución de Covelina:
0443422 25)(2 SFeSOCuSOSOFeCuFeS
0443422 25)(2 SFeSOCuSOSOFeCuFeS
044342 2)( SFeSOCuSOSOFeCuS
044342 2)( SFeSOCuSOSOFeCuS
1111
En general los minerales oxidados de cobre contienen importantes cantidades de carbonatos o de ganga de elevado consumo de ácido. Muchas veces este factor tiene una fuerte implicancia en los costos operacionales del proceso de lixiviación.
Industrialmente el consumo de ácido en lixiviación de minerales oxidados fluctúa entre 30 a 60 Kgs. de ácido por tonelada de mineral tratado, siendo la ganga la culpable de este elevado consumo.
1212
QUIMICA Y MECANISMOS DE LA LIXIVIACION DE MINERALES SULFURADOS DE COBRE EN MEDIO Fe+3/H2SO4
Los minerales sulfurados de cobre requieren la presencia de un agente oxidante y condiciones de pH, para efectuar su disolución. Las reacciones son de óxido-reducción.
Como agente oxidante es posible usar ión férrico y/o oxígeno, y la acidez es necesaria para mantener el hierro en solución.
1313
En el tratamiento de minerales mixtos, la presencia del agente oxidante está dada por los iones férricos, generados en el mismo proceso.
Las soluciones que contienen estos iones son agentes oxidantes enérgicos con un potencial de oxidación de aproximadamente 0,5 – 0,7V.
1414
Diagrama Eh vs pH para el sistema Cu-S-O-H2O, a
25ºC, en el que se muestran las fases
estables de los sulfuros de cobre.
1515
Sistema Cu-Fe-S-O-H a 25ºC y 1 atmósfera de presión total. Sulfuro disuelto 10-4 m.
1616
1717
1818
Diagrama E-pH, para el sistema S-H2O a 25ºC y P= 1atm.
1919
Diagrama Pourbaix Cu-Fe-S-H2O.
2020
Sobre la base de lo anterior puede señalarse que cuando un mineral sulfurado de cobre está en contacto con soluciones aciduladas que contienen iones férricos, termodinámicamente cabe esperar la disolución del cobre como Cu++, en conjunto con iones Fe++ y sulfato o bisulfato. Estos últimos, productos de la oxidación del azufre asociado a la especie sulfurada en cuestión. Es decir, cabe esperar las siguientes reacciones de lixiviación.
MS + 8Fe3+ +4H2O = M2+ + SO42- + 8H+ + 8Fe2+
MS + 8Fe3+ +4H2O = M2+ + HSO4- + 7H+ + 8Fe2+
2121
La evidencia experimental, sin embargo, señala que la reacción de lixiviación produce S elemental y muy poca cantidad de sulfato o bisulfato, de acuerdo a la siguiente reacción:
MS + 2Fe3+ = M2+ + 2Fe2+ + S
2222
Las reacciones siguientes, que representan la oxidación del S a SO4
= ó HSO4-, y en la
práctica no ocurren, están dadas por las siguientes semireacciones:
S + 4H2O = HSO4- + 7H+ + 6e-
S + 4H2O = SO42- + 8H+ + 6e-
2323
Ello significa, que en un sistema compuesto por soluciones aciduladas, iones férricos como oxidantes y el mineral sulfurado de cobre, se obtendrá al término de la lixiviación: iones cúpricos, iones ferrosos y azufre elemental.
El azufre elemental aparece como una fase meta-estable y será uno de los elementos que contribuyen a la problemática de tipo cinético de estos minerales.
2424
COMPORTAMIENTO DEL FIERRO EN SOLUCIÓN
El comportamiento del fierro es tan importante en la lixiviación con soluciones ácidas, porque por un lado, es determinante del Eh de la solución, a través de la relación
se obtiene la expresión del potencial en función de la concentración de ambos iones:
Es decir, con una pequeña variación de la relación entre las concentraciones de ión férrico y ión ferroso, se produce una inmediata y fuerte variación del potencial de la solución que los contiene.
eFeFe 32 eFeFe 32
23 /log059.076.0 FeFeEh 23 /log059.076.0 FeFeEh
2525
Por otra parte, la presencia del ión Fe3+ es esencial como oxidante para la disolución de los sulfuros. Por ejemplo, para la oxidación de la calcopirita se tiene:
SFeCuFeCuFeS 254 2232 SFeCuFeCuFeS 254 223
2
2626
De igual modo, para la covelina se tiene:
Los yacimientos porfídicos de cobre sulfurado contienen entre un 2% y un 6% de fierro. En los yacimientos muy oxidados, el fierro está presente, principalmente en su estado ferroso
Súlfuros: pirita, calcopirita, bornita.Óxidos: magnetita (Fe3O4)
SFeCuFeCuS 223 22 SFeCuFeCuS 223 22
2727
La disolución de los silicatos mencionados ( y también la de los sulfuros) libera ión ferroso en la solución. Esto, a su vez, conduce a una menor relación férrico/ferroso y con ello, a un menor valor del Eh. Si la disolución de los silicatos de hierro es suficientemente rápida, el Eh puede disminuir hasta el campo de predominio de la calcosina en el diagrama Eh/pH para el sistema Cu-S-H2O. Con esto la disolución de los sulfuros de cobre se detiene, e incluso pueden re-precipitarse especies como cobre nativo o cuprita.
2828
Las reacciones globales por las cuales se disuelven los minerales sulfurados de cobre más importantes en medio sulfato férrico acidulado son las siguientes:
Calcopirita:
Calcosita:
Bornita:
Covelita:
SFeCuFeCuFeS 2542 SFeCuFeCuFeS 2542
SFeCuFeSCu 424 32
SFeCuFeSCu 424 32
oSFeCuFeFeSCu 413512 345
oSFeCuFeFeSCu 413512 345
oSFeCuFeCuS 22 3oSFeCuFeCuS 22 3
2929
LIXIVIACION DE MINERALES SULFURADOS DE COBRE
3030
INFLUENCIA DE LAS ESPECIES MINERALOGICAS DE COBRE EN LA VELOCIDAD DE LIXIVIACIÓN.
De acuerdo con lo visto en la sección precedente, es fácil deducir que las diferentes especies mineralógicas se comportarán también en forma diferente con respecto a la lixiviación, entendida ésta como proceso de tratamiento económico de dichos minerales.
3131
Velocidades de Reacción de Especies Puras
a) Cinética muy rápida: en la categoría de cinética
muy rápida se encontrará a los sulfatos de cobre,
cloruros y carbonatos. Todos ellos se disuelven con
muy poca acidez y a temperatura ambiente. Los
sulfatos son solubles en agua sola; los cloruros
liberan el metal y el cloro con facilidad; los
carbonatos reaccionan con violencia, liberando el
cobre y CO2 gaseoso.
3232
b) Cinética rápida: en la siguiente categoría, de cinética rápida, están los silicatos de cobre y los óxidos que contienen Cu2+ , Fe3+ y Mn4+. Para disolverse requieren de una cierta acidez, mayor que en el caso anterior. En la naturaleza, estas especies se presentan en general como pátinas y en fracturas, por lo que muestran una gran superficie expuesta; a su vez, la crisocola es de estructura fibrosa y porosa, lo que facilita el acceso de las soluciones; en general la disolución comprende la ruptura del relativamente débil enlace Cu-O, ya que es sabido que la facilidad de disolución de un silicato está directamente determinado por la solubilidad de su óxido principal.
