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FLOTACION; SEPARACION SOLIDO‐ LIQUIDO; MECANICA DE FLUIDOS APLICADA AL PROCESAMIENTO DE
Ing. Juan Agustín Astudillo Falke Consultor Intercade
INDICE A.‐FLOTACIONDE MINERALES 1) Fundamentos 1.1. Definiciones claves. 1.2. Descripción del proceso de flotación de minerales. 1.3. Variables del proceso de flotación de minerales. 1.4. Celdas mecánicas y columnas de flotación. 2) Aplicaciones 2.1. Diseño y selección de maquinas y equipos de flotación. 2.2. Diseño de diagrama de circuitos de flotación. 2.3. Operación de circuitos de flotación. 2.4. Pruebas de laboratorio de flotación. 2
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2 INDICE B.‐SEPARACION SOLIDO‐LIQUIDO 1) Fundamentos 1.1. Descripción de la operación unitaria de sedimentación. 1.2. Variables de la operación unitaria de sedimentación. 1.3. Equipos para la operación unitaria de sedimentación. 1.4. Descripción de la operación unitaria de filtración. 1.5. Variables de la operación unitaria de filtración. 1.6. Equipos para la operación unitaria de filtración.
2) Aplicaciones . .
,
.
2.2. Diseño, selección de equipos de filtración. 2.3. Operación de la sedimentación. 2.4. Operación de la filtración. 2.5. Pruebas de laboratorio de sedimentación. 2.6. Pruebas de laboratorio de filtración. 3
INDICE C.‐MECANICA DE FLUIDOS APLICADA AL PROCESAMIENTO DE MINERALES
1.1. Definiciones claves. 1.2. Deducción de la ecuación de la conservación de la energía mecánica o ecuación de Bernoulli. 1.3. Teoría del transporte de pulpas (slurry) o lodos metalúrgicos.
2) Aplicaciones 2.1. Diseño y selección de bombas para pulpas metalúrgicas. 2.2. Diseño y selección sopladores para aire o gases. 2.3. Diseño y selección de tuberías para el transporte de pulpas metalúrgicas.
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3 INDICE D. PRE‐OXIDACION (BIOMINING) 1) Fundamentos 1.1. Definiciones claves. 1.2. Descripción del proceso de biolixiviación de minerales y ripios. 1.3. Variables del proceso de biolixiviación de minerales y ripios. 1.4. Tratamiento por biolixiviación o bio‐oxidación de minerales refractarios. 2) Aplicaciones 2.1. Biolixiviación en pilas (Heap bioleaching). 2.2. Biolixiviación en botaderos (Dump Bioleaching). 2.3. Bioreactores.
E.‐TALLER APLICADO A PLANTAS DE PROCESAMIENTO DE MINERALES F.‐ REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.
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OBJETIVO
Pro orcionar a los artici antes los conce tos prácticos
necesarios
para
conocer
y
fundamentos teóricos
comprender
Plantas
de
procesamiento de minerales como parte importante en la toma de decisiones estratégicas en las empresas mineras.
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PROCESAMIENTO DE MINERALES
7
DEFINICIONES RELEVANTES Beneficio de minerales: Es el tratamiento de materias primas mineralizadas (recursos naturales no renovables) extraídas de la superficie terrestre (también existen recursos mineralizados en el océano), para obtener productos comerciales, por métodos que no destruyan su identidad física, química y mineralógica de los minerales. Mena Mineral: Conjunto de minerales con valor económico.
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5
DEFINICIONES RELEVANTES
Mineral: Compuesto químico inorgánico, con una estequiometria constante y con una estructura cristalina. Puede ser un o unos compuestos útiles o de desecho (ganga). La utilidad o lo desechable lo define las condiciones locales, por ejemplo, la pirita (FS 2) o la sílice (SiO 2) pueden ser útil o ganga dependiendo de las necesidades y economía propia de cada localidad.
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DEFINICIONES RELEVANTES Ley, Tenor o Grado : Indica el contenido relativo de un elemento uímico en una mena mineral o en un mineral
uro. En un
mineral puro la ley es el porcentaje (%) o tanto por uno ( °/1) del compuesto químico. Siempre es el mismo valor.
