Conceptos de lixiviación de minerales
Antecedentes El cobre debido a su naturaleza química de la mena, se puede obtener por: Pirometalurgia (minerales sulfurados) Hidrometalurgia (minerales oxidados) Hidrometalurgia La disolución química es una propiedad que presentan muchos minerales frente a determinados sistemas acuosos conteniendo ácidos. Diagrama conceptual de un proceso hidrometalúrgico de cobre
Chancado – Clasificación
Curado – Aglomerado
Lixiviación
Extracción Por Solvente
Cátodos de Cobre Electro – Obtención
Del punto de vista de interacciones tenemos el siguiente diagrama
1.- FUNDAMENTOS EN LA LIXIVIACIÓN DE COBRE 1.1 Introducción El proceso de lixiviación, es una etapa fundamental en un proceso hidrometalúrgico que involucra la disolución del metal a recuperar desde una materia prima sólida, en una solución acuosa, mediante la acción de agentes químicos. Esta transferencia del metal hacia la fase acuosa, permite la separación del metal contenido en la fase sólida, de sus acompañantes no solubles. En la hidrometalurgia del cobre, dada la variedad de sustancias sólidas que contienen cobre, factibles de beneficiar por lixiviación, complican la extensión de los fundamentos del sistema lixiviante (sólidos-agentes extractantes-métodos). Las materias primas pueden clasificar en dos grupos según su origen: Fuentes Primarias: Menas extraídas de yacimientos. Fuentes secundarias: Desechos de procesos. Chatarra metálica. Basura doméstica. Efluentes de plantas. Las fuentes primarias son las menas naturales las cuales pueden ser menas nativas, oxidadas, o menas sulfuradas, de acuerdo a la composición mineralógica y contenido de cobre. En una clasificación más detallada desde el punto de vista químico, la fase sólida a lixiviar presenta tres clases: Cobre metálico: · Metal nativo. · Chatarras. · Productos de cementación. · Barros anódicos. Cobre Oxidado: · Menas oxidadas. · Calcina de tostación. · Nódulos marinos polimetálicos. Cobre Sulfurado: · Menas sulfuradas. · Matas cupríferas. · Productos sulfurados. Lógicamente que las fuentes de mayor importancia para la extracción de cobre las constituyen las menas oxidadas y sulfuradas. Aunque el tratamiento de menas sulfuradas es comúnmente realizada por flotación-pirometalurgia, la vía hidrometalurgia permite recuperar cobre contenido en las menas mixtas o sulfuradas de baja ley acumuladas en los botaderos de los tajos en explosión minera o en el mismo yacimiento (in-situ).
1.2 Agentes lixiviantes La selección del agente químico extractante depende de su disponibilidad, costo, estabilidad química, selectividad, facilidad de producir y regenerar, que permite la recuperación del cobre de la solución acuosa en forma económica. Desde el punto de vista químico los agentes utilizados en la lixiviación del cobre se clasifican en: Ácidos inorgánicos: · Ácido sulfúrico · Ácido clorhídrico · Ácido nítrico Bases: · Hidróxido de amonio · Agentes oxidantes: · Amoniaco, · Sales de amonio, · Cianuros, · Carbonatos, · Cloruros · Agentes acomplejantes: · Amoniaco, · Sales de amonio, Cianuros, Carbonatos, Cloruros El ácido sulfúrico es el agente lixiviante más ampliamente utilizado en la lixiviación del cobre, por las razones de cualidad química, costo de fabricación y disponibilidad. Una fuente de producción de ácido sulfúrico (H2SO4), es el SO2 producido en las fundiciones de cobre lo que permite disminuir la polución y obtener ácido como subproducto a un costo relativamente bajo. El consumo de ácido sulfúrico es un ítem de costo altamente significante en el proceso extractivo, especialmente en las plantas de mediana y baja capacidad, ya que por cada Kg. de cobre producido se consumen de 2,5-7 Kg. de ácido, (según la mena). El consumo de ácido absorbe de un 20 a 40% del costo de producción unitario. El oxígeno atmosférico y el ión férrico producido por acción bioquímica sobre minerales, son los agentes oxidantes más económicos y empleados en los sistemas lixiviantes oxidantes para el cobre. 1.3 Métodos de lixiviación En la industria se practican varios métodos para contactar la fase sólida con la solución acuosa extractante en un espacio confinado. La selección del método de lixiviación depende de: · Características físicas y químicas de la mena. · Caracterización mineralógica. · Ley de la mena. · Solubilidad del metal útil en la fase acuosa. · La cinética de disolución. · Magnitud de tratamiento. · Facilidad de operación. · Reservas de mineral. · Capacidad de procesamiento. · Costo de operación y capital. · Rentabilidad. La hidrometalurgia del uranio del cobre, presentan las mayores variedades de métodos para lixiviarlos, entre estos tenemos:
· Lixiviación in-situ. · Lixiviación en botaderos. · Lixiviación en pilas. · Lixiviación reactores agitados. · Lixiviación en autoclaves o reactores a presión. El detalle de los métodos se describe en la Tabla 1.1. Tabla 1.1 Resumen de técnicas de lixiviación Rango de Aplicaciones y Resultados
Métodos de lixiviación En Botaderos
En pilas
Percolación
Agitación
Ley del mineral
Baja ley
Baja-media
Media-alta
Alta ley
Tonelaje
Grande
Gran a mediano
Amplio rango
Amplio rango
Inversión
Mínima
media
Media a alta
alta
Granulometría
Corrido de mina
Chancado grueso Chancado medio Molienda húmeda
Recuperaciones típicas
40 a 50%
50 a 70%
70 a 80%
80 a 90%
Varias semanas
Varios días
horas
Tiempo tratamiento
de Varios años
Soluciones Problemas principales aplicación
Diluidas 1-2 g/L Diluidas 1-2 g/L 20-40 g/L Cu Cu Cu en
-Recuperación su incompleta.
5-15 g/L Cu
-Recuperación -Bloqueo por -Molienda. incompleta finos. -Lavado en requiera de -Requiere -Reprecipitación de contracorriente grandes áreas. de Fe y Cu. más inversión. -Tanque de -Canalizaciones. -Canalizaciones -Manejo de relaves -Re-precipitación materiales. Evaporación. -Inversión muy -Evaporación. -Necesita de alta -Evaporación. mayor control en -Soluciones diluir. -Requiere la planta. de -Pérdida abundante agua. soluciones -Control de la Soluciones muy planta es más diluidas. sofisticado.
1.4 Cinética de la lixiviación La termodinámica predice las condiciones de equilibrio a que debe llegar una reacción química en ciertas condiciones dadas, es decir, mide la tendencia de una reacción a ocurrir. Sin embargo, la termodinámica no nos dice nada acerca de la velocidad con que el sistema procederá hacia el equilibrio ni tampoco nada respecto, al mecanismo de las reacciones. La cinética por lo tanto nos dará información muy valiosa, tanto para la ingeniería de un proceso, como para predecir velocidades en una gran variedad de condiciones. Esto es importante porque el metalurgista necesita lograr un rendimiento óptimo en el menor tiempo posible. En general, un estudio cinético puede aportar dos tipos de información importantes para:
Diseño de quipos y proceso.
Determinación de mecanismos.
Conocer cuales son los factores que determinan la velocidad de un proceso y como puede ser éste manejable en la práctica, es muy importante en todo proceso metalúrgico, pero en hidrometalurgia es un apoyo fundamental por varias causas: · Los procesos hidrometalúrgicos operan a temperatura ambiente o algo superior. · Las reacciones son de carácter heterogéneo. · En general, los proceso hidrometalúrgicos aplicados son lentos. El mecanismo de reacción entre un sólido y una solución involucra las siguientes etapas consecutivas: 1. Disolución de reactantes gaseosos en la solución acuosa (si los hubiera). 2. Transporte de los reactantes disueltos hacia la interfase sólido-líquido. 3. Transporte de los reactantes a través de una capa producto o ganga de mineral hacia la superficie de reacción (difusión: poros; sólido). 4. Reacción química de los reactantes con el mineral (reacciones; adsorción; químicas; electroquímicas). 5. Transporte de los productos solubles a través de la capa producto hacia la superficie sólido-líquido. 6. Transporte de los productos solubles hacia el seno de la solución. Algunas etapas en ciertos casos no se presentan, como sucede cuando no se forma capa sólida producto o el mineral no está bloqueado por la ganga. La velocidad de todas estas etapas es proporcional al área de interfase sólido-líquido y del área de reacción, que en algunos casos puede coincidir. También la etapa más lenta es la que controla la velocidad del proceso, lo que puede implicar un control, químico o por transporte. Los factores que afectan la cinética de las reacciones heterogéneas de lixiviación son numerosos, destacándose: · Temperatura. · Geometría, tamaño, porosidad del sólido. · Formación producto sólido o no. · Tipo de control. · Naturaleza reacción química. · Concentraciones de los reactantes y productos solubles. · Reacciones laterales ocurrentes.
1.5 Lixiviación óxidos de cobre 1.5.1 Aspectos teóricos de la lixiviación en pilas La lixiviación es un proceso hidrometalúrgico que consiste en la recuperación en forma iónica de metales valiosos (Cu, Zn, Au, etc.) de los minerales primarios y/o secundarios. La recuperación se efectúa por reacciones iónicas de disolución efectuadas a condiciones de temperatura ambiente por intermedio de soluciones acuosas.
Iones: Materia con carga eléctrica que se obtiene al disolver un compuesto químico. +2 +3 + Pueden ser de dos clases, con carga positiva o cationes Cu , Fe , H , Na+, etc. y con -2 -2 carga negativa o aniones SO4 , NO3 , CO3 , etc.
Solución acuosa (fase acuosa): Es una mezcla líquida de agua con algún compuesto químico ácido o básico disuelto en ella que permiten contener iones metálicos.
La fuente principal de las materias primas, para la lixiviación son los minerales. Estos pueden ser minerales oxidados y minerales sulfurados. A continuación daremos a conocer algunos conceptos del proceso de lixiviación.
1.5.2
Minerales oxidados.
Minerales sulfurados.
Lixiviación de óxidos.
Lixiviación de sulfuros.
Ganga de minerales.
Condiciones óptimas para la lixiviación de cobre.
La escala de pH. Minerales oxidados
Los minerales oxidados y carbonatos son usualmente encontrados cerca de la superficie en las minas de tajo abierto, estos se forman debido a la descomposición y alteración de minerales sulfurados primarios. Los óxidos metálicos son fácilmente solubles en medio ácido, los principales minerales oxidados de cobre son:
Tabla Nº 1.2
1.5.3
FORMA MINERALOGICA
FORMA QUIMICA
Crisocola
CuSiO3
Malaquita
CuCO3 . Cu (OH)2
Azurita
2CuCO3 . Cu(OH)2
Cuprita
Cu2O
Tenorita
CuO
Minerales sulfurados
En las minas de tajo abierto los minerales sulfurados se encuentran por debajo de la capa de óxidos, y por lo tanto no han sufrido cambios por efectos del medio ambiente, su tratamiento generalmente se realiza por operaciones tradicionales de chancado, molienda, flotación, fundición y electrorefinación, sin embargo la técnica de lixiviación bacterial, permite la extracción del cobre de estos minerales de baja ley. Los principales minerales sulfurados son: Tabla Nº 1.3
1.5.4
FORMA MINERALOGICA
FORMA QUIMICA
Calcopirita
CuFeS2
Bornita
Cu5FeS4
Calcosita
Cu2S
Covelita
CuS
Lixiviación de óxidos
Los minerales oxidados contienen minerales de cobre y minerales de ganga o sin valor comercial. El cobre se encuentra en forma de silicatos de cobre o crisocola y en forma de carbonatos de cobre como malaquita y azurita, también se encuentra pequeñas cantidades de sulfatos de cobre tales como la calcocita y la chalcopirita. Los óxidos se caracterizan principalmente por tener como ganga una matriz o roca madre de carbonatos (caliza), que son consumidores de ácidos y tienen un alto contenido de arcilla que dificulta la percolación de la solución durante la lixiviación en pilas. La crisocola, un hidroxisilicato con una estructura cristalina abierta, se lixivia rápidamente en ácido sulfúrico (H2SO4) de acuerdo a la siguiente reacción: CuSiO3
.
2H2O
+
H2SO4
+
2H20
+2
Cu
+
+
5H2O
+
SiO2
+2
El Cu es el ión cúprico, el principal estado del cobre cuando este se disuelve en solución. Los iones +2 en la solución pueden tener cargas positivas, tales como el ión cúprico (Cu ) o cargas negativas, tales -2 como el ión sulfato (SO4 ). Al igual que la crisocola, la malaquita, la azurita se lixivia bastante rápido en ácido sulfúrico las reacciones químicas para este proceso de lixiviación son las siguientes: Malaquita Cu2(OH)2CO3
+
2H2SO4
+
7H2O
2CuSO4
+
10H2O
+
CO2
Azurita Cu3(OH)2(CO3)2
1.5.5
+
3H2SO4
+
11H2O
3CuSO4
+
15H2O
+
2CO2
Lixiviación de sulfuros
Los minerales sulfurados contienen minerales de cobre y se forman durante largos periodos de tiempos geológicos mediante la lixiviación parcial de la calcopirita (Cu Fe S2), conocida como sulfuro primario. El cobre que se encuentra en la calcosita y covelina se puede disolver en la solución de lixiviación en +2 +3 la forma de ión cúprico (Cu ) mediante una reacción con ión férrico (Fe ) que es uno de los agentes oxidantes mas poderosos que se conocen. La covelina se lixivia con solución de ácido sulfúrico de acuerdo a la siguiente reacción. Cu2S
1.5.6
+
+3
4Fe
+
+2
2Cu
+
+
0
S
Ganga de minerales
Los minerales de cobre ocupan una pequeña porción del total del volumen de roca en Tintaya. La mayor porción de la roca contiene varios complejos de alumínicos-silicatos, carbonatos que es el desmonte o ganga del mineral. 1.6
Efecto de la ganga en los sistemas de lixiviación La silico-ganga asociada a los minerales de cobre influyen en el sistema en base a:
Mayor consumo de ácido.
Disolución y precipitación de impurezas.
Menor cinética de lixiviación.
Características de escurrimiento de lechos percolantes.
Pérdida de cobre.
Algunos aspectos geoquímicos de las gangas Feldespastos, especie de la familia de los silicatos; son minerales formadores de roca primarias ígneas y su cristalización es asociada a la cristalización del magma. Arcilla, aluminosilicatos hidratados; formados por descomposición y alteración de feldespatos, y por lo tanto, de carácter secundario. Todas las reacciones de disolución de las silico-gangas en medio ácido consumen ácido sulfúrico, y por lo tanto inciden en un aumento del consumo neto del reactivo en el sistema. Gangas asociadas a la anortita, ortoclasa, montmorillonita, esmectita, illita, albita, incorporan agua en su estructura y podría ello derivar en complejas operaciones, tales como: Tabla Nº 1.4 Técnicas lixiviación
de
Fenomenología
Problema operacional
Agitación
Tixotropía
Dificultad en la separación sólido-líquido
Pilas
Higroscopía
Estabilidad de pilas
El swelling (hinchamiento de cierto tipo de arcilla por absorción de agua y solutos), genera serios problemas de escurrimiento hidráulico en los lechos respectivos. 1.7 Condiciones óptimas para la lixiviación de cobre Dentro de las principales zonas marcadas en el diagrama mostrado en la Figura 1.1, los diferentescestados químicos del cobre son mostrados como estables. Esto simplemente significa que la forma dada del cobre puede existir en las condiciones de pH (es el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógenos de la solución) y Eh mostrados en los ejes del diagrama. Por ejemplo, en un pH de 8,0 el cobre puede existir ya sea como CuO ó como Cu(OH)2 , para adquirir Eh (es el potencial de oxidación o reducción de las reacciones involucradas) entre 0,2 voltios y 0,75 voltios. En un Eh de –0,2 voltios el CuFeS2 puede existir entre valores de pH de 0,0 y aproximadamente 8,25. El Eh es una medida (en voltios) de la fuerza de oxidación de una reacción particular. El pH es una medida de acidez que será explicada posteriormente en su principio. En los dos principales estados metalúrgicos del cobre esta la crisocola CuSiO3 y malaquita CuCO3.Cu(OH)2. Para obtener el cobre en un estado en donde se disuelva en la solución de lixiviación, +2 es necesario formar Cu . +2
Del diagrama, el CuO y el Cu (OH)2 se convierten en Cu si el pH es disminuido por debajo de 5,4 (encima de un Eh de 0,4). En efecto, esto es exactamente lo que ocurre cuando la adición de solución de lixiviación disminuye en pH. Cuanto menor sea el valor de pH de 5,4 el CuO y el Cu(OH)2 llegan a +2 ser menos estables y mayor es el porcentaje de CuO y Cu(OH)2 que se convierte a Cu . El porcentaje
de conversión es el porcentaje de cobre recuperado. El CuCO3 sigue el mismo proceso general, no mostrado en este diagrama. En lenguaje práctico, el pH efectivo para la pila de lixiviación está en el rango de 0,5 a 3,0 y con un Eh por encima de 0,6 voltios para conseguir una lixiviación homogénea.