3333
c) Cinética moderada: en la categoría de cinética moderada se encuentran el cobre nativo y los óxidos “reducidos”, es decir, que contienen el cobre y el hierro en los estados cuproso Cu+1 y ferroso Fe2+, respectivamente. Para disolverse requieren de un oxidante y son sensibles a la agitación, a la temperatura y a la oxigenación. Si bien estas especies también tienden a ocurrir en fracturas, presentan el inconveniente de requerir un cambio de valencia o sea deben entregar un electrón adicional pasando al estado cúprico y/o férrico para poder disolverse, y es sabido que la transferencia de electrones constituye siempre un paso cinético adicional y por consiguiente, más bien retardante.
3434
d) Cinética lenta: en la siguiente categoría de cinética lenta están los sulfuros simples de cobre. La lentitud de este grupo se explica ya que aquí se requiere oxidar el azufre desde el estado sulfuro S2- a sulfato S6+, es decir, implica la remoción de 8 electrones. A ello se puede agregar la remoción de uno o más electrones adicionales si el cobre está en su forma cuprosa. En síntesis, para disolverse requieren de un oxidante.
3535
e) Cinética muy lenta: en la categoría de cinética muy lenta se encuentran los sulfuros dobles de cobre y hierro, y de cobre y arsénico. Por ejemplo, en el caso de la calcopirita se requiere oxidar el cuproso a cúprico y el sulfuro a sulfato, lo que totaliza la transferencia de 17 electrones. En este caso no sólo se requiere de un oxidante, sino que también es frecuente que la disolución sea incompleta y se detenga después de alcanzar un cierto nivel.
3636
3737
IMPORTANCIA DE LAS ESPECIES DE LA GANGA EN LA LIXIVIACIÓN.
De acuerdo con lo visto hasta aquí, cuando se lixivian en ambiente de ácido sulfúrico los minerales de cobre, sean éstos oxidados o sulfurados, la velocidad y la cantidad de cobre disuelto, depende: de las condiciones del sistema (tipos de minerales de cobre), tamaño de partículas, potencial y pH de la solución lixiviante, además de la ganga presente.
3838
Se distinguen así los “micro-ambientes” que ocurren en el interior de un trozo de roca, con el paso de la solución a través de una ganga porosa para alcanzar un grano mineralizado ocluido. A medida que avanza la solución, ésta puede ver totalmente alteradas sus condiciones originales e incluso inhibirse y/o detenerse totalmente su capacidad químicamente lixiviadora expresada en término de su Eh y pH por ejemplo, acusa de un cambio de pH por hidrólisis u otra reacción con constituyentes del mineral. También puede ocurrir la detención completa de la reacción por razones físicas, produciéndose un bloqueo irreversible de su avance, como ocurriría al precipitar un producto de hidrólisis de carácter insoluble como la jarosita o la goetita que detenga el avance de la solución.
3939
A su vez, están también los “macro-ambientes”,que incluyen numerosos trozos de roca, que pueden reaccionar causando la formación de “bolsones ciegos”, a donde las soluciones no pueden acceder, sustrayéndose así del proceso de lixiviación un volumen que puede llegar a ser en algunos casos muy importante. El fenómeno descrito puede tener un origen tanto de tipo químico (reacciones y productos de hidrólisis), como de tipo físico (desplazamiento de finos, efecto “paraguas” de una roca más grande o hidratación de arcillas plásticas), o bien mixto (físico y químico a la vez).
4040
-Una de las principales especies presentes en la ganga de los yacimientos de cobre pueden ser, los silicatos.
-Los sulfatos, típicamente representados por el yeso (CaSO4*2H2O) y la anhidrita (CaSO4)
-Los carbonatos, como, por ejemplo, la calcita (CaCO3)
-Los óxidos e hidróxidos de fierro, entre los cuales destacan: la magnetita (Fe3O4), la hematita(Fe2O3), la limonita (FeO(OH)*nH2O) y la goetita (FeO(OH)).
-Sulfuros de hierro en polimetálicos como pirita FeS2.
4141
OXIDACIÓN DEL FIERRO EN LA DISOLUCIÓN DE MINERALES SULFURADOS
Ahora bien, en la práctica, la oxidación de los minerales sulfurados ocurre a través de uno de los siguientes tres mecanismos: 1) la aplicación directa de oxígeno, 2) mediante iones férrico, y 3) a través de la acción de bacterias.
4242
1. La disolución de súlfuros, representados por la pirita, por la acción directa del oxígeno, procede de acuerdo a la reacción global:
FeS2 +7/2O2 + H2O = Fe2+ + 2H+ + 2SO42-
Las velocidades para esta reacción, medidas en laboratorio, han variado entre 1.1 x 10-10 y 5.3 x 10-10 moles por metro cuadrado y por segundo.
4343
2. La disolución de sulfuros , representados por la pirita, por la acción de iones férrico disueltos en solución, procede de acuerdo a la reacción global balanceada:
FeS2 + 14 Fe3+ + 8H2O = 15Fe2+ + 16H+ + 2SO42-
4444
3.Resulta muy razonable considerar a las bacterias que catalizan la oxidación de iones ferroso a férrico como las verdaderas responsables de dicha disolución, aún cuando el mecanismo de las reacciones precisas mediante las cuales las bacterias actúan, continúa siendo debatido a nivel académico, por ejemplo, si es que su actuación principal se da en forma directa por intercambio de electrones sobre el sulfuro, estando adheridas a la superficie de los minerales, o bien, mediante una acción indirecta por producción de iones férrico.
4545
METODOS DE LIXIVIACIÓN
Los principales métodos de lixiviación de minerales y/o concentrados son:
Lixiviación en Pilas Lixiviación en BotaderosLixiviación por Agitación
4646
LÍXIVIACIÓN EN BOTADEROS
La lixiviación en botaderos ( o dump leaching) consiste en el tratamiento de minerales sulfurados de muy bajas leyes normalmente debajo de la ley de corte económica para la planta principal conocidos como “ésteril mineralizado”. Alcanzan alturas de 100 metros o más y el sustrato basal no siempre es el más adecuado para recoger soluciones , sin embargo, éstas continúan aplicándose en la parte superior y colectándose en una laguna de intersección en la roca impermeable más próxima.
4747
En ocasiones, se trata también de ripios de lixiviaciones antiguas, cuyas leyes pasan a ser interesantes al cabo de un cierto número de años. De igual manera, en los yacimientos actuales, el material mineralizado marginal se carga con camiones y bulldozer en botaderos nuevos, o sobre los antiguos formando capas de entre 5 y 10 metros.
4848
Luego de lixiviar una capa, ésta normalmente se “ripea” usando el escariador de un bulldozer, antes de colocar una nueva capa encima. Cuando el terreno no es adecuado para colectar las soluciones, debe hacerse una preparación previa del sustrato colector usando membranas de material plástico, del tipo polietileno de alta densidad (HDPE), de baja densidad (LPDE) o de cloruro de polivinilo (PVC)
4949
Las soluciones se riegan sobre la superficie usando sistemas de distribución con goteros o aspersores, según las condiciones de evaporación del lugar y la abundancia de agua de la que se dispone. La recolección es por gravedad en la laguna o piscina antes mencionada. Estas operaciones se caracterizan por tener ciclos muy largos (generalmente superiores a un año ), por proporcionar bajas recuperaciones (entre 40 y 60% en el mejor de los casos ) y por contar con los costos de operación más bajos del mercado.
5050
PRINCIPALES CARACTERISTICAS DE LA LIXIVIACIÓN EN BOTADEROS
Las características más importantes son:
Tipo de mineral.
baja ley, siendo minerales sulfurados o en algunos casos mixtos. Las leyes fluctúan entre 0,2 a 0,4%. El contenido de sulfuro normalmente esta sobre 80% del cobre total.