Fino: Contenido del elemento químico de interés o útil. Concentrado: Producto de un proceso de concentración de ley más alta con respecto a la alimentación en el o los elemento(s) de interés.
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6
DEFINICIONES RELEVANTES
Ganga: Producto de un proceso de concentración de ley más ba a con res ecto a la alimentación al roceso en o los elementos de intereses. ¿Que es concentrar? Es un proceso físico que consiste en aumentar la ley de la alimentación de la mena mineral y obtener un producto concentrado en el mineral valioso con el . Cabeza: Es la alimentación al proceso físico de concentración.
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GENERALIDADES DEL PROCESAMIENTO DE MINERALES
Condiciones de Procesamiento de Minerales, Economía
Conminuci n y C asi icaci n Métodos Físicos de Procesamiento Métodos Químicos de Procesamiento Tratamiento de Desechos y su Disposición Diagrama de Flujos de Plantas de Procesos: Uranio y potasa
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Las notas de este curso son una compilación del trabajo de muchas personas a nivel mundial.
1.‐ Luis Magne Ortega; Doctor Ingeniero Metalúrgico; Profesor Asociado; Universidad Santiago de Chile. 2.‐ Hugo Cárcamo Gutiérrez; Master Ingeniero Metalúrgico; Profesor Asociado; Universidad Católica del Norte de Chile. 3.‐ Gonzalo Montes Atenas; Doctor Ingeniero Metalúrgico; Profesor Asistente; Universidad de Chile.
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Métodos
de Separación o concentración:
• Flotación • Gravedad • Magnéticos • Electroestáticos • Radiométricos/Fotométricos
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Separación Solido/líquido (Desaguado)
•
spesa ores
ar ca ores
• Filtros • Secadores
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La Separación de concentrados se realiza antes de los procesos químicos La Separación Solido‐liquido es usada siempre.
base metal ore
Mine
o a on
smelter contract
Smelter/ Concentrate Refinery
Iron ore, coal, potash Industrial minerals
prec ous metal ore
Crushing Sorting Separation
delivery contract
Buyers delivery
Impure metal
Leaching
Ore direct to buyer
refinery contract
Refinery
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9
Liberación: la roca se rompe o tritura por métodos mecánicos de manera que
los
componentes
individuales
,
de
los
minerales
quedan
,
.
Separación: los minerales de alto valor son separados del resto por medio de métodos físicos y físico ‐químicos haciendo uso de las distintas propiedades físicas de estos: diferencias en la gravedad específica, prop e a es magn t cas, prop e a es
e super c e, prop e a es
eléctricas ,etc.
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Reduction
Dewatering
Separation
Product Handling
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10 METODOS DE PROCESAMIENTO DE MINERAL = BENEFICIO + METALURGIA EXTRACTIVA
Ore
Beneficiation (physical)
Extractive metallurgy (chemical)
Metal
Industrial minerals
Ver también aspectos químicos dentro de los métodos de separación física.
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TERMINOLOGIA EN EL PROCESAMIENTO DE MINERALES – REPASO
Concentración: Otra
palabra para referirse al aumento de la
ley o grado del mineral. Cabeza:
Termino usado para
denominar
al
mineral
encontrado al inicio del circuito de alimentación. Ley
de Cabeza: Conocido como Feed Grade
Mena
Mineral: minerales de alto valor más la ganga trabada
que lleva junto.
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11 TERMINOLOGIA EN EL PROCESAMIENTO DE MINERALES – REPASO
Concentrado: Mineral
purificado. Puede requerir más flujo.
Puede requerir tratamiento adicional aguas abajo para obtener el producto final. Ejemplos: Sulfuros de Cobre y Níquel.
Relaves o colas: Material desechado de una planta de tratamiento de minerales después de que los minerales valiosos recuperables han sido extraídos. Es un pasivo ambiental.
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SEPARACION: TERMINOLOGIA Las técnicas de separación toman ventaja en las diferencias de
las características entre minerales.
• Flotación: Recuperación de minerales valiosos a través de burbujas de aire – hidrofobicidad.