Figura 1.1 Condiciones necesarias para la lixiviación en pilas de mineral de cobre
La escala de pH El pH en una solución expresa su acidez o alcalinidad relativa en una escala de 0 al 14 (véase la Figura 1.2 ). El pH expresa la concentración del ión hidrógeno (H+). El agua destilada pura tiene un valor de pH de 7 y es considerado como neutro (ni ácido ni alcalino). Los valores de pH que disminuyen de 7 a 0 indican un aumento de acidez, y los valores de pH que aumentan de 7 a 14 indican un aumento de alcalinidad. Cada unidad en la escala de pH representa un cambio de 10 por gradiente en la concentración. Por ejemplo, una solución de pH de 1 es 10 veces más ácida que una solución de pH 2. Sin la escala de pH, expresar la concentración de los iones hidrógeno requiere números tales como 0.0 a 0.00000000001 gramos por litro. El conteo de ceros o el uso de
una notación científica hacen que el valor de dichos números llegue a ser rápidamente inmanejable. Mientras que la definición formal del valor del pH llega a ser bastante útil, observe los valores de pH de algunas soluciones y materiales más comunes que están listados a continuación: Tabla Nº 1.5
SOLUCIONES
pH
Ácido sulfúrico (H2SO4) para lixiviación de cobre.
1,0
Jugo gástrico humano (estómago).
1,0 – 3,0
Gaseosas.
2,0 – 4,0
Naranjas.
4,0 – 5,0
Cerveza.
4,5 – 5,0
Plátanos.
4,5 – 4,7
Harina de cereales.
5,0 – 6,5
Leche de vaca.
6,3 – 6,6
Agua potable.
6,4 – 8,0
Sangre humana.
7,3 – 7,5
Huevos de gallina.
7,6 – 8,0
0,1 N bicarbonato de sodio (NaHCO3).
8,4
0,1 N cianuro de sodio (NaCN) para lixiviación de oro.
11,0
0,1 N hidróxido de sodio (NaOH).
13,0
Figura 1.2 La escala de PH
1.7 Agentes lixiviantes La selección del agente químico extractante depende de su disponibilidad, costo, estabilidad química, selectividad, facilidad de producir y regenerar, que permite la recuperación del cobre de la solución acuosa en forma económica. Desde el punto de vista químico los agentes utilizados en la lixiviación del cobre se clasifican en: Ácidos inorgánicos: Ácido sulfúrico Ácido clorhídrico Ácido nítrico
Bases:
Hidróxido de amonio Agentes oxidantes:
Amoniaco Sales de amonio Cianuros Carbonatos Cloruros
Agentes acomplejantes:
Amoniaco Sales de amonio Cianuros Carbonatos Cloruros
El ácido sulfúrico es el agente lixiviante más ampliamente utilizado en la lixiviación del cobre, por las razones de cualidad química, costo de fabricación y disponibilidad. Una fuente de producción de ácido sulfúrico (H2SO4), es el SO2 producido en las fundiciones de cobre lo que permite disminuir la polución y obtener ácido como subproducto a un costo relativamente bajo. El consumo de ácido sulfúrico es un ítem de costo altamente significante en el proceso extractivo, especialmente en las plantas de mediana y baja capacidad, ya que por cada Kg. de cobre producido se consumen de 2,5-7 Kg. de ácido, (según la mena). El consumo de ácido absorbe de un 20 a 40% del costo de producción unitario. El oxígeno atmosférico y el ión férrico producido por acción bioquímica sobre minerales, son los agentes oxidantes más económicos y empleados en los sistemas lixiviantes oxidantes para el cobre. 1.8
Métodos de lixiviación
En la industria se practican varios métodos para contactar la fase sólida con la solución acuosa extractante en un espacio confinado. La selección del método de lixiviación depende de: Características físicas y químicas de la mena. Caracterización mineralógica. Ley de la mena.
Solubilidad del metal útil en la fase acuosa. La cinética de disolución. Magnitud de tratamiento. Facilidad de operación. Reservas de mineral. Capacidad de procesamiento. Costo de operación y capital. Rentabilidad.
La hidrometalurgia del uranio del cobre, presentan las mayores variedades de métodos para lixiviarlos, entre estos tenemos:
Lixiviación in-situ. Lixiviación en botaderos. Lixiviación en pilas. Lixiviación reactores agitados. Lixiviación en autoclaves o reactores a presión.
El detalle de los métodos se describen en la siguiente tabla Tabla 1.6 Resumen de técnicas de lixiviación Rango de Aplicaciones y Resultados
Métodos de lixiviación En Botaderos
En pilas
Percolación
Agitación
Ley del mineral
Baja ley
Baja-media
Media-alta
Alta ley
Tonelaje
Grande
Gran a mediano
Amplio rango
Amplio rango
Inversión
Mínima
media
Media a alta
alta
Granulometría
Corrido de mina
Chancado grueso
Chancado medio
Molienda húmeda
Recuperaciones típicas
40 a 50%
50 a 70%
70 a 80%
80 a 90%
Varias semanas
Varios días
horas
Tiempo tratamiento Soluciones
de Varios años
Diluidas 1-2 g/L Diluidas 1-2 g/L 20-40 g/L Cu Cu Cu
Problemas -Recuperación principales en su incompleta. aplicación -Reprecipitación de Fe y Cu.
-Recuperación -Bloqueo por incompleta finos. requiera de grandes áreas. -Requiere de más inversión. -Canalizaciones. -Manejo de
5-15 g/L Cu -Molienda. -Lavado en contracorriente -Tanque
de
-Canalizaciones
-Re-precipitación materiales.
Evaporación.
-Evaporación.
-Evaporación.
-Soluciones diluir.
-Pérdida soluciones
de
relaves
-Necesita de -Inversión muy mayor control alta en la planta. -Requiere abundante agua.
Soluciones muy diluidas.
-Control de la planta es más sofisticado.
1.9 Cinética de la lixiviación La termodinámica predice las condiciones de equilibrio a que debe llegar una reacción química en ciertas condiciones dadas, es decir, mide la tendencia de una reacción a ocurrir. Sin embargo, la termodinámica no nos dice nada acerca de la velocidad con que el sistema procederá hacia el equilibrio ni tampoco nada respecto, al mecanismo de las reacciones. La cinética por lo tanto nos dará información muy valiosa, tanto para la ingeniería de un proceso, como para predecir velocidades en una gran variedad de condiciones. Esto es importante porque el metalurgista necesita lograr un rendimiento óptimo en el menor tiempo posible. En general, un estudio cinético puede aportar dos tipos de información importantes para:
Diseño de quipos y proceso. Determinación de mecanismos.
Conocer cuales son los factores que determinan la velocidad de un proceso y como puede ser éste manejable en la práctica, es muy importante en todo proceso metalúrgico, pero en hidrometalurgia es un apoyo fundamental por varias causas:
Los procesos hidrometalúrgicos operan a temperatura ambiente o algo superior. Las reacciones son de carácter heterogéneo. En general, los proceso hidrometalúrgicos aplicados son lentos.
El mecanismo de reacción entre un sólido y una solución involucra las siguientes etapas consecutivas: 1.
Disolución de reactantes gaseosos en la solución acuosa (si los hubiera).
2.
Transporte de los reactantes disueltos hacia la interfase sólido-líquido.
3. Transporte de los reactantes a través de una capa producto o ganga de mineral hacia la superficie de reacción (difusión: poros; sólido). 4. Reacción química de los reactantes con el mineral (reacciones; adsorción; químicas; electroquímicas). 5. 6.
Transporte de los productos solubles a través de la capa producto hacia la superficie sólido-líquido. Transporte de los productos solubles hacia el seno de la solución.
Algunas etapas en ciertos casos no se presentan, como sucede cuando no se forma capa sólida producto o el mineral no está bloqueado por la ganga. La velocidad de todas estas etapas es proporcional al área de interfase sólido-líquido y del área de reacción, que en algunos casos puede coincidir. También la etapa más lenta es la que controla la velocidad del proceso, lo que puede implicar un control, químico o por transporte. Los factores que afectan la cinética de las reacciones heterogéneas de lixiviación son numerosos, destacándose:
Temperatura. Geometría, tamaño, porosidad del sólido. Formación producto sólido o no. Tipo de control. Naturaleza reacción química. Concentraciones de los reactantes y productos solubles. Reacciones laterales ocurrentes. Solución
Núcleo de mineral no reaccionado
Cu2
Película de
H+
CuO
Zona Porosa Reaccionada
Estado Inicial 2.1. Cinética
de lixiviación
Estado en tiempo t
Tomando en como ejemplo la disolución Copper Wad +
2+
CuO + 2H = Cu
+ H2O
Se observa que el cobre que se encuentra formando una red cristalina en estado sólido, por intermedio de la reacción química de ácido que “ ataca” el mineral, éste se transfiere ( pasa) de una fase acuosa a ++ una fase líquida, ahora como electrolito Cu .
2.0 LIXIVIACIÓN ÓXIDOS DE COBRE Los minerales oxidados son el producto de la degradación de un depósito o zona originalmente sulfurado, la cual se alteró por acción del oxigeno, aguas freáticas, bio-oxidación, etc. En general la cinética de lixiviación de los óxidos de cobre es dependiente de la actividad de los iones hidrógeno en el sistema acuoso. El área de la superficie de reacción, geometría, tamaño, formación producto de reacción insoluble, también afectan la cinética. La disolución de óxidos de cobre normalmente no requiere la presencia de un agente oxidante para que se de una reacción de oxidación-reducción. Una excepción, es la disolución de cuprita (óxido cuproso) en soluciones ácidas. En ausencia de oxígeno o u otro oxidante la reacción es: +
+
+
En presencia de oxígeno, la cuprita reacciona para formar iones cúpricos en solución: +
+
+
En presencia de un ión férrico:
En el caso de la crisocola, Pohlman y Olson determinaron que la disolución obedece al modelo del núcleo reducido con un control mixto.
La capa de sílice es una barrera para la difusión del extractante, la otra es la reacción química en el frente móvil. Los sulfatos básicos de cobre, los cloruros y carbonatos presentan alta velocidad de disolución comparada con la crisocola y la cuprita, al lixiviarlas con ácido. Considerando los óxidos incluidos en la roca matriz formando un fragmento de mena, para la cinética es fundamental las siguientes características:
Tamaño fragmentos. Modo ocurrencia de los minerales útiles. Porosidad de los fragmentos. Reactividad de la ganga. Composición minerales útiles. Ley de cobre. Forma de contactar los fragmentos sólidos con la fase acuosa ácida. Concentración de ácido en la solución.
La porosidad de los fragmentos es muy importante para la cinética de lixiviación con trozos gruesos, la presencia de grietas, capilares, poros abiertos en la roca afectan la velocidad de penetración de la solución acuosa. Sullivan, determinó, que la acción capilar de penetración junto a la solubilidad del gas que llena los poros en el lixiviante, son los dos factores más importantes para el transporte de la solución acuosa a través del volumen del fragmento.
Para Sullivan, el tamaño del fragmento es la variable primaria confiable que afecta la velocidad de penetración de la solución. El chancado de menas no sólo reduce la distancia que debe ser penetrada, si no que también incrementa el número de pasajes disponibles para la entrada de la solución por creación de grietas, fisuras microcópicas, micro-capilares. Cuando los pasajes están completamente llenos de agua, el transporte del extractante a los sitios de ataque sólo se realiza por difusión en el medio líquido lo que es un proceso lento. Las reacciones de los óxidos de cobre más comunes al lixiviarlos con ácido son: Azurita:
Malaquita:
Atacamita:
Crisocola:
Brocantita:
Tenorita:
Cuprita:
2.1
Óxidos refractarios: Dentro de las materias minerales como recursos para extraer cobre, hay dos casos que son de alto interés de análisis por su problemática y desafío que presentan, estos son:
Menas de cobre de yacimientos tipo “exóticos”. Nódulos marinos polimetálicos.
Las características comunes de estos recursos cupríferos para su procesamiento hidrometalúrgico son:
Refractariedad a la lixiviación ácida tradicional. No presentación de especies mineralógicas de cobre separadas, sino formando mezclas amorfas de óxidos metálicos hidratados. Presencia de óxido de manganeso tetravalente como fase que contiene al cobre oxidado distribuido.
La ganga consiste de varios minerales arcillosos (caolín, montmorillonita, clorita, sílice, etc.). Facilidad de conminución (Wi = 7 Kwh. / ton).
Pincheira y colaboradores, determinaron las propiedades físico-químicas de los minerales y su incidencia en la lixiviación y electroobtención, observándose que en cuanto a la extracción de cobre es más importante el grado de alteración de la roca que la especie mineralógica de cobre predominante (atacamita, crisola, “Koper wad”, “Koper pictch”). Clasificación geológica
% Caolín
%Extrucción cobre
5
85
Alteración leve
5-10
77
Alteración parcial
15-20
60
Alterados
20-40
37
Frescos
Para las muestras alteradas, se estima que la refractariedad se debe al “ Koper wad” por micas y arcillas portadoras de cobre. Las lixiviaciones ácido-reductoras , muestran una mayor extracción del cobre, por disolución del manganeso a través de un mecanismo redox. En el caso de los nódulos polimetálicos, a pesar de ser porosos (60%) y con una superficie específica de alrededor de 200 (m²/g), su lixiviación ácida directa a baja temperatura es lenta. Dado sus contenidos en manganeso, se han propuesto métodos para disolver la matriz de manganeso tetravalente, mediante pretratamiento de reducción térmica, lixiviación ácida-reductora, lixiviación con HCl. Todos los avances logrados en lixiviación de nódulos estimaron disolver el Ni, Cu y Co contenidos y no el manganeso. 2.2 Lixiviación de sulfuros La lixiviación de sulfuros de cobre se caracteriza por: Requerir condiciones oxidantes. Dado el carácter de buenos conductores electrónicos de los sulfuros, principalmente la cinética de disolución de ellos, está controlada por procesos electroquímicos. Cinética menor comparada con óxidos. Interacción con actividad bacterial Formación de fases sólidas intermedias durante la lixiviación. La extracción hidrometalúrgica del cobre a partir de sulfuros, actualmente se realiza para menas de baja ley, por métodos que utilizan la acción bioquímica y de largo tiempo de ataque (in-situ; botaderos). El procesamiento hidrometalúrgico de sulfuros de alta ley o concentrados de flotación no ha logrado competir económicamente con la vía flotación fundición. Los sistemas lixiviantes de sulfuros de cobre son numerosos, pero comercialmente escasos, para presentar el comportamiento de los sulfuros de cobre en forma más concisa, analizaremos las especies más comunes.
2.2.1 Covelita La disolución de covelita en sulfato férrico-ácido, se ha postulado como
La velocidad de disolución, está controlada por la reacción química y la concentración de un pronunciado efecto sobre la velocidad solamente hasta el máximo de 0,005 M.
ejerce
La disolución con soluciones de H2SO4 - O2 es más lenta que con soluciones de sulfato férrico. 2.2.2 Calcocita Sullivan en 1930, determinó que la disolución de calcocita en soluciones de sulfato férrico, se realiza en dos etapas.
La reacción global es:
Sullivan, observó que el azufre elemental no fue formado hasta que la extracción alcanzara alrededor de 50% de cobre, esto indica que la reacción de la primera etapa es muy rápida comparada con la segunda. Varios estudios posteriores han establecido:
El producto CuS no es covelita normal. La etapa inicial es rápida con una energía de activación baja y control por transporte en la fase acuosa. La segunda etapa está controlada químicamente.
2.2.3 Bornita Su disolución por debajo de 40 °C con , se realiza por dos etapas, siendo la primera mucho más rápida, termina con la disolución del 28% del cobre, la segunda es lenta y prácticamente se detiene cuando un 40% del Cu ha sido extraído. A temperaturas mayores, las dos etapas se presentan, la rápida hasta 40% de extracción y la lenta hasta disolución total. Ugarte, propone el mecanismo a temperatura > 40% °C Etapa 1:
Etapa 2:
2.2.4 Calcopirita Es el mineral de cobre más común y refractorio a la disolución relativamente comparado con otros sulfuros. Por lo anterior, numerosos estudios de cinética y procesos de lixiviación se han realizado, sin embargo, varios aspectos de la disolución de la calcopirita no están completamente resueltos cuando se utiliza ión férrico. Las conclusiones obtenidas en la disolución con ión férrico a pesar de no haber consenso, coinciden en: o
La disolución se realiza por la reacción:
o o
Cinética parabólica y control por transporte a través de la capa producto de azufre Cuando se emplea sulfato férrico, la velocidad de disolución es directamente hasta 0,01 M. proporcional a la concentración de
o
En el caso de cloruro férrico, la velocidad depende de la concentración del ión férrico.
o
Las soluciones de cloruro férrico son más extractantes que las de sulfato, cualidad que es más presentable cuando la temperatura está sobre 50 °C.
o
La energía de activación es alta.
o
Todos los autores, expresan que la calcopirita es relativamente refractaria para lixiviarse.