5151
Tamaño de Partícula. El tamaño de partícula en muchos casos es el de salida de la voladura de mina o al menos una sola etapa de chancado.
Ciclos de Lixiviación.Los ciclos de lixiviación pueden ir desde 6 meses hasta valores superiores a 18 meses. Estos tiempos dependen de las especies mineralógicas presentes.
5252
En presencia calcosina y covelina los ciclos de lixiviación pueden alcanzar hasta 4 a 8 meses. Con presencia de calcopirita y bornita los tiempos son más prolongados, pudiendo alcanzar tiempos de 12 a 18 meses.
Recuperación de Cobre.En presencia de covelina y calcosina se pueden alcanzar recuperaciones del orden de 60 a 70%. Cuando se tiene calcopirita y/o bornita las recuperaciones que se logran no superan valores de 30 a 50%.
Concentración de cobre en PLS.Las concentraciones de cobre se mueven en el rango de 1,5 a 2,5 gr/lt.
5353
PILAS DE LIXIVIACIÓN-TIPOS DE PILA DE LIXIVIACIÓN
PILAS DE LIXIVIACIÓN-TIPOS DE PILA DE LIXIVIACIÓN
Existen básicamente 2 tipos de pilas de lixiviación:
Pila permanente: el mineral es depositado en una pila desde la cual no se retira el ripio una vez completada a lixiviación. Generalmente este método es utilizado cuando la planta se encuentra en sectores montañosos y se quiere minizar el costo por este factor.
Pila renovable: (piso reutilizable), en la cual se retira el ripio al final de la lixiviación para reemplazarlo por mena fresca. En este caso el costo de preparación de terreno es menor y se tiene disponibilidad de superficie. Las leyes de los minerales son mayores.
5454
La decisión de acerca de cual pila utilizar va a depender de las condiciones del mineral a lixiviar, además de una evaluación económica y de disponibilidad de superficie.
Se recomienda utilizar pilas permanentes en los siguientes casos:
- Mineral de muy baja ley.
- Cinética de lixiviación lenta.
- Minerales de baja recuperación.
- Necesidad de bajos costos operacionales.
- Pilas altas.
5555
Las pilas renovables, se recomienda utilizarlas cuando se tiene:
- Alta recuperación (especialmente óxidos)
- Cinética de lixiviación rápida.
- Mineral de ley alta.
- Pilas bajas.
5656
La decisión sobre si el sistema de riego usará aspersores o goteros está condicionada por varios factores, los principales son:
- La disponibilidad de agua: Si ella es escasa orienta a preferir goteros que generan pérdidas moderadas de evaporación.
- La necesidad de conservar temperatura de soluciones también orienta a favor del uso de goteros, incluso considerándose instalaciones tapadas con láminas plásticas y líneas enterradas.
SISTEMA DE RIEGOSISTEMA DE RIEGO
5757
- La decisión de regar taludes orienta a favor de goteros.
-Soluciones muy impuras y con peligro de precipitación de sales orientan a favor de aspersores.
- La necesidad de desplazar frecuentemente del sistema de riego sugiere el uso de líneas de tuberías con aspersores.
5858
Las condiciones ambientales:Las condiciones ambientales:
- Vientos excesivos orientan a favor de goteros.Vientos excesivos orientan a favor de goteros.
-- El riego en altura con peligro de congelamiento, El riego en altura con peligro de congelamiento, orienta orienta preferencias en favor de goteros; en preferencias en favor de goteros; en casos casos extremos, extremos, incluso a favor de incluso a favor de goteros enterrados en el goteros enterrados en el mineral.mineral.
5959
POR GOTEOPOR GOTEO POR GOTEOPOR GOTEO
- Si el agua es Si el agua es deficitaria.deficitaria.
- Si el pH de trabajo no permite precipitación de las Si el pH de trabajo no permite precipitación de las durezas del aguadurezas del agua..
- Peligro de congelamiento en la alta cordilleraPeligro de congelamiento en la alta cordillera o zonas o zonas de altura.de altura.
- Régimen de viento fuerte y permanenteRégimen de viento fuerte y permanente..
6060
6161
- El agua no es un factor limitanteEl agua no es un factor limitante- Condiciones climáticas favorables Condiciones climáticas favorables - Régimen de viento moderadoRégimen de viento moderado- Cuando no se requiere una buena Cuando no se requiere una buena
oxigenación de la solución.oxigenación de la solución.
POR ASPERSORESPOR ASPERSORESPOR ASPERSORESPOR ASPERSORES
6262
6363
El costo de instalación resultante es relativamente similar para ambos tipos de emisores. Dado que el riego con goteros tiende a generar costras salinas en la pila muy particularmente con los sistemas de riego pulsante, resulta conveniente combinar ambos sistemas, con algunas líneas reubicables de aspersores para lavar ocasionalmente las superficies y regularizar el riego.
6464
-Altura del Botadero.
-Tamaño de Partícula.
-Flujo Especifico.
-Tipo de Regadío.
-Concentración de Ácido
-Temperatura y aireación del botadero.
5.- ANALISIS DE PARAMETROS OPERACIONALES DE LIXIVIACIÓN
5.- ANALISIS DE PARAMETROS OPERACIONALES DE LIXIVIACIÓN
6565
ANÁLISIS DE PARÁMETROS OPERACIONALES
i) Tamaño de partículas: en este caso se tiene un amplio rango de variación, dependiendo del método de lixiviación que se aplique.
Botaderos tal como sale de la mina “run-of-mine” ROM.Pilas, chancado desde secundario a 100% -2“ hasta terciario a 100% - ¼”, según la porosidad de la roca.
6666
ii) Aglomeración y curado: Lo que normalmente se varía son las dosificaciones de agua y de ácido, dependiendo del tipo de minerales que se trate. Así, en el caso de minerales de cobre oxidados, cerca del 70 a 90% del ácido consumido en la planta se agrega durante el curado.
6767
En el caso de los minerales sulfurados, las cantidades de ácido son menores, no superando los 5 a 10 kg/ton, que constituye casi el 100% del consumo global del proceso. En las lixiviaciones de botaderos , el curado se realiza en realidad más bien como un preacondicionamiento empapando el mineral al inicio con soluciones concentradas en ácido de unos 100-200 g/l y dejándolo reposar a continuación. Para minerales sulfurados y mixtos se ha visto la conveniencia de incluir en el curado entre 5 y 15 g/l de ion férrico.
6868
iii) Altura del lecho de mineral: está determinada por la permeabilidad (líquida, en el caso de los oxidados, y también gaseosa en el caso de los sulfuros, debido a la necesidad de la presencia de oxígeno) del mineral, la ley de cabeza, el residual de ácido en las soluciones que alcanzan las capas inferiores de la pila y la cinética global de extracción.
6969
La presencia de arcillas, exceso de finos, y la formación de precipitados (por hidrólisis, por ejemplo)pueden disminuir la permeabilidad, resultando en canalizaciones de flujo preferencial y eventual acumulación de soluciones en la superficie, restringiendo el acceso uniforme de aire y de ácido. Las reacciones consumidoras de oxígeno (lixiviación de sulfuros) se ven afectadas inmediatamente por estas anomalías en la permeabilidad.
7070
En general la tendencia es a no superar los 8 metros por cada nueva capa, incluso en las lixiviaciones de botadero, donde se ha comprobado el beneficio que presentan las capas más delgadas.