• Separación Magnética: Aplicación de un campo magnético .
• Clasificación Radiométrica: Lectura o aplicación de un campo Radiométrico a los minerales.
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SEPARACION: TERMINOLOGIA
• Separación por Gravedad: Diferencias en la gravedad ,
,
,
sedimentación.
• Separación Electroestática: Aplicación de una polaridad electroestática. ,
,
tiene gran influencia en los resultados de separación o concentración.
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A. FLOTACION DE MINERALES
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13 Flotación
La flotación es un proceso heterogéneo, es decir, involucra más de una fase: sólido (mineral), líquido (agua) y gaseosa (burbujas). Para entender el proceso es necesario estudiar las propiedades fisicoquímicas de las superficies de los minerales, la relación en re as ases s
a, qu a y gaseosa, y sus n er ases.
Fases:
Agua (fase líquida)
Mineral (fase sólida)
Burbujas de aire (fase gaseosa)
25
FLOTACION Fase
Gaseosa:
Constituida generalmente por aire (en algunos casos por otro gas), que se introduce y dispersa en la .
–
.
Fase Líquida: Está constituida por agua con reactivos. El agua es polar, siendo ésta la causa de la
hidratación
superficial de algunos minerales en soluciones acuosas. Contiene generalmente iones (Cl‐ , Na + , K +,
Ca
++,
SO4=, etc.), impurezas y contaminantes naturales. La dureza del agua, i.e. la contaminación
natural causada por sales de calcio, magnesio y sodio, puede cambiar completamente la respuesta de la flotación en algunos casos, ya sea por consumo excesivo de reactivos o formación de sales insolubles.
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FLOTACION Naturaleza polar del agua: formación de dipolos.
H
O
+ H
-
El oxígeno es un muy buen captador de electrones en la molécula (electronegatividad alta). Por lo tanto atrae los electrones del hidrógeno Exponiendo así sus protones (+). Esto genera un dipolo: Una molécula con un extremo negativo y el otro positivo. 27
Flotación
Fase Sólida:
Está constituida por partículas de mineral finamente molidas. Las propiedades superficiales de los minerales dependen de su composición y estructura. En esta fase juegan un rol importante los siguientes factores:
• Carácter de la superficie creada en la ruptura del sólido (tipo de superficie, fuerzas residuales de enlaces). • Imperfecciones en la red cristalina natural (vacancias, reemplazos de iones, etc.). • Contaminaciones provenientes de los sólidos, líquidos y gases (oxidación de la superficie, etc.). • La presencia de elementos traza, que pueden concentrarse en la superficie de los granos y tener una influencia mucho mayor que su concentración en el mineral.
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FLOTACION En relación con su afinidad con el agua, los minerales pueden presentar propiedades hidrofóbicas (sin afinidad) e hidrofílicas (con afinidad), que determinan su flotabilidad natural. Esto está directamente relacionado con su polaridad. Se tiene así:
• Son hidrofobicos (no reaccionan con los dipolos del agua), ejemplo: azufre nativo, grafito, molibdenita y otros sulfuros. En estos minerales su estructura es simétrica, no intercambian electrones dentro de sus moléculas, no se disocian en iones, son en general químicamente inactivos y con enlaces covalentes.
• Minerales Polares: on os enen a capac a e ra arse , e emp o: x os. n es os m nera es ro cos os s su estructura es asimétrica, intercambian electrones en la formación de enlaces (enlace iónico) y tienen extraordinaria actividad química en general.
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FLOTACION
Es el método mas común para la separación de los sulfuros de los minerales
de los
minerales del desecho o la ganga. También usado para potasa y fosfatos.
Una corriente de burbujas de aire se pasa a rav s
e a pu pa.
en o
ro
ca, as
partículas se adhieren a la burbujas las cuales, por supuesto, están llenas de aire.
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FLOTACION Separación
selectiva de minerales (flotación)
Al coexistir las tres fases, las partículas hidrofóbicas “preferirán” adherirse a la fase gaseosa (burbujas), evitando así el contacto con el a ua mientras ue las demás ermanecerán en la fase líquida. Las burbujas con partículas adheridas y una densidad conjunta menor que la del líquido, ascenderán hasta llegar a la espuma.