Para la etapa controlante, se han sugerido varias teorías: Bauer y Beckstead, consideran la etapa controlante a la difusión de . Dutrizac, estima lo anterior para una concentración de 0,01 M
a través de la capa producto , para mayores valores el
control es debido a la difusión de iones . Muñoz, ha propuesto últimamente que el control es por el transporte de electrones por la capa producto de azufre y el mecanismo siguiente: Reacción Anódica:
Reacción Catódica:
3.0
Lixiviación en pilas
3.1. Aspectos teóricos de la lixiviación en pilas En éste proceso el mineral de cobre es tratado con soluciones ácidas diluidas, distribuidas en la superficie de la pila a una determinada tasa de riego, expresada en litros por unidad de tiempo y por 2 m de superficie de pila, limitada por la percolabilidad del material, esto es, por la capacidad del mineral chancado a una granulometría dada, para drenar la solución alimentada en ésta superficie por los regadores, sin inundarse o formar capas freáticas en el interior del montón de mineral. Durante el paso a través del mineral, el ácido se consume en el ataque de la mena y de la ganga, incorporando a la fase acuosa las especies solubles para que sean evacuadas por la canaleta recolectora ubicada en el frente de su base. Las fuerzas que regulan el fenómeno y por lo tanto la velocidad de reacción en la interfase sólidolíquido, deben ser parte de un movimiento hidráulico del tipo capilar y sólo en segunda instancia de uno de carácter gravitatorio, debido a que la lixiviación en pilas tiene en si una cinética lenta, comparada con procesos del mismo tipo que trabajan con lechos inundados (lixiviación por percolación y agitación) y por el grado de conminución a que es sometido el mineral. La solución debe mojar toda la roca para que pueda penetrar en todo los poros. Se entenderá como ciclo de lixiviación de una pila o módulo, el tiempo medido en días o meses, en que un mineral es depositado en una cancha de lixiviación y es sometido a las siguientes operaciones:
Lixiviación o regadío con solución lixiviante. En las pilas de tipo dinámico, se pueden distinguir un riego rico y un riego intermedio.
Lavado con agua. Esta etapa se realiza con el fin de disminuir la impregnación de solución químicamente activa, ya sea porque contiene un elemento valioso en solución, o, porque contiene un lixiviante peligroso.
Drenaje. El ripio antes de retirarlo, en el caso de una pila renovable, o de abandonarlo en el caso de una pila permanente, es dejado en reposo para que percole la cantidad de solución contenida entre los límites de humedad de precolación y de humedad de impregnación del material. Carga y descarga. En el caso de pilas renovables, involucra el tiempo de construcción de la pila y su remoción. 3.2 Clasificación de los tipos de pilas 3.2.1
Respecto al piso
Una primera clasificación de las pilas es de acuerdo con el piso que pueden tener, de acuerdo a: 3.2.1.1 Pila renovable Su piso es reutilizable, de modo que terminado el ciclo de lixiviación se retira el ripio, para reemplazarlo con material fresco. Campo de aplicación: Minerales de alta ley, alta recuperación, rápida cinética de lixiviación, apropiadas para lixiviación de menas primarias. Características generales:
Pilas relativamente bajas para permitir una rápida carga y descarga del material, de granulometría fina y la altura se define por el sistema de carguío y por la concentración de las soluciones a obtener. 3.2.1.2Pila Permanente Su piso no es reutilizable, de modo que terminado el ciclo de lixiviación no se retira el ripio, sino que se abandona. Campo de aplicación: Minerales de baja ley, baja recuperación, lenta cinética, lixiviación secundaria de ripios y amplio espacio disponible. Características generales: Pilas elevadas para lograr una alta densidad de carga por m² de pila, granulometría alta, diseñadas para cargas sucesivas de mineral en capas y la altura queda limitada por las necesidades de oxígeno en el interior de la pila. 3.2.1.3 Pila Modular Es una combinación de ambas anteriores, en que solo se impermeabiliza una vez el piso, el ripio se abandona, pero sobre él se deposita material fresco formando una segunda capa en el sentido vertical. Este tipo de pila se utiliza principalmente en la lixiviación de minerales en botaderos. 3.3
Respecto a la operación
Desde el punto de vista de su operación las pilas pueden clasificarse en los siguientes tipos: 3.3.1
Pila Unitaria
Se impermeabilizan diferentes sectores de la planta y todo el material de cada uno de estos sectores pasa simultáneamente por las diversas etapas del ciclo de lixiviación. Características: Carga de una vez la totalidad de la pila y la descarga de una vez al término del ciclo de lixiviación, ventajosa para plantas de baja capacidad; operación más simple y flexible. 3.3.2
Pila dinámica
Se impermeabiliza un sector de la planta y en ésta única no existen materiales que están en las distintas etapas del ciclo de lixiviación. Características: En cada período, que puede ser diario o múltiplos de la alimentación diaria, descarga un módulo y descarga otro, los cuales además van directamente adosados a sus respectivos sectores de la pila, con la condición de que no haya contacto entre la mena fresca y el ripio agotado. De esta forma la camada queda formada por sub. -Pilas internas; tiene menor inversión unitaria, mejor aprovechamiento del piso impermeable, ciclos de operación muy regulares; concentraciones muy estables y regulables de las soluciones de proceso; menor capital de trabajo.
4.0
TECNOLOGIA DE LA LIXIVIACION
INTRODUCCIÓN Esta sección describe la operación de lixiviación en la cual el mineral aglomerado se distribuye en pilas y se lixivia para recuperar el cobre con solución de refino y solución de lixiviación intermedia (ILS). La operación de lixiviación depende de las piscinas y de las bombas de solución, así como de la adición de agua de reposición sin tratar y de ácido sulfúrico. Los operadores del área de lixiviación deben conocer el funcionamiento de los sistemas de bombeo de las piscinas de solución. Estos sistemas se analizan en este módulo. 4.1 PISCINAS Y BOMBAS DE SOLUCIÓN La solución que se distribuye hacia la pila de lixiviación se origina en las diversas piscinas de lixiviación. Las bombas centrífugas verticales de las piscinas envían la solución al destino deseado. La piscina de refino recoge la solución de la operación de SX (extracción por solventes) después de que se ha extraído la mayor parte del cobre de la PLS (solución rica de lixiviación). La solución de refino se recicla hacia las fajas de lixiviación durante un ciclo de lixiviación de segunda etapa para recuperar el cobre remanente en el mineral después de que ha finalizado la lixiviación de primera etapa. La piscina de ILS (solución de lixiviación intermedia) recoge la solución producida por la lixiviación parcial del cobre del mineral en las fajas de lixiviación durante el ciclo de lixiviación de segunda etapa. Luego, esta solución se bombea hacia las fajas de lixiviación y se recicla como solución de lixiviación durante la operación de lixiviación de primera etapa. La piscina de PLS recoge la solución producida por la lixiviación del cobre del mineral en las fajas de lixiviación durante el ciclo de lixiviación de primera etapa. Luego, esta solución fluye por gravedad hacia el proceso de SX (extracción por solventes) para su posterior procesamiento con el fin de recuperar el cobre contenido. 4.2 Piscina de refino El refino (solución agotada a aprox. 0,44 gramos por litro [g/L] de cobre en el proceso de SX) de la operación de SX fluye por gravedad hacia la piscina de refino. La piscina de refino tiene una capacidad normal dependiendo del las condiciones de la planta. Desde aquí, se bombea hacia las fajas de lixiviación durante el ciclo de lixiviación de segunda etapa para recuperar el cobre que queda en el mineral después de finalizar la lixiviación de primera etapa. La solución resultante, denominada ILS (solución de lixiviación intermedia), fluye por gravedad hacia la piscina de ILS. El refino contiene aproximadamente 9,7 g/L de ácido sulfúrico libre y tiene un pH de aproximadamente 1,20. El ácido en el refino realiza la lixiviación de segunda etapa. Se agrega agua de reposición a la piscina de refino desde el suministro de agua fresca, según sea necesario, para reemplazar el agua perdida por evaporación de la superficie de la pila de lixiviación y de las piscinas. También se agrega agua fresca para reponer la solución retenida con el residuo de la lixiviación. Se agrega ácido sulfúrico a la solución de refino para reponer el ácido consumido durante el proceso. El ácido es bombeado, a una razón controlada, desde el estanque de almacenamiento de ácido sulfúrico hacia la línea de alimentación de refino. La piscina de refino rebasa por gravedad hacia las líneas de recolección que alimentan la piscina de ILS. Estas líneas de recolección serán analizadas más adelante en esta descripción. Bombas de refino El refino es bombeado desde la piscina de refino por bombas de accionamiento de velocidad variable multietapas de turbina vertical. Generalmente, tres bombas están operando y una está de reserva. Las bombas están provistas accionamientos de velocidad variable para el control del flujo. Hay una válvula de no retorno instalada en la descarga de cada bomba para impedir que la solución se devuelva a través de la bomba cuando no está funcionando. 4.3 Piscina de solución de lixiviación intermedia (ILS)
La solución de lixiviación intermedia (ILS), producida por la lixiviación parcial del cobre del mineral en la pila de lixiviación durante el ciclo de lixiviación de segunda etapa, fluye por gravedad desde la pila de lixiviación hacia la piscina de ILS. Luego, esta solución vuelve a la pila de lixiviación en forma de solución de lixiviación para ser usada durante la operación de lixiviación de primera etapa. La ILS contiene aproximadamente 11,5 g/L de ácido sulfúrico libre y tiene un pH de aproximadamente 1,2. El ácido de la ILS realiza la lixiviación de primera etapa del cobre contenido en el mineral para producir una solución rica con aproximadamente 4,68 g/L de cobre. Se agrega ácido sulfúrico a la piscina de ILS para reponer el ácido consumido durante el proceso. El ácido se bombea, a una razón controlada, desde el estanque de almacenamiento de ácido sulfúrico hacia la línea de alimentación de ILS. Bombas de ILS La solución ILS es bombeada desde la piscina de ILS por bombas multietapas de turbina vertical .Las bombas están provistas de accionamientos de velocidad variable para el control del flujo. Hay una válvula de no retorno instalada en la descarga de cada bomba para impedir que la solución se devuelva a través de la bomba cuando no está funcionando. 4.4 Piscina de solución rica de lixiviación (PLS) La solución rica de lixiviación (PLS) es producida por la lixiviación de cobre del mineral en la pila de lixiviación durante el ciclo de lixiviación de primera etapa. Ésta fluye por gravedad desde la pila de lixiviación, a través de un sistema de tuberías colectoras, hacia la piscina de PLS. Esta solución fluye por bombeo desde la piscina de PLS hacia la planta de SX (extracción por solventes) para su posterior procesamiento, con el fin de recuperar el cobre contenido. La solución de PLS contiene aproximadamente 4,68 g/L de cobre y 3,8 g/L de ácido sulfúrico libre y tiene un pH de aproximadamente 1,55. Bombas de PLS La solución de PLS es bombeada desde la piscina de PLS por bombas multietapas de turbina vertical Generalmente, tres bombas están operando y una está de reserva. Hay una válvula de no retorno instalada en la descarga de cada bomba para impedir que la solución se devuelva a través de la bomba cuando no está funcionando. 4.5 PILA DE LIXIVIACIÓN Características del mineral de lixiviación El mineral de lixiviación primero se extrae, se chanca y se aglomera. Luego, se transporta a la pila de lixiviación mediante una serie de correas transportadoras y el apilador lo deposita en la pila de lixiviación. En la etapa de chancado, el mineral es chancado de forma tal que el 80 por ciento de las 1 partículas de mineral tengan menos de /2 pulgada de diámetro y el 100 por ciento del mineral tenga un diámetro inferior a ¾ de pulgada. El mineral contiene 0,7 a 1,0 por ciento de cobre soluble. El cobre soluble está presente en forma de un mineral, que se disuelve fácilmente en una solución de ácido sulfúrico. El principal componente de mineral de cobre del mineral es una mezcla de brochantita y antlerita [Cu(4El cobre en este mineral se disuelve relativamente rápido en una solución de ácido 3)SO4(OH)]. sulfúrico. Los otros componentes de mineral que contienen cobre en el mineral principal son la . crisocola [(CuAl)2H2Si2O5 H2O] y cobre nativo oxidado (CuO2). El cobre en estos minerales se disuelve lentamente en una solución de ácido sulfúrico. La mayor parte de este cobre no se recuperará durante la operación de lixiviación. El mineral también contiene una variedad de minerales arcillosos, tales como ilita, moscovita y sericita. Estos minerales no contienen cobre. 4.6 Construcción de la pila de lixiviación La base de la pila es tierra natural compactada con una inclinación general ascendente de 1 a 5 grados, que va de oeste a este. Sobre el suelo, se pone cuidadosamente una capa de tierra
especialmente seleccionada. Esta capa ayuda a proteger el único revestimiento de 60 milésimas de pulgada de HDPE (polietileno de alta densidad) que se pone a continuación. Ésta es la barrera impermeable que recoge las soluciones de lixiviación y evita la pérdida de solución hacia el suelo. El revestimiento impermeable se extiende para traslapar un revestimiento similar colocado en las zanjas colectoras de solución que rodean el borde de la pila. Sobre el revestimiento, se coloca una serie de tuberías colectoras de 4 pulgadas. Luego, se coloca otra capa de material cuidadosa-mente seleccionada. Esta capa tiene aproximadamente 0,6 metros de espesor y es la última capa de preparación antes de colocar el mineral. Entre el mineral y esta capa, se coloca una serie de tuberías colectoras de 6 pulgadas. Las tuberías colectoras recogen la solución de lixiviación que drena hacia el fondo de la pila. Esta solución es dirigida al oeste, hacia las tuberías colectoras principales analizadas más adelante en esta descripción. La pila de lixiviación está construida sobre una superficie preparada especialmente, como se ilustra en la Figura 4.1. Figura 4.1 Pila de lixiviación y revestimiento
La pila de lixiviación está construida en capas. Estas capas también se denominan pisos. Una vez que se ha puesto suficiente mineral en un piso y el piso está debidamente preparado, se colocan las tuberías de distribución de solución sobre la superficie del piso superior. Se conectan las tuberías y comienza el ciclo de lixiviación. La construcción de los pisos es un elemento importante en la operación del área de lixiviación, debido a que la programación del área de lixiviación debe tomar en cuenta el avance de la construcción de los pisos de lixiviación. El piso se divide en franjas largas y angostas llamadas fajas. Para el primer piso de la pila de lixiviación, una faja comúnmente mide 160 metros de ancho por 900 metros de largo (la dimensión de 900 metros va de oeste a este). Cada faja se divide en cuatro bloques, cada uno de aproximadamente 160 metros de ancho por 225 metros de largo. Debido a la pendiente natural del mineral, a medida que se agregan pisos adicionales a la pila, la longitud de las fajas disminuye progresivamente en la cima de cada piso adicional.
La pila de lixiviación se construye en dos fases. En la Fase 1, los pisos se construyen, primero, en el lado sur de la pila. Mediante la construcción de rampas en las fajas y utilizando la apiladora, el piso se construye de a una faja a la vez hasta completar todo el piso. Durante la Fase I, se construyen 6 fajas. Una vez que las Fajas 1 a 6 tienen una altura de cuatro pisos (24 m), comienza la construcción de fajas en la esquina sudeste de la Faja 7, que es el inicio de la Fase II. El primer piso de la Fase II se deposita a medida que los equipos se mueven desde la Faja 7 a la Faja 8 y continúan a las Fajas 9, 10 y 11. Se depositan otros tres pisos sobre las Fajas 7 a 11, lo que hace que la pila de lixiviación tenga una altura uniforme de 24 metros en toda su longitud. La Fase III comienza cuando se deposita un piso desde la esquina sudeste de la Faja 1 a todo lo largo de la pila este hasta el extremo de la Faja 11. Esto crea el Piso 5. Se depositan otros dos pisos idénticos. Aunque el Piso 8 se crea de la misma forma que los tres pisos anteriores, la cantidad de fajas del Piso 8 disminuye a diez para crear una pendiente. Es necesario crear una pendiente en la pila para mantener las paredes estables. Los Pisos 9 al 11 son idénticos al Piso 8. En el Piso 12, la cantidad de fajas se reduce a nueve para aumentar la estabilidad de la pila. Los Pisos 13 y 14 son idénticos al Piso 12. 4.7 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN Y RECOLECCIÓN DE SOLUCIÓN Conceptos generales sobre riego El riego es la aplicación oportuna y uniforme de agua /solución a un lecho de lixiviación con el objeto de producir la máxima recuperación de la especie de valor (cobre). 4.7.1 Diseño del sistema de riego La capacidad de la instalación debe ser suficiente para satisfacer las necesidades de riego en la condición de máxima demanda. La clave de un buen diseño de riego consiste en establecer de la forma más precisa posible los requerimientos que posteriormente se le exigirán a la instalación. El sistema de riego debe estar construido con materiales resistentes a: Agentes químicos que se utilizan en la lixiviación. Desgaste por el uso y las condiciones de operación. Condiciones climáticas de trabajo. El sistema de riego debe poseer un sistema de control que asegure un funcionamiento continuo, de acuerdo a los estándares establecidos, y además, entregando la máxima flexibilidad a la operación. El cálculo del diseño de un sistema de riego debe cumplir con las normas estipuladas para los sistemas hidráulicos, principalmente:
Las pérdidas de carga (cañerías codos, válvulas, emisores y otros accesorios).