7171
iv) Flujo específico de soluciones: las tasas de riego varían entre 5 y 30 l/h/m2 , dependiendo del tipo de lixiviación, tamaño de partícula y altura de la pila. Generalmente se optimiza la combinación flujo especifico altura de pila, de forma de no diluir demasiado las soluciones ricas que van a recuperación.
7272
v) Ciclo de lixiviación: aquí también se presentan numerosas situaciones, ya que para minerales oxidados en pilas se usan entre 30 y 60 días, pero si es en botadero lo habitual es que se extiendan por un año o más. Para minerales sulfurados depende más aún de la granulometría y de la mineralogía.
7373
vi) Consumo de ácido: el consumo depende del tipo de mineral y de la ganga. Los oxidados tienden a reaccionar mucho más rápido con el ácido y dependiendo del tipo de ganga, ésta también sigue, en general, el mismo patrón. Es decir, para minerales oxidados, normalmente se tiene también una ganga más reactiva y el consumo suele alcanzar entre 20 y 60 kg/ton.
7474
En el caso de los súlfuros hay que tener presente que parte del ácido se regenera por causa de los oxidación del azufre catalizada por bacteria y, si hay excesos de piritas, puede incluso existir el problema de acumulación de ácido en el sistema. Sin embargo, es habitual tener valores netos de consumo entre 5 y 10 kg/ton para los minerales sulfurados.
7575
vii) Extracción de cobre: es función de la ley del mineral y del método de lixiviación usado. Así, es habitual tener las recuperaciones que siguen:
Botaderos: entre 40 y 60%, según el contenido de sulfuros, la mineralogía y la ley.
Pilas : para oxidados puede llegar a 80 y 85%.
7676
viii) Consumo de Agua: es normalmente bajo y, en el caso de la lixiviación en pilas o en botaderos, corresponde a la humedad residual de los ripios que se dejan de regar al término de la lixiviación y a las pérdidas por evaporación y arrastre físico con el viento. Lo habitual es que se requiera menos de medio metro cúbico de agua por tonelada de mineral tratado.
7777
En los casos de escasez de agua, se prefiere usar goteros (incluso enterrados) y esta cifra puede bajar a cerca de la mitad, al minimizarse las pérdidas por evaporación y arrastre físico con el viento.
7878
IMPORTANCIA DE LAS ESPECIES DE LA GANGA EN LA LIXIVIACIÓN.
De acuerdo con lo visto hasta aquí, cuando se lixivian en ambiente de ácido sulfúrico los minerales de cobre, sean éstos oxidados o sulfurados, la velocidad y la cantidad de cobre disuelto, depende: de las condiciones del sistema (tipos de minerales de cobre), tamaño de partículas, potencial y pH de la solución lixiviante, además de la ganga presente.
7979
-Una de las principales especies presentes en la ganga de los yacimientos de cobre pueden ser, los silicatos.
-Los sulfatos, típicamente representados por el yeso (CaSO4*2H2O) y la anhidrita (CaSO4)
-Los carbonatos, como, por ejemplo, la calcita (CaCO3)
-Los óxidos e hidróxidos de fierro, entre los cuales destacan: la magnetita (Fe3O4), la hematita(Fe2O3), la limonita (FeO(OH)*nH2O) y la goetita (FeO(OH)).
-Sulfuros de hierro en polimetálicos como pirita FeS2.
8080
Los procesos de lixiviación de sulfuros apoyados con bacterias se realizan industrialmente bajo la metodología de lixiviación en botaderos.
La lixiviación en botaderos es un tipo de lixiviación del tipo percolación, es decir, un flujo de solución percola o pasa a través de un lecho estático de mineral. La solución lixiviante es colectada en la parte inferior del botadero o amontonamiento de mineral.
8181
Debido a las bajas leyes de los minerales que son procesados por esta alternativa, es fundamental que los costos operacionales sean muy bajos y que los tonelajes a tratar o reservas sean altos.
Esta situación es muy relevante, pues los tiempos de lixiviación son muy prolongados debido a las bajas velocidades de las reacciones. Las recuperaciones que se alcanzan son del orden de 50 a 80 % dependiendo de las especies mineralógicas presentes.
8282
Características del proceso de Lixiviación en botaderos:
-El tamaño de partícula está dado por chancado primario o por la voladura en la extracción.
-Los tiempos o ciclos de lixiviación pueden ir desde 6 meses a un par de años, dependiendo de las especies mineralógicas presentes.
-La altura de los botaderos pueden ir desde 10 a 50 metros.
8383
-Los botaderos requieren de un adecuado grado de aireación, para permitir la actividad bacteriana.
-Se deben minimizar los costos operacionales.
-El regado puede ser por aspersión o goteros, siendo esta última alternativa la más usada.
-Para un mejor aprovechamiento del piso, los botaderos pueden ser colocados unos sobre otros.
8484
Principales parámetros operacionales:
-Altura del lecho.
-Flujo específico.
-Aireación del lecho.
-Acidez y potencial de oxidación del sistema.
-Actividad bacteriana.
-Tamaño de partículas.
-Concentración de Impurezas.
8585
En general, la extracción de metales desde estos minerales metálicos ha sido lograda principalmente a través del uso de la oxidación de súlfuros a través de las bacterias, Thiobacillus ferrooxidans (TF) y Thiobacillus thiooxidans (TT) que son las más comúnmente presentes en los procesos industriales y en las aguas de mina.
ACCION DE LAS BACTERIAS
8686
Las bacterias, en general, pueden clasificarse según su modo de nutrirse:
• autotróficas: son aquellas capaces de sintetizar todos sus nutrientes, como proteínas, lípidos y carbohidratos, a partir del dióxido de carbono, CO2
8787
• heterotróficas: son aquellas que requieren de carbohidratos como la glucosa para formar sus propios nutrientes
• mixotróficas: son aquellas que tienen la habilidad de formar sus propios nutrientes, a partir del dióxido de carbono y de los carbohidratos.
8888
Las bacterias, también en general, pueden clasificarse según su modo de respirar en:
• aeróbicas: requieren de oxígeno para su respiración.
• anaeróbicas: se desarrollan en medios exentos de oxígeno.
• facultativas: tienen la habilidad de poder desarrollarse tanto en medios aeróbicos como anaeróbicos.
8989
Las bacterias que intervienen en los procesos de lixiviación son generalmente autotróficas y aeróbicas.
Las bacterias que son capaces de catalizar reacciones de oxidación en sustancias inorgánicas, como son los minerales, son genéricamente clasificadas como quimiolito-autotróficas, o bien quimiosintéticas.
9090
Las bacterias que se desarrollan en estos procesos tienen la facultad de obtener la energía necesaria para desarrollar su metabolismo energético a partir de la oxidación de compuestos inorgánicos, es decir, a partir del intercambio de electrones , fundamentalmente a partir de la oxidación de los sulfuros metálicos, de la oxidación del ión ferroso a ión férrico, o bien, de la oxidación del azufre elemental a sulfato o ión bisulfato (ácido sulfúrico).
9191
Algunas bacterias asociadas a la oxidación de minerales sulfurados y rango de temperatura y
acidez más ventajosas para su desarrollo
9292
Las bacterias acidófilas son capaces de vivir en ambiente ácido, siendo este tipo de bacterias nativas de algunos yacimientos.
Las principales bacterias encontradas en las aguas ácidas de mina son las bacterias autotróficas: Thiobacillus ferrooxidans y Thiobacillus thiooxidans.
9393
Las Bacterias también pueden clasificarse de acuerdo al rango de temperaturas en las cuales ellas actúan:
-Mesófilas: 20 y 35ºC.