ESPUMA
Concentrado Hidrofóbica
Hidrofílica
Relave
31
FLOTACION El agregado burbuja – partículas debe lograr mantenerse tras dejar la superficie de la pulpa e ingresar a la fase espuma. El conjunto de agregados burbuja – partículas, en la ,
.
Espuma
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FLOTACION Interfases
Los
fenómenos
fisico uímicas
que
ocurren
es ecíficas entre
en
flotación
elementos
son
interacciones
com uestos
de
las
distintas fases. Esto ocurre a través de las tres interfases posibles: Gas – Líquido, Sólido – Líquido y Sólido ‐ Gas.
Termodinámica
de Interfases
plano de la interfase. Esta fuerza de tensión se denomina “Tensión Interfasial” o “Tensión Superficial” y puede ser considerada igual a la energía libre de superficie.
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FLOTACION Tensión Superficial ( γ ) La tensión superficial es definida termodinámicamente como el trabajo reversible (W) que debe realizarse en orden a incrementar el área de la interfase en 1 cm2. La tensión superficial entonces es numéricamente igual a la energía libre de Gibbs por unidad de área y se puede expresar como sigue:
y =
dW dA
unidades: (dinas/cm), (ergs/cm2) , ,
En otras palabras, la tensión superficial es el costo energético asociado a incrementar en una unidad el área de interfase.
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FLOTACION Los dos casos de adsorción de mayor interés en flotación son aquellos en la interfase gas –líquido (aire – agua) y en la interfase sólido – líquido (mineral – agua). También ocurren en la fase gas – sólido (oxidación superficial de minerales). Interfase Gas – Líquido, G ‐L
Los compuestos que se adsorben selectivamente en la interfase G‐L reducen la tensión superficial y reciben el nombre de tensoactivos. Los tensoactivos utilizados en flotación son conocidos como espumantes por su efecto en la estabilización de la fase espuma. Estos tienen además un efecto en la generación de burbujas de tamaño pequeño. Parte A olar
Tensoactivo
Líquido
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FLOTACION
Contacto entre fases (S – L – G) y mojabilidad del sólido En la flotación de una partícula sólida utilizando una burbuja de aire como medio de transporte, la unión entre estos dos elementos se efectúa a través del contacto trifásico (Sólido – Líquido - Gas).
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FLOTACION
Las energías interfasiales “γ” de las tres fases en equilibrio se pueden relacionar por la ecuación de Young, con el ángulo de contacto “θ ” :
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FLOTACION El cambio de energía libre por unidad de área correspondiente al proceso de unión partícula‐burbuja (desplazamiento del agua por la burbuja de aire se ex resa
or la ecuación de Du re:
Al sustituir la ecuación de Young en esta ecuación, es posible expresar la energía libre en términos del ángulo de contacto, θ:
A mayor ángulo de contacto , mayor es la variación de energía libre y, por lo tanto, el proceso de adhesión partícula – burbuja es más espontáneo.
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FLOTACION Cuando no hay contacto entre las tres fases, θ es cero y, por el contrario, cuando es
máxima la afinidad, θ es 180º.
Líquido
θ = 0º
afinidad nula (hidrofílico)
Gas
Líquido Sólido as
θ = 180º
máxima afinidad (hidrofóbico)
Sólido
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FLOTACION Reactivos
a mayor a
e os m nera es son na ura men e
separarlos por flotación,
la
superficie
de
ro
cos. ara ograr
algunos
debe
ser
selectivamente transformada en hidrofóbica. Esto se logra regulando la química de la solución y agregando reactivos que selectivamente
en
dicha
hidrófobas. Estos reactivos ocos m nera es son
superficie
se
entregándole
adsorban
características
se denominan colectores. ro
cos por natura eza, ta es como
a
molibdenita, y es posible su flotación sin el uso de colectores, aunque es práctica común ayudarse con colectores suplementarios.