Medidas de protección de las instalaciones, operación y ambiente.
Accesorios para la operación, control y mantención.
La instalación debe ser optimizada en su relación costo /beneficio Se deben llevar a cabo estudios y análisis que permitan conocer los parámetros que determinan las restricciones a los que deba someterse el proyecto.
4.7.2 Caracterización del sistema de riego 4.7.2.1 Caracterización Geotécnica Análisis de estabilidad de la pila durante la lixiviación. 4.7.2.2
Propiedades resistentes (cohesión- fricción). Efecto de la humedad. Nivel freático. Deformación volumétrica. Factor de seguridad.
Caracterización metalúrgica
Mecanismos que controlan la cinética de extracción del cobre:
Aspectos químicos.
Aspectos físicos (fenómenos de transporte).
Identificar la influencia del riego en estos mecanismos de control. 4.7.2.3 Caracterización hidrodinámica El riego debe ser definido en función de las características hidrodinámicas del material que se quiere lixiviar, para:
Optimizar el rendimiento metalúrgico. Asegurar la estabilidad de la pila. Reducir los costos. Aumentar la simplicidad del proceso.
Maximizar la concentración de cobre en la solución.
Convencionalmente durante el riego, predomina el movimiento vertical hacia abajo debido a la acción gravitatoria. No obstante, en realidad el flujo puede resultar bi o tridimensional. De esta forma los bulbos de humectación pueden presentar formas cilindrocónicas y hasta esféricas. El flujo de solución y el calendario de riego deben correlacionar con la fracción de líquido que participa en el transporte del cobre, evitando saturaciones del lecho, que eventualmente pueden ser localizadas. El objetivo fundamental en la definición del calendario de riego es maximizar el contacto soluciónmineral. 4.8 Tecnologías de riego 4.8.1 Goteo Se llama así a los sistemas que aplican solución con caudales bajos (<=16 L/h) por puntos individuales de emisión. En ellos se produce la disipación de una gran cantidad de energía por la que el líquido sale gota a gota. En el riego por goteo se debe tener en cuenta: Las características principales que se deben tener presentes en la selección de un emisor son:
Caudal uniforme y constante. Poco sensible a las variaciones de presión. Poca sensibilidad a las obturaciones. Elevada uniformidad de fabricación.
Resistente a la agresividad química y ambiental. Bajo costo. Estabilidad de la relación caudal- presión a lo largo del tiempo. Poca sensibilidad a los cambios de temperatura.
Reducida pérdida de carga en el sistema de conexión.
El riego por goteo es recomendable cuando:
La disponibilidad del líquido es escasa. No existe riesgo de precipitación de sales presentes en la solución. Existe régimen de viento fuerte y permanente.
Las condiciones de temperatura son extremas (pueden funcionar enterrados).
Según el diámetro de la sección mínima de paso, tuberías, emisores y sistemas integrados pueden clasificarse en:
4.8.2
Muy sensibles a las obturaciones: d <= 0,7 mm. Sensibles 0,7 mm < d <=1,5 mm. Poco sensibles d > 1,5 mm. Velocidades mayores a 4,5 m/seg. reducen muchos las obturaciones. Es recomendable que el sistema de filtrado no deje pasar partículas sólidas de diámetros mayores a 1/10 del diámetro de la sección mínima de paso del gotero.
Aspersión
Puede decirse que se trata de un sistema en el que la superficie de la pila recibe la solución en forma de lluvia. Básicamente un sistema de riego por aspersión consta de:
Grupo de bombeo. tuberías de transporte. Tuberías de distribución. Aspersores. Elementos auxiliares.
Prácticamente todos los terrenos pueden se regados por aspersión, es especialmente recomendable en: o o o o
Suelos de textura gruesa (arenosos). Cuando la disponibilidad del recurso hídrico no es limitante. Cuando se tienen aguas muy duras y hay peligro de incrustaciones. Requieren una buena oxigenación de la solución.
o
Los aspersores pueden ser clasificados por: - Capacidad de tamaño (tamaño de boquilla). - Tamaño de gota ángulo de riego. - Anulo de influencia. - Giratorios o fijos. - Sistemas portátiles o fijos.
Comparativamente con el riego por goteo presenta las siguientes ventajas:
Mayor simplicidad de instalación. Mayor versatilidad para el riego. Menor mantención (soluciones sucias). Desventajas del riego por aspersión: Menor precisión en la entrega de la solución, por consiguiente mayor gasto de ésta. Mayor presión de trabajo que acarrea mayor riesgo de daño y más necesidad de 3 energía por m de solución gastada. Registra mayor pérdida por evaporación. El impacto de las gotas en la superficie produce una mayor compresión de la corteza.
4.9 Distribución de la solución La solución de lixiviación se distribuye hacia la pila de lixiviación a partir de dos fuentes: la solución de refino y la ILS (solución de lixiviación intermedia). La solución que se usa en cualquier área de la pila en un momento dado depende de un programa de lixiviación predeterminado. Por lo general, la ILS se usa para producir la PLS de mayor ley y el refino, para producir la ILS de menor ley. 4.9.1 Estaciones portátiles de control de flujo Para controlar el flujo de solución hacia la pila, hay estaciones portátiles de control de flujo. Cada estación está dedicada a una faja. Cada estación portátil de control de flujo tiene cuatro líneas que se extienden sobre la pila de lixiviación. Las líneas de solución principales de refino y de ILS van en dirección norte a sur, en el lado oeste de la pila de lixiviación. Las tuberías se colocan en zanjas revestidas con HDPE. La tubería hacia las estaciones portátiles de control de flujo sale de estas líneas principales de solución. Las estaciones portátiles de control de flujo constan de un flujómetro magnético y una válvula de control. Además, hay válvulas de mariposa para aislar el flujo de solución de las líneas principales de refino y de ILS. A medida que la solución fluye hacia la estación portátil de control de flujo, primero se encuentra con el flujómetro magnético. Este instrumento tiene el mismo diámetro interno que la línea que se conecta a las líneas principales de solución. El flujómetro magnético mide el caudal de solución y transmite esta lectura de flujo a la sala de control de SX. Aquí se indica el flujo y se registra el flujo total que pasa por el tubería. También se usa la señal de caudal para el control automático del flujo. Cuando la solución pasa el flujómetro, entra a una sección de tubería . En esta sección de tubería, se instala una válvula de control de flujo. Ésta es una válvula de bola con un actuador accionado eléctricamente. El motor eléctrico que opera al actuador es controlado automáticamente por el DCS, en base a la lectura de flujo del flujómetro magnético. De esta forma, el DCS puede mantener un flujo prefijado por el operador a través de la tubería, ajustando la abertura de la válvula. Una vez que la solución sale de la válvula de control de flujo, entra a otra tubería, que lleva la solución al sistema de distribución de la solución de lixiviación, sobre la pila.
Figura 4.2 Tubería principal de solución
4.9.2 Sistema de distribución de solución del bloque Cada línea de la estación portátil de control está dedicada al control del flujo de la solución en un bloque dentro de la faja. Dentro de cada bloque, hay líneas matrices secundarias, equipadas con válvulas de mariposa para aislar y controlar el flujo de la solución. Los tubos de los goteros tienen aproximadamente 45 metros de largo y salen de cada una de estas líneas matrices secundarias. Los tubos de los goteros están separados aproximadamente 0,76 metros.
Figura 4.3 Vista de planta de la tubería del bloque de lixiviación
Las líneas matrices secundarias constan de tramos cortos de tuberías de cloruro de polivinilo (PVC) que pueden ser transportados por una o dos personas. Las tuberías se unen con acoplamientos de desconexión rápida. Hay una serie de tubos de 1/2 pulgada de diámetro (12 mm de diámetro) conectados a las líneas matrices secundarias, las cuales se extienden por la superficie del bloque. Cada tubo de gotero tiene un grupo de goteros a intervalos de aproximadamente 0,6 metros en toda su longitud. .
Figura 4.4 Detalle de una matriz secundaria
La operación de los goteros en los tubos de goteros es vital para el éxito de la operación de lixiviación. El gotero a presión se analiza con mayor detalle en el siguiente principio de operación. 4.9.3 Principio de operación Goteros a presión El objetivo del gotero es controlar en forma precisa el flujo de solución de lixiviación que va a cada área de la pila de lixiviación. El gotero reduce la presión en el tubo de gotero desde aproximadamente 138 kPa en la entrada del gotero a 0 kPa en el orificio de descarga de la solución. Esto se logra gracias a una serie de orificios perforados en el gotero. El diseño de estos orificios también controla el caudal de descarga del gotero a aproximadamente, 8 litros por hora. . Los goteros están insertos en el tubo de goteo a intervalos aproximados de 0,6 metros. El gotero está fijo en el tubo, con la admisión del gotero cerca del centro del tubo. Esto ayuda a reducir la cantidad de partículas que entran al gotero, ya que las partículas tienden a desplazarse por el fondo del tubo de goteo. Si entran partículas al gotero y son muy grandes como para pasar por los orificios, se pueden alojar en el orificio, deteniendo el flujo. Debido al bloqueo, se acumula presión detrás de la partícula. Debido a que el orificio está hecho de un material de silicona flexible y se puede expandir hasta 50 veces su tamaño nominal, a medida que se acumula presión detrás de la partícula, ésta es
forzada a pasar por el orificio que se expande y a la siguiente cámara del gotero. Luego, el orificio vuelve a su tamaño y operación normales. Finalmente, la partícula pasa por todos los orificios y es descargada en la pila de lixiviación. Figura 4.5 Gotero a presión
4.9.4 Principio de operación Aspersor Inicialmente los aspersores (wobblers) fueron desarrollados para la irrigación agrícola. Vea la Figura 4.6 . Están fabricados de termoplástico de alta densidad, el aspersor tiene solo una parte móvil y ningún resorte metálico. Las únicas partes móviles son el deflector y el trípode, los cuales están sobre una base sujetados por un portaboquilla. La solución ingresa al aspersor por la base hasta el propulsor y la boquilla. El tamaño de la boquilla es seleccionado para un flujo en particular. Puesto que la solución sale de la boquilla a alta velocidad, golpea las ranuras en el deflector y trípode. Debido a la fuerza de la solución estas ranuras de deflector y el trípode se balancean y rotan al mismo tiempo. Este movimiento combinado crea un círculo uniforme de solución. El área de aspersión puede ser hasta de (5,5 m) de diámetro, dependiendo de la presión de la solución y el flujo nominal.
Figura 4.6 Aspersor
Durante la operación normal, se lixivian varios módulos al mismo tiempo. El número puede variar dependiendo de las condiciones actuales. Por lo menos un módulo adicional está siempre equipado con una red completa de tuberías y aspersores, de tal manera que la etapa de lavado pueda detenerse en un módulo y empezarse en otro sin demora. Luego del lavado de un módulo y ponerlo en su ciclo de reposo, su red de tuberías y aspersores pueden ser movidos a un nuevo modulo. Siempre que sea posible, el nuevo módulo debe ser ripiado antes de colocar las tuberías.
4.10 Sistema de recolección de solución Se han instalado tuberías colectoras en el revestimiento de HDPE en una zanja de la base oeste de la pila de lixiviación. Estas tuberías recogen y transportan la solución de lixiviación a las piscinas de solución. Hay colector para la ILS y un segundo colector para la PLS. Las tuberías y el revestimiento están cubiertos por una capa de drenaje de un tamaño máximo de 500 mm de roca harneada. El revestimiento bajo las tuberías colectoras se prolonga hacia el oeste, por debajo de la tubería que viene de las bombas de solución. Luego, el revestimiento termina en una berma al oeste de las líneas de las bombas de solución. De esta manera, todos los derrames o filtraciones de las líneas de recolección, de las líneas de las bombas de solución o de la pila misma se juntan en el punto más bajo, la zanja, donde están instaladas las tuberías colectoras y, finalmente, se juntan en el colector secundario que lleva la filtración hacia la piscina de ILS. Hay un extenso sistema de tuberías colectoras sobre y bajo la pila de lixiviación que alimenta los colectores principales. Las tuberías colectoras de la pila están instaladas debajo del primer piso y en la base de cada piso sucesivo. El sistema de recolección de cada piso sucesivo consta de una serie de tuberías de recolección y cámaras de traspaso. Las tuberías llevan la solución a las cámaras de traspaso. Desde allí, la solución fluye hacia las tuberías colectoras. La solución puede fluir a la tubería colectora ya sea de ILS o de PLS. El destino lo elige el operador y puede ser controlado mediante las válvulas de aislación en las líneas colectoras que alimentan los colectores. Figura 4.7 Corte transversal del sistema colector de solución
Durante la operación normal, fluye un gran volumen de solución a través de la pila. Si el operador deja de agregar solución nueva en la parte superior de la pila, la solución sigue fluyendo fuera de la pila y hacia la piscina durante algún tiempo. Parte de la solución queda atrapada en la pila. La parte que fluye fuera de la pila se denomina drenado de la pila de lixiviación (efluente). Existen piscinas de solución de PLS y de ILS las que pueden almacenar aproximadamente 16 horas de drenado de la pila de lixiviación.
Figura Nº 4.8 Detalle de revestimiento
La pila de lixiviación esta construida en capas. Estas capas también se denominan pisos.
4.11
Construcción del módulo de lixiviación
Se presentan a continuación algunas variables constructivas de módulos de lixiviación: Tabla Nº 4.1 Aspectos constructivos de pilas dinámicas Impermeabilización del piso Instalación de tuberías de drenaje
4‘’ (101,6 mm)
Formación de la pila
Apilador radial
Drenajes principales
18‘’ (457,2 mm)
Forma que presenta
Trapezoidal
Altura
3,5 m
Tonelaje promedio
6 400 – 8 300 t
Ángulo de reposo
45º
4.12 Sistema de lixiviación y lavado en pilas sistema dinámico El método de lixiviación en pilas es de pilas dinámicas por módulos. En base al trabajo de análisis extensivo y experiencias operacionales, la planta utiliza un ciclo de 38 días por cada módulo, ver Tabla 4.2 Ciclo de lixiviación: Tabla 4.2 Ciclo de lixiviación CICLO DE LIXIVIACIÓN
DÍAS
Apilamiento de materiales e instalaciones de tuberías
2 días
Lixiviación con alta concentración de ácido
3 días
Lixiviación con mediana concentración de ácido
5 días
Lixiviación con rafinato
22 días
Lavado de pilas
3 días
Drenado de pilas
2 días
Retiro de tuberías y ripios
1 día
TOTAL
38 días
El ciclo está diseñado para lograr una recuperación óptima de cobre soluble en ácido que se describe a continuación: La bomba dosificadora de ácido muy concentrado, es la encargada de dosificar el ácido que se adiciona al rafinato; la mezcla de ácido muy concentrado y rafinato se realiza en el mezclador estático
de ácido, esta mezcla se dirige hacia el área de lixiviación, para un riego de alta concentración de ácido. La bomba dosificadora de ácido concentrado es la encargada de dosificar el ácido que se adiciona al rafinato; la mezcla de ácido concentrado y rafinato se realiza en el mezclador estático de ácido; esta mezcla se dirige hacia el área de lixiviación, para un riego de mediana concentración de ácido. La bomba dosificadora de ácido es la encargada de dosificar el ácido que se adiciona al rafinato (si fuera necesario); la mezcla de ácido concentrado y rafinato se realiza en el mezclador estático de ácido; esta mezcla se dirige hacia el área de lixiviación, para un riego de rafinato. Las cantidades de ácido hacia los mezcladores estáticos son controladas por el sistema de control DCS, los controladores indicadores de relación de flujo de ácido son los encargados directos para realizar esta labor, la adición se calcula por medio de una relación existente entre la cantidad de rafinato entrante al mezclador y el valor deseado de flujo de ácido sulfúrico que se quiere adicionar en la pila. El sistema de riego del módulo se realiza por goteo, este sistema cuenta con tuberías de riego de 20 mm de diámetro, y una longitud de 106 m. Se disponen separadas, una de otra a una distancia de 0,5 2 m; cada emisor de goteo se encuentra a una distancia de 0,5 m, la densidad de riego es de 15 L/h/m . En la Figura 4.9 , se ilustra el detalle de la línea de riego por goteo. La lixiviación con alta concentración de ácido dura 3 días, la lixiviación con mediana concentración 5 días, y la lixiviación con rafinato dura 22 días. Figura 4.9 Detalle de una conexión de riego por goteo
Para la etapa de lavado que dura 3 días, se utiliza un sistema de riego por aspersión con agua, en el cual se utilizan aspersores, cada módulo requiere de 2 filas de 11 aspersores, la distancias entre aspersor y aspersor es de 10,6 m. En la Figura 4.10 se muestra el detalle del riego por aspersión. Figura 4.10 Detalle de la línea matriz de riego por aspersión
Sistema de recolección de solución Se han instalado tuberías colectoras de sobre el revestimiento HDPE conectadas a las tuberías de ; las tuberías colectoras recogen la solución de lixiviación que drena hacia el fondo de la pila de lixiviación, esta solución se dirige hacia las dos tuberías principales . El revestimiento de HDPE se prolonga por debajo de la tubería que viene de las bombas de solución y termina en las líneas de las bombas de solución. De esta manera, todos los derrames o filtraciones de las líneas de recolección, de las líneas de las bombas o de las pilas se junta en el punto más bajo. Hay un extenso sistema de tuberías colectoras bajo la pila de lixiviación que alimenta a los colectores principales garantizando que la solución sea enviada a la poza de solución.