-Moderadamente termófilas: 45 y 60ºC.
-Extremadamente termófilas: 60 y 80ºC.
9494
Representación esquemática de las cuatro fases de un ciclo de existencia de una colonia de bacterias.
Ciclo de Existencia de una Colonia de Bacterias
9595
En este esquema se observa, en primer lugar, un período inicial de crecimiento lento o “etapa de acostumbramiento” al nuevo medio, se caracteriza por muy poca actividad bacteriana (medible, por ejemplo, por la solubilización de un determinado producto, o bien por el número de individuos por unidad de volumen) mientras la bacteria se acostumbra y desarrolla los niveles de sus moléculas internas enzimas, RNA, ribosomas, etc.
9696
La segunda fase es la “etapa de crecimiento exponencial”, la bacteria se multiplica exponencialmente por división binaria. En esta fase de la vida de una colonia, se puede medir experimentalmente una importante caracterís-tica, que es particular de cada especie de bacterias y que la distingue de las demás especies, que es el “período de duplicación” y que corresponde al tiempo que demora en duplicarse la población bacteriana, bajo ciertas condiciones estandarizadas.
9797
La tercera fase corresponde a la limitación de la velocidad de solubilización, o de crecimiento de la población, debido al repentino agotamiento de uno o más de los nutrientes esenciales, o de la consunción del material de sustrato, y se denomina “etapa estacionaria”
9898
En en la cuarta fase, comienza a disminuir la población de bacterias y se entra de lleno en un decaimiento de la actividad medible (o del número de individuos por unidad de volumen, etc.) motivo por el cual, esta etapa de decaimiento se conoce como “fase de muerte”.
9999
MECANISMO DE LA BIOLIXIVIACIÓN
En principio, se entiende como mecanismo directo aquel que está mediado por la acción bacteriana y en donde las reacciones químicas son catalizadas enzimáticamente; esta opción, además, supone el contacto físico de los microorganismos con el mineral
100100
Mecanismo Directo
Según el primero de los posibles mecanismos, la bacteria ataca al sulfuro metálico de forma directa, mediante su adherencia a la superficie mineral y la posterior oxidación enzimática de éste por transporte de electrones desde la parte reducida del mineral, generalmente un sulfuro, al oxígeno disuelto.
101101
Se entiende como mecanismo indirecto aquel en el que toman parte reacciones química, enzimáticas o no enzimáticas, no habiendo contacto físico entre los microorganismos y el mineral.
Ejemplo de esto es la oxidación de Fe2+ a Fe3+.
Mecanismo Indirecto
102102
i) mecanismo directo: que implica la adhesión de la bacteria directamente sobre los cristales del sólido, actuando ella como puente para el traspaso de electrones, en una sucesión de dos reaciones aeróbicas secuenciales:
MeS + 1/2 O2 + 2H+ bacteria
Me2+ +So + H2O
So + 11/2O2 + H2O bacteria
H2SO4
103103
ii) mecanismo indirecto: requiere de la presencia de hierro disuelto en las soluciones lixiviantes.
Reacción aeróbica 1:
2Fe+2 + 2H+ + 1/2O2 bacteria
2Fe+3 + H2O
Reacción anaeróbica 1:
MeS + 2Fe3+ Reducción abiótica
Me2+ + 2Fe2+ + Sº
Reacción aeróbica 2:
Sº + 11/2O2 + H2O bacteria
H2SO4
104104
Mecanismos directo e indirecto para la solubilización del metal
105105
Representación esquemática de la oxidación, catalizada por la bacteria, de un cristal de pirita, FeS2, en condiciones
aeróbicas.
106106
Representación esquemática de la oxidación, catalizada por la bacteria, de un cristal de pirita, FeS2, en condiciones mixtas aeróbicas y
anaeróbicas.
107107
El rango de temperatura para el crecimiento y desarrollo bacteriano es muy amplio, desde 2º a 40ºC, siendo la temperatura óptima de 30º a 35ºC. Experimentalmente se ha determinado que su velocidad de crecimiento se reduce a la mitad, por cada 6ºC que disminuye la temperatura, debajo de un crecimiento referencial de 25ºC y hasta -2ºC
Variables importantes en la Actividad Bacteriana.
108108
La aireación del mineral y de las soluciones debe ser adecuada, de manera que no les falten CO2 para su metabolismo y el O2 disueltos para que se produzcan las reacciones. Para esto es fundamental que la fuerza iónica (suma de la concentración de todas las sales disueltas) de la solución no sea muy elevada, ya que inmediatamente se va reduciendo la capacidad de disolución de los gases en ella, principalmente del oxígeno.
109109
Por otra parte, juega un rol determinante y fundamental en la mantención regulada del pH, lo suficientemente bajo como para que no precipite el ión férrico por hidrólisis.
En un botadero por la presencia de hierro disuelto (Fe2+ y Fe3+) condiciones de acidez (pH sobre 2,5), condiciones de potencial de oxidación se producen condiciones de precipitación de jarositas y otros productos de hierro.
110110
La formación de jarositas y productos sólidos de hierro son de muy difícil redisolución.
Estos precipitados sólidos pueden producirse a nivel de partículas como también a nivel de porosidad del lecho de partículas, produciendo en ambos casos zonas de difícil paso de la solución lixiviante, provocando con esto una baja en la recuperación de cobre.
Esta situación no es mejorada aumentando el tiempo de lixiviación.
111111
Nutrientes y Tolerancia a la Acumulación de Iones
En general, para mantener su viabilidad los microorganismos mesófilos necesitan energía externa y contar con fuentes de elementos vitales como son el carbono, nitrógeno, fósforo, magnesio, azufre, etc. El agua se necesita como medio solvente y además para el transporte de los nutrientes.
112112
También se ha reportado que existe una inhibición de la actividad bacterial con el aumento de la concentración de iones férricos en la solución. El exceso de iones férricos suprime la oxidación del ion ferroso. Se determinó que el óptimo crecimiento se logra con una concentración de iones férricos entre 1,5 y 3 g/l.
113113
Concentración máximas que Inhiben la actividad Bacteriana Mesófila
114114
Reacciones del Ciclo Natural de Lixiviación de Sulfuros.
Las siguientes ecuaciones describen las reacciones típicas que envuelven una actividad bacterial, de tipo mesófila, en la disolución de minerales sulfurados de cobre y fierro.
a) inicialmente, la pirita es lentamente oxidada, químicamente, en presencia de oxígeno y agua para formar sulfato ferroso y ácido sulfúrico:
2FeS2 + 7O2 + 2H2O 2FeSO4 + 2H2SO4
115115
b) El sulfato ferroso disponible es solución, en presencia de oxígeno y ácido sulfúrico, es rápidamente oxidado por la bacteria para producir sulfato férrico:
2FeSO4 + H2SO4 + 1/2O2 Fe2(SO4)3 + H2O
116116
c) El sulfato férrico formado puede reaccionar con más pirita para formar ácido sulfúrico y sulfato ferroso.
7Fe2(SO4)3 + FeS2 + 8 H2O 15 FeSO4 + 8 H2SO4
117117
d) El sulfato férrico formado puede reaccionar con minerales sulfurados de cobre, tales como la calcosina, para formar sulfato de cobre, sulfato ferroso y azufre:
Cu2S + 2Fe2(SO4)3 2CuSO4 + 4FeSO4 + Sº
118118
e) El sulfato ferroso es reoxidado por la bacteria, con ácido y oxígeno, para formar más sulfato férrico y el ciclo se repite, como la ecuación mostrada en b)
f) El azufre es oxidado por la bacteria en presencia de oxígeno y agua para formar ácido sulfúrico, manteniendo así regulado el pH:
Sº + 11/2O2 +H2O H2SO4
119119
g) El ácido producido es requerido para la oxidación química del mineral, para las reacciones de la ganga, para la formación de férrico y para el crecimiento de la bacteria.