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FLOTACION
Colectores Compuestos orgánicos cuya función es tornar hidrofóbicas las superficies de los minerales. Los más comunes son iónicos siendo compuestos heteropolares solubles en agua. Su grupo polar es la parte activa que se adsorbe (física o químicamente) en la superficie de un mineral. La parte apolar se orienta hacia la fase líquida, sin interactuar con esta.
Colector líquido
colector
Parte Apolar Parte Polar
mineral
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FLOTACION Clasificación de los Colectores Colectores
Los
colectores i nicos son os m s comunes, en diversas subcategorías.
No‐Iónico
Iónico
Aniónico
Catiónico
Existen también
colectores no polares (no ionizados).
Oxhídrico
Carboxílico
Sulfatos
O
C O
Sulfonatos
S O
Xantatos
Ditiofosfatos
O
O
O
Sulfídrico
S O
S O
O
O
S
O
P
C S
O
S
(Glembotskii) 42
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FLOTACION Adsorción
del Colector
En la interfase mineral ‐ solución, los iones colectores pueden adsorberse en la superficie del mineral en forma n v ua a a as concentrac ones, o en hemimicelas a altas concentraciones del colector. Las micelas son agregados de iones colectores de tamaño coloidal que se forman por uniones de Van Der Waal entre las cadenas de hidrocarbones del colector. Se forman debido a que las cadenas de hidrocarbones son no iónicas existe incom atibilidad entre las moléculas polares del agua y las cadenas de hidrocarbones no polares.
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FLOTACION Los colectores de una misma familia se distinguen entre si, entre otras cosas, por el número de carbones de la cadena apolar radical . Esta característica se relaciona con la ca acidad colectora expresada en el ángulo de contacto, como se ilustra para los xantatos: Radical Metil Etil Propil Butil Amil Hexil Reptil Octil Cetil
Nºdecarbones 1 2 3 4 5 6 7 8 16
Ángulodecontacto 50º 60º 68º 74º 80º 87º 90º 94º 96º
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FLOTACION Tipos de Adsorción (colectores):
Física Adsorción
de
iones
de
signo
contrario
(contraiones)
por
atracción electrostática sin producir cambio químico. Este tipo de adsorción se produce en la flotación de óxidos y silicatos.
Química/Electroquímica
forman nuevos compuestos superficiales. Se distinguen por el intercambio de iones y formación de compuestos insolubles. Flotación de sulfuros.
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FLOTACION Aspectos generales de la adsorción física de colectores en sulfuros La adsorción física ocurre por interacciones electrostáticas entre las moléculas de colector y la superficie del mineral. Es necesario entonces hacer una revisión de los fenómenos que determinan la carga superficial en el mineral: Doble capa
eléctrica
Potencial
superficial
Potencial
zeta
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FLOTACION Espumantes
Son reactivos orgánicos de carácter heteropolar. Análogos a los colectores iónicos en su estructura, su diferencia radica en el carácter del grupo polar que en los colectores es activo para reaccionar con la superficie de los , con el agua (OH ‐). Permiten la formación de una espuma estable y burbujas de tamaño apropiado (pequeño) para llevar los minerales al concentrado. espumante
Parte Apolar Parte Polar
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FLOTACION
MIBC (metil isobutil carbinol): espumante más utilizado en la industria. Su ba o eso molecular hace ue sea muy volátil, i.e., tiende a evaporarse.
Dowfroth ‐250 (éter poliglicólico): su mayor peso molecular lo hace menos volátil que el MIBC. Genera una espuma muy estable debido a que favorece el .
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FLOTACION Colector y Espumante: Contacto Mineral ‐ Burbuja
Tras el contacto mineral – burbuja, las moléculas de espumante en la burbuja pueden penetrar la capa de colector sobre el mineral para , de Leja y Schulman). Si se agrega un exceso de colector, las partículas son aparentemente incapaces de penetrar la interfase LG y la flotación se inhibe. Si se agrega exceso de espumante, γLG puede disminuir demasiado, reduciendo la variación de energía libre, lo que desfavorece la adhesión partícula burbuja.
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FLOTACION Mineralización de la Burbuja
En la pulpa, para que exista la unión entre burbujas y partículas (mineralización de la burbuja) deben concurrir 3 mecanismos: colisión, .
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