4.13 LIXIVIACIÓN EN PILAS PERMANENTE Las soluciones de lixiviación (tanto refino como ILS) son distribuidas en la parte superior de las pilas de lixiviación durante la operación normal. Las soluciones escurren por los pisos y disuelven el cobre del mineral aglomerado. Cuando las soluciones llegan al revestimiento impermeable, son recolectadas en las tuberías colectoras y se envían a las piscinas de solución. 4.13.1Bloques y ciclo de lixiviación Cada piso de una pila de lixiviación se divide en fajas, cada una de las cuales es alimentada por las estaciones portátiles de control de flujo. Cada estación portátil de control de flujo tiene cuatro tuberías que se extienden por la parte superior y a través de la pila de lixiviación de oeste a este. Cada línea alimenta un bloque de lixiviación individual; es decir, hay cuatro bloques por estación de control de flujo. Cada bloque tiene aproximadamente 160 metros de ancho y 225 metros de largo y cubre un área aproximada de 36.320 metros cuadrados. Debido a que la pila de lixiviación no es cuadrada en su esquina sudoeste, las fajas y los bloques de esa área, en cierta forma, son más pequeños que el resto. Tabla 4.3 Terminología de las pilas de lixiviación Término
Ancho
Profundidad
Largo
Área
Faja
Base 160 m
6 m*
Variable— hasta 900 m
Aproximadament 2 e 144.000 m
Bloque
Ancho superior 160 m
6 m*
225 m
Normalmente 2 36.320 m
Piso
1.760 m
6 m*
Variable— hasta 900 m
Aproximadament 2 e 1.584.000 m
* Los aglomerados son apilados a una altura de 6 m. Después de aplicar las soluciones de lixiviación, el material se compacta y la altura del piso disminuye en cierta medida. La Tabla 4.4 muestra las características de la solución de lixiviación utilizada para lixiviar el mineral. Tabla 4.4 Características de la solución de lixiviación Constituyente
Refino (g/l*)
ILS (g/l*)
PLS (g/l*)
0,41
1,0
4,68
Total de hierro (Fe)
10-18
10-18
10-18
Ácido sulfúrico (H2S04)
9 a 10
9 a 10
9 a 10
1,3
1,2
1,5
++
Cobre (Cu )
pH
* Gramos de constituyente contenido en un litro de solución. En base al trabajo de análisis extensivo y a la experiencia operacional, se utiliza un ciclo de 105 días en cada bloque, como se describe más adelante en la Tabla 4.5 . Este período no incluye el tiempo de colocación del mineral en un piso. El tiempo para terminar la construcción de un piso varía de 3 a 6 meses, dependiendo del área del piso.
Tabla 4.5 Ciclo de lixiviación Actividad
Días
Curado de ácido
1
Instalación de tuberías
2
Irrigación de la pila
80
Drenaje sin riego
10
Remoción de las tuberías
2
Compactación y preparación
5
Contingencias
5
Total
105
El ciclo está diseñado para lograr una recuperación de cobre soluble global del 85 por ciento. Si es necesario, se puede modificar en base a la experiencia y las condiciones de operación actuales. Durante el período de 80 días de irrigación de solución de lixiviación, tanto el refino como la ILS se esparcen sobre la superficie de los bloques. Con el diseño de la tubería de la estación portátil de control, es posible alimentar refino e ILS a la misma faja. Esto da flexibilidad al programar la lixiviación del mineral para maximizar la recuperación de cobre. Normalmente, la ILS se usa para el primer período de irrigación de los bloques y el refino se usa para el resto del tiempo de lixiviación de los bloques. Sin embargo, en la práctica, el tiempo de cambio real de ILS a refino varía de un bloque a otro, debido a que todo el mineral de los bloques no es exactamente igual y algunos bloques pueden lixiviar más rápido que otros. El programa para pasar de una solución a la otra es determinado por el supervisor y por el personal metalúrgico, y puede modificarse en base a la experiencia y las condiciones actuales. En condiciones de operación normales, se obtienen regularmente muestras del mineral aglomerado que se está poniendo en cada bloque en la planta de aglomeración. Las muestras se llevan al laboratorio metalúrgico y son lixiviadas bajo condiciones estándares. Los resultados de estas pruebas ayudan a los operadores, supervisores y personal metalúrgico a hacer todos los ajustes necesarios al ciclo de lixiviación. 4.13. 2Programa de lixiviación A un tonelaje de producción de diseño de 54.000 a 67.500 toneladas métricas secas por día, un flujo 3 combinado de refino e de ILS a 7.200 m por hora y una razón de goteo de 15 litros por hora por metro cuadrado de superficie de pila de lixiviación, la pila de lixiviación requiere aproximadamente 480.000 metros cuadrados de área de lixiviación activa. Esto es equivalente a más de 13 bloques en lixiviación al mismo tiempo. Como lo indica el análisis anterior, cada bloque de la pila de lixiviación está en una etapa diferente del ciclo en un determinado día. A fin de controlar la operación general de manera eficiente, los supervisores y el personal metalúrgico preparan planes mensuales y anuales que muestran qué fajas se van a construir y qué bloques estarán en lixiviación durante el período del plan. Esta información se usa para preparar un programa semanal que ayude a los operadores a programar su trabajo en terreno. Aunque el programa puede ser ajustado en el corto plazo en base a las condiciones actuales, es importante mantener el plan general, a fin de poder cumplir las metas de producción de cobre. 4.13.3 Irrigación de solución de lixiviación Durante la operación normal, la solución fluye por los colectores, los subcolectores y los tubos de goteros para salir finalmente por los goteros. El operador ajusta las diferentes válvulas de mariposa para lograr el caudal deseado hacia los bloques y equilibrar el flujo hacia los cinco subcolectores. La
solución de lixiviación se aplica al mineral en los bloques a una razón de 15 litros por minuto por metro cuadrado. Con un área de bloque de 36.320 metros cuadrados, esta razón es equivalente a un flujo de solución de aproximadamente 545 metros cúbicos por hora para cada bloque. 4.13.3 Estrategia de control de la distribución de la solución La meta global de la estrategia de control de la distribución de la solución es lograr un flujo relativamente uniforme de solución de lixiviación a través de todos los goteros de la pila de lixiviación. La operación correcta del sistema de distribución de la solución requiere una comunicación y cooperación estrechas entre los operadores de la sala de control y de terreno. Como regla general, cuando se va a alimentar solución a una línea de alimentación de bloque vacía, el operador en terreno abre completamente todas las válvulas de mariposa de 6 pulgadas de la matriz secundaria que va al bloque que se va a lixiviar. Luego, el operador en terreno debe abrir la válvula de mariposa de 12 pulgadas correspondiente de la línea principal de refino o de ILS, dependiendo de la solución que vaya a poner en los bloques de lixiviación. Este procedimiento ayuda a evitar una contrapresión excesiva en los colectores y en las líneas matrices secundarias y permite que escape el aire atrapado. Cuando la solución está fluyendo en forma continua, el operador en terreno ajusta el flujo de solución 3 que va al bloque a 545 m por hora. Esto se logra al ajustar las válvulas de mariposa de 6 pulgadas de las líneas matrices secundarias que alimentan los bloques. Si es necesario, el operador puede ajustar todas las válvulas de mariposa en las líneas matrices secundarias del bloque para lograr una razón de aplicación uniforme sobre la superficie del bloque. Durante la operación normal, los operadores frecuentemente cambian el flujo de solución de lixiviación (tanto refino como ILS) desde un bloque de lixiviación a otro y, con menor frecuencia, de una estación portátil de control de flujo a otra. El procedimiento de operación normal es iniciar el flujo de solución hacia el nuevo bloque o a la nueva estación portátil de control de flujo antes de detener el flujo hacia el bloque o a la estación portátil de control de flujo en funcionamiento. Este procedimiento ayuda a evitar la formación de presión excesiva en los colectores y en las líneas matrices secundarias. 4.13.4 Monitoreo de la producción Para asegurar que siempre haya una volumen adecuado de PLS con el correcto contenido de cobre para las plantas de extracción por solventes (SX), el personal metalúrgico de la planta entrega un inventario de solución en forma regular (generalmente, semanal o mensualmente). Las anotaciones importantes de este inventario y el equilibrio masa relacionadas son los caudales de solución y los análisis químicos. Los caudales, tanto instantáneos como acumulativos en períodos de tiempo, son medidos y registrados por los flujómetros y transmitidos al DCS. Una responsabilidad importante del operador es anotar los caudales, según lo instruya el personal metalúrgico de la planta, anotándolo en la planilla de control. 4.13.5 Mezclador estático El mezclador estático mezcla el rafinato o el agua de proceso con el ácido sulfúrico para que ambos fluyan a través de una tubería hacia los módulos de lixiviación. Principio de operación Mezclador estático El mezclador estático (Static Mixer) es un equipo de acero inoxidable cuya función es la de realizar la mezcla homogénea de ácido sulfúrico con el rafinato con volúmenes que previamente han sido regulados para el riego de los módulos de lixiviación. Consiste en un tubo a través del cual pasa rafinato a un caudal determinado por las bombas de rafinato. En la parte central y en forma paralela a la tubería se encuentra una tubería pequeña por donde ingresa el ácido sulfúrico que es bombeado por una bomba dosificadora a un caudal predeterminado. Al ocurrir el contacto entre ambos fluidos (rafinato y ácido) ocurre la mezcla que es ayudada por dos deflectores que se encuentran internamente antes y después de la descarga de ácido. Estos deflectores provocan mayor turbulencia y por ende la mezcla es rápida.
Figura 2.1.7 Mezclador estático de ácido
5.0
LIXIVIACIÓN POR AGITACIÓN
Esta técnica se emplea para minerales que presentan una alta desintegración de la roca en contacto con soluciones acidulados, en minerales que generan un alto contenido de finos en las etapas de chancado, en el beneficio de menas en las que la especie de valor está en grano muy fino o muy diseminado en la roca. Es también el tipo de técnicas que se emplea para lixiviar calcinas de tostación, en la lixiviación directa de concentrados de molibdenita para disolver el cobre. La lixiviación por agitación puede realizarse en forma Bach, continúa en serie y continúa en contracorriente 5.1 Variable del proceso: El análisis de las variables de la lixiviación por agitación en sistemas industriales, para la definición y optimización del proceso, debe necesariamente hacer confluir aspectos técnicos-operacionales y económicos. Bajo un punto de vista netamente técnico, el análisis debe realizarse considerando las extracciones del elemento de cobre, disolución de impurezas y consumo de reactivo lixiviante (ácido). Así por ejemplo, en la definición de la granulometría deberá considerarse un tamaño tal que no contenga un exceso de “ gruesos” que produzcan problemas en la agitación (embancamientos, aumento de la potencia del agitador y otros) y que por otra parte, no contenga un exceso de finos, que dificulten la separación sólido-líquido posterior de la pulpa lixiviada. Debido a lo anterior y además, para disminuir los consumos de energía por concepto de molienda, la agitación se deberá tratar de realizarla al mayor tamaño que la operación lo permita. Por otra parte, tamaños más finos no sólo favorecerán la extracción del elemento, sino que pueden contribuir a un aumento significativo de la disolución de impurezas y consumos de reactivo, lo que favorecerá la conclusión técnico-económica de emplear tamaños mayores en el proceso. La norma es emplear tamaños a 100%-20 mallas, con los cuales se obtienen extracciones de cobre satisfactoriamente altas y con una cinética favorable. La fracción fina se considera 200 mallas, la cual no debe exceder de 40% como valor práctico, para una eficiente separación sólido-líquido posterior y con dosificaciones razonables de floculantes. La concentración de reactivo lixiviante dependerá de la composición química de la mena, del tipo de lixiviación por agitación emplear y del proceso final de precipitación. Generalmente una operación en serie, con 3 a 5 reactores, permite una lixiviación adecuada y económica. El uso de 3 reactores por ejemplo, permite mantener una acidez elevada en el primario, moderada en el segundo y baja en el último. Además en éste se puede determinar la acidez libre y según ella, controlar la adición de ácido en el primer reactor. Indudablemente cada unidad dispone de alimentadores controlados de ácido sulfúrico concentrado para eventuales cambios en la operación.
4.2
Aspectos teóricos de la lixiviación por agitación
La lixiviación por agitación se emplea en general para la disolución de la especie valiosa a partir de mineral con granulometría fina. La lixiviación por agitación puede realizarse en una operación Bach o continua. La granulometría del mineral no debe contener exceso de grueso (ejemplo ¼” o 4#) ya que producirían problemas en la agitación, embancamientos, aumento de la potencia del agitador) y tampoco exceso de finos que dificulten la separación sólido-líquido de la pulpa lixiviada en la etapa posterior.
El tamaño muy pequeño del mineral favorece a la extracción del cobre, contribuye a un aumento significativo de la disolución de impurezas y a un consumo excesivo de reactivo lixiviante. El mayor inconveniente yace en un alto costo operativo y dificultad en la separación sólido/líquido. Generalmente una operación en serie con 3 a 5 reactores permite una lixiviación adecuada y económica. La necesidad del manejo de reactores es definido por la cinética de extracción de mineral en particular En nuestra operación por ejemplo, permite adicionar ácido por etapas y además controlar el pH de la pulpa conforme a las exigencias que tenga la etapa subsiguiente. Se puede determinar el pH de la pulpa, y según ello controlar la adición de ácido en el primer reactor. Individualmente cada unidad dispone de alimentadores controladores de ácido sulfúrico concentrado para eventuales cambios de operación. Después de 5 horas de tiempo de retención, la mayoría del cobre ha sido lixiviado. Los principales minerales oxidados de cobre son: FORMA MINERALOGICA
FORMA QUIMICA
Crisocola
CuSiO3
Malaquita
CuCO3 . Cu (OH)2
Azurita
2CuCO3 . Cu(OH)2
Cuprita
Cu2O
Tenorita
CuO
El mineral contiene 1,46% de cobre soluble en ácido, este cobre está presente principalmente en forma de Crisocola y Malaquita que se disuelve fácilmente con una solución de ácido sulfúrico en donde el cobre se encuentra en forma de silicatos de cobre o crisocola y en forma de carbonatos de cobre como malaquita y otro tipo de óxidos en menor cantidad, también se encuentra en pequeñas cantidades de sulfuros de cobre tales como la bornita, calcosita y la chalcocopirita cuya disolución es muy mínima, prácticamente despreciable. Estos óxidos se caracterizan principalmente por tener como ganga una matriz o roca madre de carbonatos (caliza) de alto contenido de arcillas que dificultan la percolación de la solución. Las reacciones que se producen dentro de las etapas de lixiviación por agitación es (ejemplo): La crisocola, hidroxisilicato con una estructura cristalina abierta y de sulfúrico (H2SO4). +2
lixiviación rápida en ácido
-2
CuSiO3 . 2H2O + H2SO4 + 2H2O Cu + SO4 + 5H2O + SiO2 Al igual que la crisocola, la malaquita y la azurita se lixivian bastante rápido en ácido sulfúrico de acuerdo a la siguiente reacción: Malaquita de lixiviación con ácido sulfúrico Cu2(OH)2CO3
+
2H2SO4
+
7H2O
2CuSO4
+
10H2O
+
CO2
Los minerales sulfurados no son lixiviados durante los periodos de contacto corto, los óxidos metálicos sin embargo son fácilmente solubles en medio ácido lo cual permite su fácil recuperación. Los problemas que ocasionan la ganga (silicatos o carbonatos) en la lixiviación por agitación son:
Mayor consumo de ácido.
Contaminación del PLS por disolución de impurezas.
Dificultad en la separación sólido-líquido.