120120
Aplicaciones Industriales recientes de la Lixiviación Bacteriana.
Las principales aplicaciones industriales de la lixiviación con bacterias se dan en procesos que involucran:
• lixiviación en botaderos e in-situ, cuando se trata de minerales de cobre o sulfuros metálicos de muy bajas leyes.
121121
- lixiviaciones en pilas, de tipo controlada, con aplicaciones para minerales de cobre y para piritas y arsenopiritas auríferas.
- lixiviaciones agitadas en reactores controlados, cuando se trata de concentrados, hasta ahora predominantemente de oro ocluido en piritas y, en estudio, de aplicaciones para cobre de calcopirita y enargita.
122122
- Las lixiviaciones en botaderos e in-situ, si bien correspondieron a las primeras aplicaciones industriales de la lixiviación bacteriana, dado el bajo valor económico unitario intrínseco de los minerales tratados y su escasa posibilidad de controlar el proceso se pueden considerar más bien como procesos espontáneos y no científicamente controlables ni técnicamente muy manejables.
123123
- Por último, se encuentran las lixiviaciones agitadas, que se realizan sobre concentrados de minerales, normalmente obtenidos por flotación. En el caso de éstos, lo que se ha lixiviado hasta ahora son piritas o arsenopiritas auríferas, para desbloquear el oro encapsulado y facilitar el posterior acceso del cianuro. Más recientemente, esta tecnología se está ampliando a interesantes aplicaciones experimentales para súlfuros de cobre.
124124
Resumen actualizado de aplicaciones de lixiviación bacterial controlada, sea en pila sobre
minerales, como por agitación sobre concentrados.
125125
126126
127127
La aplicación de bacterias se amplia a la recuperación de otros metales relacionados con minerales sulfurados, como es el caso de los sulfuros de cobalto, níquel, cinc, plomo, molibdeno y galio. Asimismo, existen estudios para permitir el tratamiento de minerales complejos de manganeso y plata y para la recuperación de metales del grupo del platino. También se han propuesto bacterias para la recuperación de minerales de uranio, cuyo mineral se encuentra combinada con piritas.
128128
Las aplicaciones comerciales para concentrados de oro y, más recientemente, también de cobre, se están abriendo paso rápidamente con la tecnología procedente de Sudáfrica, que está siendo comercializada por Gencor (para piritas auríferas) y por BHP (para otros metales básicos: Cu, Ni, Co, Zn, etc.). En estas aplicaciones se han probado comercialmente, hasta ahora, sólo bacterias mesófilas (que operan a temperaturas más bajas, entre 30 y 40ºC) del tipo Thiobacillus y Leptospirillum Ferroxidans.
129129
Sin embargo, procedente de Australia y con el nombre de Bactech, se comercializa otra versión de reactores, destinada a aplicaciones para concentrados de oro, que utiliza bacterias moderadamente termófilas (que operan a temperaturas algo más elevadas, entre 50 y 60ºC) del tipo Sulphobacillus y Leptospirillum thermooxidans.
130130
BIOXIDACION DEL ION FERROSO
El hierro es un elemento muy abundante en la tierra y se encuentra principalmente en dos estados de oxidación: Fe(II) y Fe(III). Gracias al alto potencial del par Fe(III)/Fe (II) (0,76 V), el único aceptor electrónico capaz de oxidar el Fe(II) es el oxígeno. Por ello, a un pH neutro, el Fe(II) se oxida espontáneamente a Fe(III) (que forma compuestos insolubles por lo que precipita rápidamente). Sin embargo, si el pH es ácido, el hierro puede permanecer en la forma más reducida (Fe II).
131131
En el caso de la pirita, la anterior reacción sería:
FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O 15Fe2+ + 16H+ + 2SO42-
132132
Paralelamente, la acción bacteriana cataliza la oxidación del ion ferroso y del azufre elemental según las dos reacciones siguientes:
2Fe2+ + 1/2O2 + 2H+ bacteria 2Fe3+ + H2O
S + 3/2O2 + H2Obacteria 2H+ + SO4
2-
133133
Mecanismos directo e indirecto para la solubilización del metal
134134
Medios Líquidos para el cultivo de Thiobacillus Ferrooxidans
Concentración de los nutrientes (g/L)Nutrientes 9Ka T&Kb Lc T&Cd
(NH4)2SO4 3.0 0.4 0.15 0.5
KCl 0.1 --- --- ---
K2HPO4 0.5 0.4 0.05 ---
MgSO4-7H2O 0.5 0.4 0.5 1.0
Ca(NO3)2 0.01 --- 0.01 ---
FeSO4-7H2O 44.22 33.3 1.0 129.1
135135
Influencia de las Condiciones Ambientales y Concentraciones de nutrientes
Entre los parámetros básicos que influyen sobre el comportamiento del microorganismo Acidithiobacillus Ferrooxidans cabe destacar, entre otros: pH, temperatura, oxígeno y dióxido de carbono. Si bien se muestra el efecto de cada uno de los factores independientemente, es importante destacar que se pueden producir efectos sinérgicos, siendo muy difícil adoptar criterios uniformes para el crecimiento de los microorganismos.
136136
El pH influye de una forma muy significativa en la velocidad de crecimiento de los microorganismos, debido a que afecta a los grupos ionizables presentes en las enzimas situadas en el citoplasma y periplasma de las células. Dichos grupos deben encontrarse en la forma iónica más adecuada para mantener la conformación del centro activo, enlazarse a los sustratos y catalizar la reacción.
137137
En contraste con la reacción de oxidación del Fe(II), la hidrólisis del Fe(III) produce ácido, reduciendo por tanto el pH hasta un valor aproximado de 2.4. Las reacciones presentadas indican que la extensión de la hidrólisis del Fe(III) depende del valor del pH del medio y, en general, este hierro tiene una baja solubilidad a valores de pH por encima de 2.5
138138
Además de la reacción de hidrólisis, es necesario considerar la formación de hidroxisulfatos básicos de Fe(III) con una fórmula general MFe3(SO4)2(OH)6 donde M es K+(jarosita), Na+(natrojarosita), NH+
4 (amoniojarosita), H3O+ (hidroniojarosita), Ag+ (argentojarosita) y Pb2+(plumobojarosita).
139139
La precipitación de jarositas es, al mismo tiempo, una reacción de producción de ácido:
3Fe3+ + M+ + 2HSO4- + 6H2O MFe3(SO4)2(OH)6 + 8H+
Las jarositas se pueden encontrar en los sedimentos de los drenajes ácidos de minas y, algunas veces, coexistiendo con oxihidróxidos de Fe(III). La precipitación de éstas depende, fundamentalmente del pH, la composición iónica y la concentración del medio.
140140
Temperatura de crecimiento para Acidithiobacillus Ferroxidans en
cultivo sumergido.
Referencia T(ºC) pH
MacDonald et al. (1970) 29-33 1.5-2,5
Gómez y Cantero(1998) 31 1,8-2.0
Smith et al.(1988) 30 1,8-2,1
141141
Concentración crítica de oxígeno para el crecimiento de Acidithiobacillus
Ferrooxidans
Temperatura(ºC) Concentración crítica de oxígeno (mg/L)
25 0,877
28 0,390
31 0,368
34 0,345
142142
BIOLIXIVIACION DE MINERALES DE COBRE
En la naturaleza, el cobre se presenta combinado formando dos grandes grupos de minerales: los minerales oxidados y los sulfurados. Como regla general, los minerales oxidados son fácilmente solubles, por lo que su beneficio se realiza a través de lixiviación ácida.
143143
Por su parte, los minerales sulfurados son insolubles aún en ácidos concentrados, por lo que para extraer el cobre de ellos se debe previamente oxidar los sulfuros. La tecnología convencional para ello consulta molienda fina, concentración selectiva por flotación y obtención del metal por pirometalurgia, esto es, la oxidación de los sulfuros a SO2 y la reducción del cobre.
144144
La mayor proporción de las reservas de cobre sulfurado están constituidas por calcopirita, calcosina y covelina. De estas tres especies, la calcopirita es muy refractaria al ataque bacteriano, no existiendo a la fecha explotación comercial de esta especie por esa vía, aunque sí es posible su recuperación parcial en botaderos. Sin embargo, se espera que en un futuro muy próximo se logre este objetivo con la utilización de microorganismos termófilos para biolixiviar concentrados de cobre.
145145
Principales minerales Sulfurados de cobre
BornitaCu2FeS5
Calcopirita CuFeS2
Calcosina Cu4S
Covelina CuS
Enargita Cu3AsS4
146146
Los porcentajes de recuperación en pilas y botaderos son muy variables y fuertemente dependientes de las características del mineral y de los tiempos de operación. Las cifras usuales cubren el rango de 30 a 80% de recuperación. En los tramos finales de la operación, la velocidad de extracción se hace muy baja, por lo que en ocasiones no resulta rentable continuar la lixiviación. Las concentraciones que se logran en el caso de cobre oscilan entre 1 a 4 g/l.
147147
En los últimos años, varias minas han iniciado en Chile su operación mediante el proceso Bacteriano. Entre ellas se pueden destacar Quebrada Blanca, con reservas de 75 millones de toneladas de mineral de 1,5% cobre y una capacidad de 75.000 ton anuales y Cerro Colorado, con 80 millones de mineral de 1,4% Cu total y una capacidad de producción de 45.000 ton de metal fino al año. El mineral es en un 96.7% covelina y contiene 1,33% de cobre sulfurado. Las pruebas piloto, realizadas en 1989 y 1990, entregaron un 90% de recuperación en 7-11 meses. El efluente de las pilas contenía 2-3 g Cu/l . La temperatura en el interior de las pilas variaba, según la ubicación y tiempo, entre 12 y 27ºC.
148148
Algunas operaciones de Biolixiviación de Minerales de Cobre en Chile
Mina Producción anual (ton)
Lixiviación en pilas
Lo Aguirre 14.000
Quebrada Blanca 75.000
Cerro Colorado 130.000
Zaldivar 150.000
Iván - Zar 12.000
Andacollo-Cobre 21.000
Lixiviación en botaderosChuquicamata 30.000Los Bronces sin datosZaldivar sin datos
149149
BIOLIXIVIACIÓN EN REACTORES
La Biolixiviación en reactores con agitación mecánica o neumática presenta atractivas ventajas potencia sobre las pilas y botaderos en lo referente a control sobre las variables de operación y la posibilidad optimizar el proceso.
150150
A su vez, la lixiviación bacteriana de concentrados de cobre presenta algunas importantes ventajas sobre el método pirometalúrgico, en especial en lo referente a la baja inversión de capital y a la eliminación del problema de contaminación atmosférica por SO2. Este punto es de gran importancia, ya que se ha estimado que debido a las regulaciones ambientales los costos de producción deben recargarse US$4,90 por cada kilogramo de gases azufrados liberados a una atmósfera.
151151
Minerales y Tamaño de Partícula
La velocidad de Biolixiviación de minerales sulfurados de cobre es altamente variable. Mientras la covelina puede ser lixiviada fácilmente, en el otro extremo se ubican minerales como la calcopirita y la enargita que son recalcitrantes al ataque químico y ofrecen gran resistencia a la oxidación microbiana.
152152
Actualmente los proceso de biolixiviación en pilas corresponden mayoritariamente a minerales del tipo sulfuros secundarios.
El tamaño de partícula es también un parámetro crítico en biolixiviación, principalmente por su influencia en la velocidad del proceso y por los costos asociados a su reducción de tamaño.
153153
Cada configuración de la operación de biolixivación presenta sus propios requerimientos de tamaño de partícula. En el caso de sistemas basados en percolación, el tamaño de partícula ha de ser lo suficientemente grande como para permitir la fácil circulación de aire y solución lixiviante. Partículas demasiado pequeñas crean problemas de circulación de fluidos y eventualmente podría inundarse el sistema. Operaciones a gran escala en pilas y botaderos utilizan tamaños de partícula en el rango de 13 a 200 mm o mayores.
154154
Ejemplos de Medios de Cultivo para Bacterias
Composición (g/l)
9 Ka Jones y Kellyb Bryner y Andersonc
(NH4)2SO4 3.0 0.36 1,0
KH2PO4 --- 0,054 ---
K2HPO4 0,5 --- 0,1
KCl 0,1 --- 0,05
MgSO4-7H2O 0,5 0,15 3,0
Ca(NO3)2 0,01 --- 0,1
H4SO4(10N) 1 mL/L pH 1,6 pH 2,65
FeSO4-7H2O 44,2 3,13 10
Al2(SO4)2-18H2O --- ---- 4,0
155155
Toxicidad de Metales en Ferrooxidans
Metal Nivel inhibitorio Tolerancias(mg/l) reportadas
Zn2+ > 10.000 15-72 g/L
Ni2+ > 10.000 12 - 50 g/L
Cu2+ > 10.000 15 g/L
Mn2+ > 10.000 -----
Co2+ > 10.000 3 g/L
Al3+ > 10.000 6 g/L
Ag+ > 50 1 ppb
UO22- < 700 200-500 mg/L
AsO43- < 200 ----
MoO42- >5 90 mg/L
SeO4 >100 -----
156156
Inhibición por Aniones en la Oxidación de Fe2+
Anión % Inhibición oxidación fe2+ Concentración (M)
F 100 2,5 x 10-4
CN 99 2,4 x 10-4
NO3 100 9,4 x 10-2
NaCl 50 8,6 x 10-2
KCl 90 2,6 x 10-1
157157
Modelo de los posibles mecanismos (directo y indirecto) involucrados en la disolución química biológica de la calcopirita.
158158
Quebrada Blanca es una operación minera de producción de cobre electrolítico.En la faena minera la presión atmosférica es de 0,6 atmósferas por lo que la concentración de oxígeno en el aire es de solo un 59% de la que hay a nivel del mar.La temperatura varía entre una máxima de 18ºC y una mínima de –15 C, con un promedio anual de 3 ºC.
ANALISIS OPERACIONAL DE LIXIVIACION BACTERIANA EN QUEBRADA BLANCA.
ANALISIS OPERACIONAL DE LIXIVIACION BACTERIANA EN QUEBRADA BLANCA.
159159
Hay períodos de fuertes vientos, nieve, tormentas eléctricas y fluctuaciones de temperatura de hasta 20ºC en un mismo día.
La operación de la planta es de 6,3x106 ton/año de mineral para la producción de 75.000 toneladas de cobre electrolítico en cátodos de calidad grado A, es decir, una producción de 206 ton/día.
La ubicación, el clima y el tamaño de la planta la hacen ser la única que emplea lixiviación bacteriana en tales condiciones.