Descripción del proceso de decantación en contracorriente continua y lavado CCD La decantación en contracorriente continua y lavado CCD, tiene por objetivo alcanzar la separación de la solución de los sólidos lixiviados. Esta operación se lleva a cabo lavando la pulpa con rafinato en contracorriente y en varias etapas. El producto es la solución denominada PLS con alto contenido de cobre, los reactores en donde se produce este lavado son denominados decantadores (espesadores). Se dice que opera en contracorriente porque la pulpa con un 40% a lavar se alimenta al primer espesador mientras que la solución de lavado (rafinato) es alimentado en el último espesador en un arreglo cascada; mientras la pulpa avanza hacia el último espesador, la solución de lavado avanza en sentido contrario hacia el primer espesador, de esta manera se produce el lavado de los sólidos. Los equipos asociados son:
Una caja de alimentación para cada CCD de forma cilíndrica recubiertos interiormente con neopreno.
Cuatro espesadores tipo E-CAT.
Un distribuidor del underflow de los CCD.
Bombas ubicadas en el underflow para realizar la transferencia de pulpa a cada etapa
El proceso trabaja con arreglo sencillo de cuatro espesadores en cascada CCD N° 1, CCD N° 2, CCD N° 3, CCD N° 4. La pulpa sedimentada en este caso los ripios, con un rango de 40 a 50% de sólidos son retirados por la parte inferior mediante dos bombas, esta línea de bombeo descarga en el distribuidor del underflow de los CCD en el cajón correspondiente al espesador CCD N° 4 y luego enviado al tanque de ripios para su bombeo por medio de 3 bombas en serie para que estas envíen los ripios hacia el cajón de relaves de la concentradora. El sistema de control DCS esta inmerso en el circuito de decantación en contracorriente y lavado, el flujo de lavado que ingresa al CCD Nº 4 (rafinato) es controlado mediante el controlador de relación de flujo de rafinato, el flujo requerido es calculado por medio de un transductor de flujo que además de calcular el flujo de ácido sulfúrico hacia los tanques de lixiviación por agitación, calcula el punto de referencia o valor deseado de flujo de rafinato al CCD Nº 4. La densidad de la pulpa sedimentada en los cuatro espesadores también son controlados utilizando controladores indicadores de densidad uno para cada bomba de descarga del espesador
5.0 LIXIVIACIÓN BACTERIANA Para el ambiente, la introducción de una tecnología basada en biolixiviación representa un importante adelanto, ya que produce un impacto ambiental varias veces inferior a la tecnología clásica de pirometalurgia. En esta última, los sulfuros tratados en fundiciones, producen humos de chimeneas con altos contenidos de SO2 y arsénico. En la disolución de minerales sulfurados participan bacterias que requieren sólo de compuestos inorgánicos muy simples para multiplicarse, los mismos que se encuentran comúnmente en las aguas de los procesos hidrometalúrgicos. Otra de las características especiales de estas bacterias es su capacidad de crecer en soluciones extremadamente ácidas para el común de los microorganismos (pH entre 1,5 y 3,5). Thiobacillus Ferroxidans es la bacteria que más se ha investigado en relación a la oxidación biológica de los sulfuros metálicos. Actualmente también se ha empezado a conocer el papel de otros microorganismos, en especial de Thiobacillus thiooxidans y Leptospirillum ferrooxidans. La investigación microbiológica tiene mucho que decir, ya que aun existen muchas preguntas sin contestar sobre las bacterias que realmente están participando en los procesos de biolixiviación que operan a nivel comercial. La Universidad de Chile ha sido pionera en éste campo. Los primeros trabajos de caracterización de las bacterias lixiviantes se realizaron a partir de 1973 en el Laboratorio de Microbiología de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas (Prof. Claudio González y colaboradores). En la década del 80, numerosos investigadores de la universidad, junto con investigadores de otras universidades y centros de investigación, realizaron un ambicioso proyecto multidisciplinario, que incluyo el estudio de los aspectos moleculares, microbiológicos e ingenieriles de la biolixiviación, realizando contribuciones científicas y tecnológicas reconocidas a nivel mundial. La empresa nacional no se ha quedado atrás y ha hecho aportes significativos en este tema. Diferentes divisiones de CODELCO han aplicado la biolixiviación en la extracción de cobre desde ripios y otros. La Sociedad Minera Pudahuel realizó una importante innovación en este campo, desarrollando un proceso para la lixiviación bacteriana de sulfuros secundarios. Esta tecnología ha demostrado ser rentable y se aplica actualmente en la mina “Lo Aguirre”, la compañía minera “Quebrada Blanca” y la compañía minera “Cerro Colorado”.
5.1 MECANISMOS BIOLOGICOS Los siguientes son los diferentes factores biológicos más importantes que afectan al proceso de lixiviación bacteriana. •
Capacidad de oxidación directa e indirecta.
•
Adherencia a la superficie del mineral.
•
Biodiversidad de los microorganismos presentes.
•
Estado fisiológico y presencia de agentes tóxicos para las bacterias lixiviantes.
Entre todos estos factores, la viabilidad de la población bacteriana y su actibidad metabólica parece ser un factor determinante en el éxito de un proceso de extracción por biolixiviación. Por esta razón, en la presentación se discutirá especialmente el rol del estado fisiológico y el efecto agentes tóxicos en la viabilidad de las bacterias lixiviantes. En particular, se dará ejemplos de adaptación de cultivos a metales tóxicos (Cu, Zn, Hg) y los mecanismos moleculares de su resistencia a metales (Hg). Por otra
parte se revisará los distintos métodos analíticos disponibles para la determinación de la viabilidad de la población bacteriana y su actividad metabólica.
5.2 Participación de la lixiviación bacteriana en la generación de los drenajes ácidos de mina Sin embargo, estas bacterias también tienen su lado oscuro, que se manifiesta en la generación de ácido y la posterior lixiviación de metales tóxicos desde desechos y desmontes de procesos mineros. Esto produce el llamado Drenaje Ácido de Mina. Ocurre frecuentemente a partir de desechos de minas abandonadas de carbón o de diferentes sulfuros metálicos y en el interior de los relaves. Se trata de una contaminación múltiple, ya que se producen drenajes fuertemente ácidos, con altas concentraciones de sulfato y de iones metálicos en solución y con precipitados de diferentes hidróxidos férricos. En la Tabla 1 se presenta un resumen de los distintos componentes de esta contaminación. El Drenaje Ácido de Mina es una contaminación inorgánica de múltiples factores que se produce a partir de cierto tipo de minerales que se encuentran expuestos al aire y al agua. Tabla 5.1. Contaminación por múltiples factores causada por el drenaje ácido de mina. Fuente del ácido
Oxidación de pirita.
Principal ácido presente
Ácido sulfúrico.
pH
1,5 - 3,0
Acidez
110 - 64.000 mg/L de CaCO3
Conductividad
600 - 30.000 mS/cm
Precipitados
Hidróxidos férricos.
Otros elementos presentes
Cobre, níquel, zinc y plomo.
La formación de ácido ocurre cuando las bacterias oxidantes de sulfuros y de hierro transforman la pirita y otros sulfuros en ácido sulfúrico. A esto lo podemos llamar la “enfermedad bacteriana” de las minas y de los relaves abandonados. La “enfermedad” se inicia cuando se encuentran los tres principales agentes causantes: el aire, el agua y las bacterias ferrooxidantes. En esta condición las bacterias atacan a la pirita contenida en un relave o en desechos de la minería y la oxidan, generando ácido y sulfato ferroso. El ion ferroso puede seguir siendo oxidado por la bacterias, para producir el ion férrico. Este último ion posee capacidades oxidantes muy fuertes, por lo que colabora con la acción de la bacteria, disolviendo diferentes metales que se encuentran en el mineral. La turbidez se genera al precipitar los hidróxidos férricos. La acción concertada del aire, agua y bacteria no se detiene espontáneamente, más bien se potencia a si misma, debido a que va generando las condiciones de acidez y otras que son favorables a la proliferación bacteriana. En esto se parece mucho a lo que ocurre con la acción del fuego, cuando se encuentran comburente, combustible y calor.
5.3 Control del Drenaje ácido de Mina Como en toda enfermedad, hay tres alternativas posibles de acción: prevenir, curar sus síntomas o atacar al agente causante. La prevención es muy difícil, ya que en la practica un proceso minero requiere dejar al descubierto los minerales que se encontraban protegidos de la acción del aire, el agua y las bacterias. Sin embargo, es posible investigar en el laboratorio el potencial de los desechos para generar ácido. Para controlar los síntomas del problema, se ha empleado por décadas la adición de cal o calizas u otras formas de neutralización. Para lograr este objetivo, se requiere aplicar grandes cantidades de cal, por lo tanto es caro, se producen grandes cantidades de desechos y no siempre los resultados son totalmente satisfactorios.
5.4 Acción Bactericida: enfrentando directamente el problema En todo caso, parece ser que la estrategia más apropiada para el control de esta contaminación es actuar directamente contra el agente causante. Desde hace bastante tiempo se conoce que bacterias de la especie Thiobacillus ferrooxidans son muy sensibles a la presencia de ácidos orgánicos. Esto dio la base para buscar agentes químicos que pudieran inhibir selectivamente a las bacterias generadoras de ácido, sin afectar al resto de la flora bacteriana o al ambiente. Se descubrió que lauril sulfato de sodio y otros tensoactivos aniónicos cumplen con las condiciones indicadas anteriormente, siendo excelentes bactericidas para el Thiobacillus ferrooxidans. Esto llevó al desarrollo de un sistema de tratamiento consistente en una pulverización de la zona afectada para lograr un efecto inmediato, pero esto debe ir acompañado con la adición de estos mismos biocidas en forma de un producto granulado de liberación lenta. Esto último permite mantener una concentración activa del biocida en el tiempo a pesar de la biodegradación y el lavado que se produce por acción del agua. El tratamiento se inicia con la adición del biocida. Esto provoca una rápida disminución de la actividad de las bacterias ferrooxidantes sobre la pirita y, por lo tanto, una disminución de la generación de ácido in situ. Al no generarse productos altamente oxidantes, disminuye la disolución o lixiviación de los metales. Todo esto trae consigo el aumento de la actividad de las bacterias heterotróficas propias del suelo, regenerándose la capacidad de fijación de nitrógeno. Estos cambios llevan a un aumento de la capacidad del suelo para retener humedad. Este punto es muy importante, ya que en condiciones avanzadas de recuperación del terreno, se detiene la generación de drenajes. A esto se le agrega un mejoramiento de la salud de la vegetación que coloniza y crece en estos suelos. Una vez que se llega a este punto el suelo recupera su capacidad de generar humus y ácidos orgánicos, debido a la acción de hongos y otros microorganismos. Esto cierra el ciclo de recuperación del suelo, ya que tanto el humus como los ácidos orgánicos tienen una acción inhibidora adicional sobre las bacterias ferrooxidantes. Con esto, ya podemos decir que nuestro paciente puede ser dado de alta. Existen interesantes resultados de la aplicación de bactericidas en el control del drenaje ácido de mina en diferentes localidades de Estados Unidos, Australia e India. En todos los casos se ha demostrado que: •
previene la formación de ácido y la lixiviación de metales,
•
se disminuye drásticamente la presencia de Thiobacillus ferrooxidans, incrementando paralelamente el desarrollo de bacterias heterotróficas, que son beneficiosas para el suelo, y
•
ayuda a la reforestación de los suelos.
Estos resultados indican que la inhibición directa del agente causante puede ser el método más eficaz para controlar el drenaje ácido de mina. Por lo que parece prudente que en nuestro país se considere
este sistema de control y se evalúe su acción mediante pruebas de terreno, científicamente controladas, que permitan comparar sus ventajas (o posibles desventajas) con respecto a las prácticas tradicionales de manejos de relaves y su posterior reforestación.
5.5 Biosorción de metales El descubrimiento de la biosorción de metales ha servido de base para el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan la descontaminación mediante remoción de metales a partir de residuos líquidos. En algunos casos, puede incluso pensarse en la recuperación de metales valiosos. La biosorción es un concepto que se ha acuñado para describir el fenómeno de captación pasiva de iones metálicos, en el cual sólo participan interacciones de tipo físico-química con los componentes externos de la célula, por lo tanto, se trata de una unión de tipo reversible. No es necesario que el microorganismo se encuentre en activo crecimiento cuando va a ser utilizado en un proceso de biosorción, incluso se puede emplear biomasa muerta o inactiva. Por estas características, este último fenómeno de captación pasiva es más adecuado para aplicarlo en un proceso de remoción de iones metálicos, pues es menos afectado por cambios en las condiciones ambientales, tales como temperatura o la presencia de iones tóxicos.
5.6 Principales mecanismos del proceso de biosorción de iones metálicos En términos generales, la biosorción de los metales a distintas partes de la célula microbiana puede ocurrir por uno o más de los siguientes procesos: •
Complejación
•
Coordinación
•
Intercambio iónico
•
Adsorción
•
Microprecipitación de sales inorgánicas o metales.
El Laboratorio de Microbiología de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas de la Universidad de Chile también se ha preocupado de incursionar en este tema, de interés para la empresa minera nacional. Es así como desde 1986 ha investigado la capacidad de biosorción de metales de numerosos microorganismos. En nuestro estudio se encontró que la biosorción de iones metálicos presentaba las siguientes características: 1. La biosorción es un fenómeno físico-químico que presenta una saturación dependiente de la concentración del ion metálico en equilibrio. 2. La biosorción es una reacción muy rápida (la reacción alcanza e equilibrio en menos de 10 minutos). 3. La biosorción es un proceso dependiente del pH de la solución. 4. Es posible eluir el metal captado bajando el pH a valores menores que 2. 5. Existe competencia entre diferentes cationes por los sitios de unión en la biomasa. En una etapa posterior, se llegó al desarrollo de una nueva tecnología biológica de remoción de iones metálicos, a nivel de laboratorio. La principal ventaja del proceso es su simplicidad, lo que significa un
avance tecnológico significativo, permitiendo la descontaminación de efluentes mineros o industriales mediante el empleo de materias primas disponibles a nivel local. 2+
2+
Se trata de un proceso biológico para la remoción y/o recuperación de iones metálicos (Cu , Cd , 2+ 2+ 2+ 2+ Co , Zn , Ni , UO2 , etc.). Esta tecnología se complementa con una cepa microbiana que efectúa eficientemente el proceso de remoción de iones metálicos y un biorreactor apropiado para ser empleado en el proceso. La universidad ya ha solicitado dos patentes nacionales, una para el proceso y el microorganismo y otra para el biorreactor. Por otra parte, nuestra tecnología fué recopilada en 1993 por la Fundacion EuroChile como uno de los proyectos nacionales con real potencial comercial. Después de un proceso de evaluación fue seleccionado para participar en la Primera Rueda de Negocios de Biotecnología en Europa, realizada en Noviembre de 1994 en Düsseldorf y Paris. Al igual que en el caso de la biolixiviación de minerales sulfurados, será fundamental establecer una asociación con la empresa minera nacional innovadora, para lograr su escalamiento y evaluación del proceso de biosorción en las condiciones de planta. En definitiva, podemos concluir que la biotecnología tiene excelentes posibilidades de aplicación en la industria minera y que están dadas las condiciones para su desarrollo en el país. Ya se ha demostrado en la práctica el potencial de la biolixiviación bacteriana. Ahora parece que ha llegado el momento de que las bacterias nos ayuden en la lucha contra la contaminación hídrica. Articulo BIOTECNOLOGIA EN LA DISOLUCION Y RECUPERACION DE METALES* Biól. José J. Guerrero Rojas Telf.:(51-1) 989 4678 / 484 2284 ; e-mail :
[email protected] *: Presentado en el Primer Congreso Peruano de Biotecnología y Bioingeniería, Trujillo, Perú, Noviembre 1998. RESUMEN En los últimos tiempos, la Biotecnología se ha convertido en una alternativa viable para la extracción de los valores presentes en las menas, así como para la recuperación de metales presentes en soluciones acuosas contaminantes. En el sector minero metalúrgico, los procesos biotecnológicos han logrado ser aplicados con éxito en la lixiviación de cobre y uranio, y en el pretratamiento de sulfuros auríferos refractarios. En el Perú, la Lixiviación Bacteriana ha sido aplicada con éxito en la recuperación de oro contenido en arsenopirita en Tamboraque, y en la disolución del cobre presente en los botaderos de Toquepala. INTRODUCCION El empleo de sistemas biológicos en los procesos industriales, conocida como Biotecnología, ha sido usada desde tiempos inmemoriales en la producción de vino, cerveza, pan, en la fabricación de antibióticos, en la industria alimentaria, entre otras aplicaciones. En el sector minero metalúrgico, la biotecnología ha sido utilizada como una herramienta en la disolución y recuperación de los valores metálicos contenidos en menas. Mayormente, los procesos microbianos han sido empleados en la lixiviación de cobre y uranio, en el mejoramiento de la extracción de metales preciosos contenidos en sulfuros refractarios, y en el tratamiento de aguas residuales. El enorme potencial que representa el empleo de bacterias en los procesos mineros se grafíca con la afirmación que en 1979 brindara el Dr. Richard Manchee al respecto: ..."una planta de extracción de minerales del futuro podría tener el aspecto de una actual de tratamiento de agua: libre de la suciedad y de los montones de escorias asociadas con las operaciones mineras, mientras que bajo el suelo millones de microbios realizarían las tareas que en nuestros días se caracterizan por el rugido de las máquinas, el ruido de los picos y el traslado de mineral".
La Lixiviación Bacteriana, también conocida como Biolixiviación, Biohidro-metalurgia o Biooxidación de Sulfuros, puede ser definida como un proceso natural de disolución que resulta de la acción de un grupo de bacterias - principalmente del género Thiobacillus - con habilidad de oxidar minerales sulfurados, permitiendo la liberación de los valores metálicos contenidos en ellos. Por mucho tiempo, se pensó que la disolución o lixiviación de metales era un proceso netamente químico, mediado por agua y oxigeno atmosférico. El descubrimiento de bacterias acidófilas ferro- y sulfooxidantes ha sido primordial en la definición de la lixiviación como un proceso catalizado biológicamente. En términos más globales, se puede señalar que la biolixiviación es una tecnología que emplea bacterias especificas para lixiviar, o extraer, un metal de valor como uranio, cobre, zinc, níquel y cobalto presente en las menas o en un concentrado mineral. El producto final de la biolixiviación es una solución ácida que contiene el metal valor en su forma soluble. De otro lado, el término biooxidación es un utilizado para describir un proceso que emplea bacterias para degradar un sulfuro, usualmente pirita o arsenopirita, en la que el oro o la plata, o ambos, se encuentran encapsulados. La tecnología microbiana presenta ventajas sobre los métodos no biológicos, entre los que podemos encontrar: 1. Requiere poca inversión de capital (las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas). 2. Bajos costos de operación necesarios para las operaciones hidrometalúrgicas en comparación con los procesos convencionales. 3. Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso. 4. El tratamiento del creciente acumulo de minerales de baja ley en las minas los que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales. ASPECTOS MICROBIOLOGICOS Thiobacillus ferrooxidans: Los microorganismos que son responsables de la disolución de los metales a partir de minerales son, principalmente, organismos quimiosintéticos y autotróficos pertenecientes al género Thiobacillus, aunque como señalamos en un párrafo y tabla anterior, no es la única. De las especies de Thiobacillus que se conocen la que más atención ha recibido es Thiobacillus ferrooxidans, cuya presencia fue demostrada por Colmer y Hinkle, a comienzos de los años 50, en el drenaje unas minas de carbón, que reportaban altos contenidos de ácido y fierro. T. ferrooxidans presenta forma bacilar, gram negativas, de 0.5 a 1.7 µ, algunas cepas tienen flagelos, es quimioautotrófico, capaz de oxidar compuestos inorgánicos como iones ferroso (Fe(II)) y azufre, los que le sirven de fuente primaria de energía. El carbono necesario para su arquitectura celular lo obtiene por fijación de CO2, de manera similar a las plantas verdes (Ciclo de Calvin-Benson). Es aerobio (requiere de O2 como aceptor final de electrones), acidófilo (desarrolla en rangos de pH que varían entre 1.5 y 3.0), y a temperaturas que oscilan entre 25-35ºC. Es considerada como el mayor contribuyente en la producción de aguas ácidas que drenan de depósitos de metales sulfurados, gracias a la capacidad que tienen de oxidar minerales de disulfuro de fierro, generando soluciones ácidas de sulfato férrico. Mecanismos de Lixiviación Los principales mecanismos involucrados en el proceso de lixiviación bacteriana son: directa e indirecta. a.- Lixiviación Indirecta : Dos reacciones importantes mediadas por T. ferrooxidans son: Pirita FeS2 + 3.5 O2 + H2O
FeSO4 + H2SO4 .................1
2 FeSO4 + 0.5 O2 + H2SO4
Fe2(SO4)3 + H2O ................. 2
El sulfato férrico es un oxidante fuerte capaz de disolver una amplia variedad de minerales sulfurados. La lixiviación con Fe2(SO4)3 recibe el nombre de lixiviación indirecta porque se realiza en ausencia de
oxígeno o de bacterias y, es responsable de la disolución o lixiviación de varios minerales sulfurados de cobre de importancia económica: Chalcopirita CuFeS2+ 2 Fe2(SO4)3 Chalcocita Cu2S + 2 Fe2(SO4)3
CuSO4 + 5 FeSO4 + 2 Sº ................. 3
2 CuSO4 + 4 FeSO4 + 2 Sº .................4
El mecanismo de lixiviación indirecta depende de la regeneración biológica del sulfato férrico (reacción 2). El azufre (Sº) generado en las reacciones 3 y 4 puede ser convertido en ácido sulfúrico (H2SO4) por T. ferrooxidans según: 2 Sº + 3 O2 + 2 H2O
2 H2SO4 ................. 5
Este ácido sulfúrico, así generado, mantiene el pH del sistema a niveles favorables para el desarrollo de la bacteria. b.- Lixiviación Directa: Las bacterias ferrooxidantes también pueden lixiviar sulfuros metálicos directamente sin la participación del sulfato férrico producido biológicamente. El proceso se describe en la siguiente reacción : MS + 2 O2
MSO4 .................. 6
donde M representa un metal bivalente. bacteria
Pirita 2 FeS2 + H2O + 7.5 O2
Fe2(SO4)3 + H2SO4 ...... 7
bacteria
Chalcopirita 2 CuFeS2 + 8.5 O2 + H2SO4
2CuSO4 + Fe2(SO4)3+ H2O ..8
Dado que el fierro siempre está presente en ambientes de lixiviación natural, es posible que tanto la lixiviación indirecta como la directa ocurran de manera simultánea.
Desarrollo Bacteriano El efecto de ciertos factores ambientales sobre el desarrollo y crecimiento de las bacterias juega un rol importante dentro del proceso de lixiviación bacteriana, es por ello de mucha importancia el control de factores, como el pH, la presencia de oxigeno, la temperatura, la influencia de la luz, los requerimientos nutricionales, tamaño de partícula, y el efecto de inhibidores, entre otros. • pH: En general los T. ferrooxidans, desarrollan bien en medios ácidos, siendo incapaces de +2 desarrollar sobre Fe a un pH mayor de 3.0. Normalmente los valores sobre el que los tiobacilos se desarrollan se ubican dentro del rango de 1.5 a 2.5. • Oxígeno y CO2: La disponibilidad de oxígeno es un factor que controla la extracción de metales por bacterias. No se conoce otro oxidante que pueda ser utilizado por los microorganismos en ambientes de lixiviación. El dioxido de carbono es utilizado como fuente de carbono para la fabricación de su arquitectura celular. • Nutrientes: Como todos los seres vivientes, T. ferrooxidans requiere de fuentes nutricionales para su óptimo desarrollo, entre las que tenemos fuente de N2 (amonio), de fosfato, de S, iones + metálicos (como Mg ), etc. Magnesio, es necesario para la fijación de CO2 y el fósforo es requerido para el metabolismo energético. Los medios de cultivo empleados presentan estos requerimientos, siendo los más importantes el 9K y el TK. • Fuente de Energía: Los T. ferrooxidans utilizan como fuente primaria de energía los iones ferroso y azufre inorgánico. El fierro ferroso debe ser suplementado al medio cuando se trata +2 de medios sintéticos. En caso de utilizar mineral, no es necesario añadir Fe .
• • •
Luz: La luz visible y la no filtrada tienen un efecto inhibitorio sobre algunas especies de Thiobacillus, pero el fierro férrico ofrece alguna protección a los rayos visibles. Temperatura: El rango sobre el cual se desarrrollan se encuentran entre 25ºC y 35ºC. Presencia de Inhibidores: En los procesos de molienda o por acción propia del agente lixiviante se liberan algunos iones que en ciertas concentraciones resultan tóxicas para las bacterias ferrooxidantes afectando el desarrollo bacterial. La literatura señala que los niveles +2 +2 +2 de tolerancia de las bacterias para ciertos metales es Zn = 15 -72 g/l; Ni = 12 - 50 g/l; Cu = +2 + 15 g/l; Ag = 1ppb; UO2 = 200 - 500 mg/l, entre otros.
Otros microorganismos de importancia: Dentro de este grupo y estrechamente asociados a T. ferrooxidans encontramos a: • Thiobacillus thiooxidans: Se lo puede encontrar en depósitos de azufre y sulfurosos, desde donde es fácil aislarlos. Se caracteriza porque sólo es capaz de oxidar azufre. Desarrollan a temperatura entre 5ºC y 40ºC, a un pH en el rango de 0.6 a 6.0, siendo el óptimo 2.5. Son aerobios estrictos. • T. acidophilus: Fue aislado por primera vez por Markosyan en 1973 a partir de minerales, describiéndolo con el nombre de T. organoparus. Presentan forma bacilar, son aerobios estrictos, oxida azufre y utiliza compuestos orgánicos como parte de sus requerimientos nutricionales. • Tiobacilos semejantes a termófilos: Aunque no están bien estudiadas, es reconocida su importancia en los procesos hidrometalurgicos. Muestran un activo crecimiento sobre medios +2 conteniendo Fe y sulfuros en presencia de extracto de levadura. • Leptospirillum ferrooxidans: Son vibriones en forma de espira, como pseudococos. Móviles por la presencia de un flagelo polar simple. Las colonias sobre silica gel son pequeñas y de color marrón rojizo debido a la formación de fierro férrico. Son aerobios estrictos y +2 quimioautotróficos obligados. Utiliza Fe y FeS2 como fuente energética. • Sulfolobus: Son bacterias gram negativas, que se presentan como células esféricas, con lóbulos, inmóviles, y la ausencia de flagelos y endosporas. Su pared celular carece de mureina.
MICROORGANISMO
FUENTE ENERGETICA
Thiobacillus ferrooxidans
Fe
Thiobacillus thiooxidans
Sº
Leptospirillum ferrooxidans
+2
,U
+4
, Sº
+2
Fe
+2
TEMPERATURA (ºC)
1.5
25 - 35
2.0
25 - 35
1.5
25 - 35
2.0
> a 60
Sulfolobus
Sº , Fe
Acidiphilium cryptum
C orgánico
2.0
25 - 35
-2
2.5
30
-2
2.8
30
-2
3.0
-2
3.5
Th. intermedius
, C orgánico
pH
Sº, S , C orgánico
Th. napolitanus
Sº, S
Th. acidophilus
Sº, S
Th. thioparus
Sº. S
Thiobacillus TH2 y TH3
Fe , S
6.0
Metallogenium sp.
Fe
+2
4.5
Heterotrofos
C orgánico
+2
-2
50
25 - 40
Bacterias asociadas a la Lixiviación de Minerales
APLICACION DE LOS PROCESOS BIOTECNOLOGICOS Biooxidación de Sulfuros Muchos sulfuros metálicos pueden ser atacados por acción bacterial, dando lugar a la producción de los correspondientes sulfatos solubles. Para sulfuros refractarios de oro y metales del grupo del platino, el ataque bacterial resulta siendo un pretratamiento. • Oxidación de la Pirita: La pirita (FeS2) es un sulfuro ampliamente distribuido y se lo puede hallar en asociación con muchos metales como cobre, plomo, zinc, arsénico, plata, oro, entre otros. Su oxidación da lugar a la formación de sulfato férrico y ácido sulfúrico (Reacciones 1 y 2). • Sulfuros de Cobre: La oxidación biológica de sulfuros de cobre ha sido el proceso más estudiado. El cobre se disuelve transformándose en sulfato de cobre (CuSO4). La chalcopirita (CuFeS2) es el sulfuro de cobre más difícil de oxidar. Bajo la influencia de T. ferrooxidans la velocidad de oxidación de este sulfuro ase incrementa hasta en 12 veces más que el proceso netamente químico. Los sulfuros secundarios de cobre -chalcocita (Cu2S), covelita, bornita-, son oxidados más fácilmente bajo el impacto de las bacterias (Reacciones 3 y 4). A nivel industrial, la tecnología ha venido siendo aplicada en pilas (Chile, USA, Perú, etc.). Southern Perú viene aplicando la tecnología para la recuperación de cobre en sus botaderos de sulfuros de baja ley de Toquepala. Más recientemente, Billiton, de Sudáfrica, realiza investigaciones para recuperar el cobre contenido en minerales arsenicales, en un proceso que ha denominado BIOCOP. • Sulfuros de Metales Preciosos: La lixiviación bacteriana se emplea para romper la matriz del sulfuro (principalmente, pirita y/o arsenopirita) en la que se encuentra "atrapada" la partícula aurífera, permitiendo la posterior recuperación de la misma por cianuración convencional. Realmente, el proceso resulta siendo un pretratamiento antes que una disolución directa del metal. Los procesos industriales han tenido enorme aplicación, entre los que destacan: el proceso BIOX, de Gencor, y que tiene plantas como la de Ashanti con capacidad para tratar hasta 1000 tpd de mineral. En el Perú la tecnología es aplicada en el Proyecto Tamboraque de Minera Lizandro Proaño, para recuperar oro contenido en arsenopirita. Mintek, también ha desarrollado el proceso MINBAC, y Bactech de Australia ha desarrollado un proceso que emplea bacterias moderadamente termófilas para el tratamiento de sulfuros preciosos y de metales base que se conoce como el proceso BACTECH. En 1998, Mintek y Bactech se han asociado para comercializar el proceso a nivel mundial. Esta asociación ha dado sus primeros frutos y ya se ha iniciado la construcción de la planta que emplea esta tecnología en Tasmania para tratar el mineral aurífero refractario del proyecto Beaconsfield. Las evaluaciones preliminares han reportado una recuperación de hasta el 98% del oro contenido en el mineral. 2 FeAsS + 7 O2 + H2SO4 + H2O
Fe2(SO4)3 + 2 H3AsO4
Proyecto, Ubicación
Tipo & Tamaño
Fairview, Africa
Sud Oro, 35 tm/ día
Tecnología Aplicada
Historia
GENMIN, tanque agitado
Construido en 1986, en operación
Sao Bento, Brazil Oro, 150 tm/día
GENMIN, una fase de tanque Construido en 1990, en agitado previo al autoclave operación
Harbour Australia
GENMIN, tanque agitado
Construido en paralizado en 1994
GENMIN, tanque agitado
Construido en 1993, en operación
Wiluna Australia
Lights, Oro, 40 tm/día Mine, Oro, 115 tm/día
1992,
Sansu, Ghana
Oro, 1000 tm/día
GENMIN, tanque agitado
Construido en 1994, ampliado en 1995, en operación
Youanmi, Australia
Oro, 120 tm/día
BACTECH, tanque agitado
Construido en 1994, en operación
Lo Aguirre, Chile Cu, lixiviacón pilas
en Soc. Minera Pudahuel, bio- Iniciado en pilas paralizado en 1996
Cerro Chile
en Soc. Minera biopilas
Pudahuel, Construido en 1993, en operación
Colorado, Cu, lixiviación pilas
1980,
Quebrada Blanca, Chile
Cu, lixiviación pilas
en Soc. Minera biopilas
Pudahuel, Construido en 1994, en operación
Ivan-Zar, Chile
Cu, lixiviación pilas
en Soc. Minera biopilas
Pudahuel, Construido en 1994, en operación
Mt, Leyshon, Cu/Au, lixiviación en Biopila de capa delgada más Construido en 1992, en Australia pilas cianuración cierre Girilambone, Australia
en Biopila
Construido en 1993, en operación
Newmont-Carlin, Oro, lixiviación USA pilas
en Biopila y cianuración
Construido en 1995, en operación
Toquepala, Perú Cu, lixiviación botaderos
de Dumps
Iniciado en operación
Tamboraque, Perú
Cu, lixiviación pilas
Oro, 60 tm/día
BIOX, tanque agitado
1996,
en
Construido en 1998, en operación y producción
Plantas de Biooxidación en Operación • Sulfuros de Zinc: La acción bacterial de sulfuros de zinc también ha sido evaluada, y aunque no se conoce de plantas comerciales su aplicación tiene un enorme potencial. La marmatita es el sulfuro de zinc más fácil de oxidar, influenciado enormemente por la presencia de fierro.
•
•
•
•
Sulfuros de Plomo: La lixiviación bacterial de galenita origina la formación de PbSO4 que es insoluble en medio ácido, característica que puede ser empleada en la separación de algunos valores metálicos acompañantes en una mena de plomo. Sulfuros de Níquel: El níquel es lixiviado a partir de sulfuros (pentandlita y milerita) y de menas de fierro en presencia de T. ferrooxidans de 2 a 17 veces más rápido que el proceso netamente químico. Sulfuros de Antimonio: Se conocen de algunos trabajos que reportan la habilidad de T. ferrooxidans de oxidar antimonita (Sb2S3) a pH 1.75 y a 35ºC. También se reporta la capacidad de B. thioparus y T. thiooxidans de oxidar este sulfuro. Sulfuros de Metales Raros: Los metales raros se presentan en la parte cristalina de muchos sulfuros o silicatos. Para liberarlos es necesario oxidar los sulfuros o destruir la matriz de silicato. La literatura reporta la posibilidad de oxidar, empleando bacterias del grupo de Thiobacillus, de una variedad de estos metales, entre los que podemos encontrar galio y cadmio presente en la esfalerita (el principal transportador de estos elementos); de germanio y cobalto, de renio, selenio y telurio, titanio y uranio, entre otros.