160160
Composición mineralógica típica del mineral de QB
Especie mineralógica porcentaje del peso contribución de cobre aobservada en la muestra de la muestra la ley de cabeza (%)
Calcosina (Cu2S)
calcopirita (CuFeS2)
minerales oxidados de Cu
pirita (FeS2)
1,6
0,6
0,2
0,5 - 1,5
1,3
0,2
<0,1
161161
La recuperación de cobre se logra lixiviando minerales en que predomina la calcosina, la principal especie mineralógica del yacimiento.
El material tronado de la mina se deriva a cuatro destinos posibles:
-a descarte con valores menores a 0,1% de cobre.-al botadero de óxidos con leyes entre 0,1 y 0,4% de cobre-al botadero de baja ley con leyes entre 0,4 y 0,65% de cobre.-al circuito de chancado con leyes superiores a 0,65% de cobre.
162162
DESCRIPCION DEL PROCESO HIDROMETALURGICO Y BACTERIAL
El proceso consiste en las operaciones de chancado, aglomeración, apilamiento, lixiviación bacteriana, extracción por solventes y electrodepositación.
El mineral sulfurado proveniente de la mina es chancado en tres etapas, con los chancadores terciarios en circuito cerrado, hasta reducirlo a 100% bajo 13 mm.
Luego el mineral se aglomera en tambores rotatorios con ácido sulfúrico y agua caliente, para ser transportado posteriormente a la zona de apilamiento con un sistema de correas articuladas en serie.
163163
La pilas formadas eran permanente de 6 a 6,5 m de altura y 85 m de ancho, pero a partir de unos años atrás se comenzó a trabajar en un sistema de pilas transitorias, debido a la altura que ha alcanzado la torta de materiales ya tratado, la que está comenzando a ser afectada por un fuerte viento en su parte superior y como consecuencia está sometida a mayores pérdidas de calor.
164164
El material apilado se riega con una solución de refino de extracción por solvente de 7,5 g/l de ácido, en la modalidad de riego continuo, por un período de 350 días.
Durante este período el cobre se disuelve por la acción de las bacterias que existen en el propio yacimiento.
Las bacterias que actúan son Thiobacillus thiooxidans y Thiobacillus ferrooxidans
165165
La lixiviación se ve favorecida si se mantiene condiciones adecuadas de temperatura, acidez y permeabilidad dentro de la pila. Desde hace un tiempo a esta parte se inyecta aire a las pilas mediante tuberias para promover la actividad bacteriana en los sectores medios e inferiores del lecho de mineral, que inicialmente no recibían suficiente ventilación como para sustentar la vida de las bacterias.
166166
La solución rica que resulta de la lixiviación se envía a la planta de SX . Luego el electrolito rico es enviado a la planta de electroobtención.
En la planta de Electroobtención se usan cátodos permanentes de acero inoxidable.
Cada cátodo pesa 35 Kg. y se empaquetan en lotes de 2,5 toneladas.
167167
Etapa de Aglomeración
El mineral chancado se conduce a un depósito de compensación, en forma de silo, ubicado en forma previa a la aglomeración. En el depósito hay un intercambiador de calor alimentado con vapor ubicado en la zona de descarga, con el objeto de elevar la temperatura del producto chancado y precalentarlo antes de pasar a la aglomeración.
El mineral se aglomera con unos 5 Kg/ton de ácido sulfúrico y con agua caliente a 75 – 80ºC, para obtener un glómero con 10% de humedad final.
168168
El aglomerado se descarga de los tambores aglomeradores, luego de un tiempo de residencia de 1 min. a una temperatura cercana a 21 y 23ºC.
Los tambores de aglomeración tienen 9 m de largo y 3 m de diámetro, con una inclinación de 5 grados respecto de la horizontal. La tasa de alimentación de mineral es de 1.100 ton/h o sea 550 ton/ a cada tambor.
169169
LIXIVIACIÓN EN PILAS
El piso inicial donde se colocan las pilas esta recubierto con un revestimiento de HDPE de 1,5 mm de espesor. Sobre el revestimiento se colocan redes de cañerías perforadas de drenaje de 4” de diámetros, ubicadas a 4 metros entre ellas, las que se cubren con 50 cm de grava sobre la cual el equipo apilador puede operar.
El aglomerado se apila en un ancho de 85 m, por 600 a 800 m de largo, de manera continua, lo que constituye un sector.
El apilamiento de un sector demora generalmente entre 4 y 6 semanas de trabajo y cada uno contiene entre 400.000 y 600.000 toneladas de mineral aglomerado.
170170
171171
Características del PLS
flujo a Sx, m3/h por tren 1000 -1050 923diseño
Cu g/l 3,0 3,5Fe3+ g/l 0.9Fe2+ g/l 2,1Fetotal g/l 3,0 2,0H+ g/l 3,3 pH 1,8 1,9-2,0Al g/l 5,9Mg g/l 4,6Cl ppm 20Mn ppm 100
sólidos en suspensión, ppm 10-20 40 temperatura ºC 17-22 17
172172
Análisis químico de soluciones acuosas en gramos por litro
Elemento solución rica (PLS) refino final electrolito spent electrolito rico
Cu 3,2 0,39 36,5 48,1
Fe2+ 2,1 2,1 ---- 0,4
Fe3+ 1,0 ---- ---- 1,6
H+ 3,2 7,8 168 147
173173
Resultados de la operación
Parámetro septiembre 1997 diseño
Tiempo operativo, % 97 95
Cu recuperado en el SX,% 88 - 91 93
reactivo LIX 984N en el orgánico, % 12 13,5
Orgánico arrastres, ppm
• en electrolito rico 35 - 45
• en refino 50 - 150
Consumo referido al PLS, ppm
• Orform SX-12 57 65
• LIX 984N 7,7, 12
razón de transferencia Cu/Fe >1000/1 500/1
174174
175175
176176
La cima de la pìla se riega con solución de refino. Se instalan dos líneas de irrigación por goteo en la parte superior de la pila, una en la superficie y la otra enterrada a 20 cm bajo la superficie.
La tasa de regado es de 6 l/h/m2 , el flujo medio de los goteros es de 16 ml/min.
La solución de refino se calienta a 28ºC antes de entrar a las líneas de goteros mediante un juego de intercambiadores de calor, lo que se aprovechan para enfriar los generadores de la planta de fuerza.
177177
Las soluciones ricas o PLS, tienen una concentración de 3,5 g/l de cobre y a una temperatura de 23ºC se recolectan a través de las cañerías de drenaje, fluyendo a una piscina de 40.000 m3 de capacidad.
Desde esta piscina de PLS, la solución es enviada a la planta de extracción por solvente, para luego pasara a la planta de electroobtención, donde se obtienen los cátodos de cobre.
178178
Variación de la permeabilidad con el tiempo de irrigación en las pilas
179179
Gradiente de oxígeno, en una pila sin aireación forzada, en función de la distancia bajo la superficie
180180
Gradiente de recuperaciones de cobre, en función de la distancia bajo la superficie
181181
Gradiente de concentración de ion férrico, en función de la distancia bajo la superficie.
182182
Efecto de la tasa de aireación sobre la cinética de disolución de cobre
183183
Evolución histórica del contenido de cobre en el PLS de QB.
184184
Curva típica de extracción de cobre en QB obtenida en la planta piloto y resultados actuales obtenidos en
distintos sectores de la planta industrial
185185
Evolución histórica del contenido de ión férrico en las soluciones de QB.
186186
Evolución histórica del contenido de fierro total en las soluciones de QB