Desulfurización de Carbón La presencia de azufre en las menas de carbón constituye un contaminante, cuya eliminación se presenta como un problema, sobre todo desde el punto de vista ambiental. La oxidación biológica de la porción piritosa o sulfurada permitirá eliminar el azufre presente. Muchos trabajos de laboratorio han demostrado que un importante porcentaje (generalmente por encima del 90%) del azufre contenido en la pirita puede ser removido del carbón bituminoso, sub-bituminoso y lignito en periodos de una a dos semanas por T. ferrooxidans. También es posible emplear bacterias termófilas del género Sulfolobus en la desulfurización de las menas de carbón. La remoción del azufre orgánico presente en el carbón por vía microbiana es un área de interés por muchas razones. En algunos casos, la presencia de este tipo de azufre representa un porcentaje considerable del azufre total del carbón. Debido a que la efectiva desulfurización del carbón involucra la remoción del carbón orgánico como del inorgánico, los procesos microbianos que operan en condiciones cercanas a las ambientales, presentan innumerables ventajas sobre los métodos químicos y físicos convencionales. Biorecuperación de Metales Una tarea importante de la hidrometalurgia es la recuperación de los metales presentes en las soluciones, así como el tratamiento de las aguas residuales de las diferentes industrias, en cumplimiento de las rigurosas normas ambientales. Existen muchos microorganismos con capacidad para adsorber o precipitar metales. Algunas de las formas como los microbios recuperan los metales se detallan a continuación: Precipitación: La precipitación de metales bajo la forma de sulfuros involucra el empleo de bacterias sulfato reductoras para producir H2S, que tiene la capacidad de precipitar prácticamente la totalidad del metal contenido en una solución. Debemos hacer notar que el proceso se realiza en ausencia de oxigeno (anaerobiosis) en contraposición a la biooxidación de sulfuros que requiere de oxigeno (proceso aeróbico). Biosorción: Las investigaciones sobre las biosorción de metales a partir de soluciones señalan que la habilidad de los microorganismos permitiría recuperar hasta el 100% de plomo, mercurio, zinc, cobre, níquel cobalto, etc., a partir de soluciones diluidas. El empleo de hongos hace posible recuperar entre 96% a 98% de oro y plata. También se ha demostrado que cepas de Thiobacillus son capaces de acumular plata, lo que permitiría recuperar este metal a partir de aguas residuales de la industria fotográfica. La biosorción de metales conduce a la acumulación de estos en la biomasa. El mecanismo involucra a la pared celular. En los hongos, la adsorción de metales se encuentra localizada en las moléculas de chitina y chitosan. De otro lado, el cobre puede ser recuperado a partir de óxidos, por hongos, que producen ácidos orgánicos que forman complejos con el cobre. Reducción: La reducción microbial de metales implica una disminución en la valencia del metal. En algunos casos, la reducción es parcial (el metal reducido aún exhibe una carga neta), mientras que en otros el ion metálico es reducido a su estado libre o metálico.
MICROORGANISMO
FORMA DE ADSORCIÓN Y PRECIPITACIÓN
Hongos, Levaduras y Bacterias
Biosorción de elementos radioactivos y otros: Al, Ag, Zn, Cr, Ni, Cu, etc.
Chitina y Chitosan
Adsorción de Se, Zr, Hf, Ru de aguas circundantes en un sistema de enfriamiento de un reactor nuclear.
Bacterias Sulfato Reductoras
Precipitación de metales a partir de soluciones. C org. + SO4= =
S + Me Bacterias Reductoras
Sº + CO2
MeS
Reducción del metal. Cr+6
Cr+3
PERSPECTIVAS FUTURAS Son numerosas las posibilidades que se presentan para la aplicación de los procesos biotecnológicos en el beneficio de los minerales, algunos de los cuales reseñaremos brevemente en las siguientes líneas. Los microorganismos pueden ser utilizados como agentes floculantes o como colectores en los procesos de flotación de minerales. La capacidad de muchos microorganismos de poder adherirse a superficies sólidas gracias a la interacción existente entre la carga de la pared celular y las condiciones hidrofobicas, modificando la superficie del mineral permitiendo su flotación y floculación (empleado en la separación de las fases sólida y líquida de una pulpa). Por ejemplo, se ha reporta que una bacteria hidrofobica es un excelente floculante para un número de sistemas minerales. Los minerales que han podido se floculados con esta organismo incluye a la hematita, ciertos lodos de fosfatos, floculación selectiva de carbón en menas piritosas, entre otras. Igualmente, este microorganismo es buen colector de hematita, y puede ser empleado en reemplazo del colector químico. Otra área de enorme interés es el empleo de microorganismos heterótrofos, generalmente parte de la flora acompañante de Thiobacillus, como herramienta para la lixiviación de sistemas no sulfurados. Tal es el caso del empleo de un esquema de lixiviación bacterial heterotrófico para menas lateriticas de baja ley y que permitiría incrementar enormemente las reservas economicamente explotables de niquel. También el empleo de heterotrofos en la lixiviación de menas de manganeso, plata y fosfato podría incrementar el número de reservas para estos commodities importantes. Su empleo radica en la enorme ventaja que significa su rápida velocidad de crecimiento, en comparación con los autótrofos. La biodegradación de compuestos tóxicos orgánicos representa otro rubro importante de aplicación de los procesos biológicos. Debemos recordar que una amplia variedad de sustancias, tóxicas y no tóxicas, pueden ser descargadas al medio ambiente como consecuencia de las operaciones mineras. Muchos de estos compuestos son productos químicos complejos empleados en flotación y en procesos hidrometalurgicos. Otros incluyen a productos derivados del petróleo empleados de manera diversa en las operaciones mineras. Se reporta la capacidad de especies de Klebsiella y Pseudomonas en la degradación de reactivos de flotación. Asimismo, se reconoce la habilidad de ciertos microorganismos o de sus enzimas de degradar, bajo ciertas condiciones, cianuro empleado en la recuperación de oro y plata. Ejemplo a nivel industrial de esta aplicación, lo representa la planta de Homestake, en Estados Unidos, que viene funcionando desde 1984, y emplea una cepa nativa de Pseudomonas. En el Perú, se han realizado numerosas investigaciones al respecto por J. Guerrero (1992), J. Hurtado en la Universidad Cayetano Heredia y por investigadores del Centro de Investigaciones Metalúrgicas de la Universidad Nacional de Trujillo. También es de potencial importancia el empleo de ciertas especies vegetales en la prospección geológica de yacimientos minerales como en la limpieza y recuperación de suelos contaminados con iones metálicos pesados. Aunque el empleo de plantas u organismos completos escapa a la definición de biotecnología, el uso de estas permitirá centrar su aplicación en áreas donde se tiene depósitos de relaves antiguos o en zonas urbanas caracterizadas por su alto grado de contaminación.
6.0 DISEÑO SISTEMA DE CONTROL
6.1 PARÁMETROS DE CONTROL DEL PROCESO En esta sección se muestra los parámetros de control de proceso para lograr un control estricto de las variables y aumentar así la capacidad de producción de la planta. Tabla Nº 6.1 Tabla de parámetros de control del proceso para la lixiviación en pilas Parámetro
Unidades
Balance
Recuperación del cobre como cobre soluble con ácido.
% peso
80
% del mineral alimentar a las pilas.
%
83
% del cobre recuperado de las pilas del total de alimentación a planta.
%
70
Mineral seco tratado.
t/h
353,7(18h)
461(18h)
Altura de la pila.
m
3,5
3,5
Contenido de humedad durante la lixiviación.
% sólidos
85
85
Contenido de la humedad después del drenado.
% sólidos
88
88
60
80
Consumo total del 100% de ácido Kg ácido/t de incluye SX-EW. mineral
Diseño
83
Flujo de solución lixiviable.
L/h/m
2
15
17,5
Pérdidas por evaporación de la poza de PLS.
mm/d
4,5
4,5
% de solución de lixiviación
2
2
Acarreo de mineral e instalación de tubería.
d
2
2
Lixiviación con concentrado.
d
3
3
Lixiviación con ácido concentrado.
d
5
5
Lixiviación con rafinato.
d
22
22
Lavado de Pilas.
d
3
3
Drenado de Pilas.
d
2
2
Retiro de tuberías y ripios.
d
1
1
Pérdidas por evaporación.
ácido
muy
Parámetro
Unidades
Balance
Diseño
d
38
38
Total Ciclo de lixiviación
6.2
VARIABLES DE PROCESO
A continuación se muestra la relación de variables del proceso, correspondientes a la lixiviación en pilas en la Planta de óxidos. La tabla de variables del proceso correspondiente ha sido dividida en:
Sistema de proceso.
Variable de proceso.
Rango de operación.
Método de control.
Impacto sobre el proceso. Tabla Nº 6.1 Relación de variables del proceso para la lixiviación en pilas
Ítem
Nombre de la variable de proceso
1
Flujo de ácido sulfúrico para la lixiviación con alta concentración de ácido en las pilas de lixiviación.
2
Flujo de ácido sulfúrico para la lixiviación con mediana concentración en ácido de las pilas de lixiviación.
3
Flujo de ácido sulfúrico para la lixiviación con rafinato en las pilas de lixiviación
Tabla Nº 6.3 Variables del proceso para la lixiviación en pilas
Sistema del proceso Lixiviación
Variable del proceso Flujo
de
ácido
Tabla de rangos
Método de control
Impacto en el proceso
50 gpl. de
El operador ingresa un
Muy alta concentración
Sistema del proceso en pilas
Lixiviación en pilas
Lixiviación en pilas
Variable del proceso
Tabla de rangos
Método de control
Impacto en el proceso
sulfúrico para la lixiviación con alta concentración de ácido en las pilas de lixiviación.
ácido
punto de referencia en el controlador indicador de razón de flujo (FFIC–25591). La salida del controlador modula la dosificación de ácido en el rafinato por medio de la bomba (MP-250-001) para mantener el caudal requerido.
de ácido, produce una disolución de gangas y, aumentan los costos de producción.
Flujo de ácido sulfúrico para la lixiviación con mediana concentración de ácido en las pilas de lixiviación
25 gpl de ácido
El operador ingresa un punto de referencia en el controlador indicador de razón de flujo (FFIC–25592). La salida del controlador modula la dosificación de ácido en el rafinato por medio de la bomba (MP-250-002) para mantener el caudal requerido.
Muy alta concentración de ácido, produce una disolución de gangas y, aumentan los costos de producción.
Flujo de ácido sulfúrico para la lixiviación con rafinato en las pilas de lixiviación.
12 gpl de ácido
El operador ingresa un punto de referencia en el controlador indicador de razón de flujo (FFIC–25590). La salida del controlador modula la dosificación de ácido en el rafinato por medio de la bomba (MP-250-003) para mantener el caudal requerido.
Muy alta concentración de ácido, produce una disolución de gangas y, aumentan los costos de producción.
Tabla Nº 6.4 Relación de lazos de control para la lixiviación en pilas
Muy baja concentración no produce una eficiente disolución de los óxidos de cobre.
Muy baja concentración no produce una eficiente disolución de los óxidos de cobre.
Muy baja concentración no produce una eficiente disolución de los óxidos de cobre.
6.3
Ítem
Sección
Código
Lazos de Control
Referencia P&ID
1
2.2.3.1
250-M4-3-LC1
Control de alimentación de ácido sulfúrico al mezclador estático (MX-250-081) (High Acid).
250-D-005
2
2.2.3.2
250-M4-3-LC2
Control de alimentación de ácido sulfúrico al mezclador estático (MX-250-082) (Médium Acid).
250-D-005
3
2.2.3.3
250-M4-3-LC3
Control de alimentación de ácido sulfúrico al mezclador estático (MX-250-083) (rafinato).
250-D-005
CONTROL DE ALIMENTACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO A MEZCLADOR ESTÁTICO (High Acid)
Propósito El ácido sulfúrico muy concentrado es utilizado en la primera etapa del ciclo de lixiviación (tres días), el propósito del control es mantener el flujo de ácido para un determinado flujo de rafinato y de esta forma estas dos soluciones en combinación, lixiviarán las pilas mediante los sistemas de riego. Los elementos que intervienen en el control se muestran a continuación: Equipo Bomba dosificadora de ácido (MP-250001). Mezclador estático (MX250-081).
Sensor
FE-25586
Transmisor
Controladores
Actuadores
FI-25586
FIT-25586
FIT-25591
Indicadores
FFIC-25591
FY-25591
Control automático Modo Relación El sensor de flujo (FE-25586) determina el flujo de rafinato que está pasando por la tubería en donde se encuentra el mezclador estático (MX-250-081). Un transmisor indicador de flujo en campo (FIT25586) se encarga de acondicionar la señal del sensor y hacerla llegar al DCS, por lo que esta información es presentada en la pantalla de supervisión del DCS. Un controlador indicador de relación de flujo (DCS)(FFIC-25591) compara ésta señal con otra señal enviada por un transmisor indicador de flujo (FIT-25591) instalado en la bomba dosificadora de ácido
sulfúrico (MP-250-001). Esta relación es cotejada con el punto de calibración de relación (valor deseado) ingresado por el operador de cuarto de control, luego el (FFIC-25591) emite una señal eléctrica al transductor electroneumático (FY-25591) que actúa sobre la bomba dosificadora antes mencionada para regular el flujo de ácido según el flujo de rafinato. Modo automático El operador de cuarto de control puede cambiar el modo de operación del controlador indicador de relación de flujo (FFIC-25591) de modo relación a modo automático, en control Automático el operador de cuarto de control puede deshabilitar la señal enviada por el transmisor indicador de flujo (FIT25591) instalado en la bomba MP-250-001; en este caso, la señal enviada por el sensor (FE-25586) será comparada con el punto de calibración y el (FFIC-25591) enviará una señal de control hacia el transductor de flujo (FY-25591) para que éste actúe directamente sobre la bomba (MP-250-001). Control manual El operador de cuarto de control puede cambiar el modo de operación del controlador indicador remoto de relación de flujo (DCS)(FFIC 25591) de modo relación o modo automático a control manual. En control Manual, el operador de cuarto puede ajustar el flujo de ácido manualmente. A menos que exista una falla en el modo relación o modo automático, no existe ventaja alguna para operar en control manual. Bajo circunstancias normales, no se recomienda operar el control manual.
6.4
CONTROL DE ALIMENTACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO A MEZCLADOR ESTÁTICO (Rafinato)
Propósito
El rafinato en una cantidad determinada es utilizado en la tercera etapa del ciclo de riego de lixiviación (veintidós días), el propósito de este control es mantener un flujo de ácido para un flujo establecido de rafinato y de esta forma estas soluciones lixiviaran las pilas mediante los sistemas de riego. Los elementos que intervienen en el control se muestran a continuación: Equipo Bomba dosificadora de ácido (MP-250-003). Mezclador estático (MX-250-083).
Sensores
FE-25587
Transmisor
Controladores
Actuadores
FI-25587
FIT-25587
FIT-25590
Indicadores
FFIC-25590
FY-25590
Control automático Modo Relación El sensor de flujo (FE-25587) determina el flujo de rafinato que está pasando por la tubería en donde se encuentra el mezclador estático (MX-250-083). Un transmisor indicador de flujo en campo (FIT25587) se encarga de acondicionar la señal del sensor y hacerla llegar al DCS, por lo que esta información es presentada en la pantalla del supervisor del DCS. Un controlador indicador de relación de flujo (DCS)(FFIC-25590) compara esta señal con otra señal enviada por un transmisor indicador de flujo (FIT-25590) instalado en la bomba dosificadora de ácido sulfúrico (MP-250-003). Esta relación es cotejada con el punto de calibración de Relación (valor deseado) establecida por el operador de cuarto de control, luego el (FFIC-25590) emite una señal eléctrica a un transductor electroneumático (FY-25590) que actúa sobre la bomba dosificadora antes mencionada para regular el flujo de ácido según el flujo de rafinato. Modo automático El operador de cuarto de control puede cambiar el modo de operación del controlador indicador de relación de flujo (FFIC-25590) de modo relación a modo automático, en control Automático el operador de cuarto de control puede deshabilitar la señal enviada por el transmisor indicador de flujo (FIT25590) instalado en la bomba (MP-250-003); en este caso, la señal enviada por el sensor (FE-25587) será comparada con el punto de calibración y el (FFIC-25590) enviara una señal de control sobre el transductor de flujo electroneumático (FY-25590) para que este actúe directamente sobre la bomba (MP-250-003). Control manual El operador de cuarto de control puede cambiar el modo de operación del controlador indicador de relación de flujo (DCS)(FFIC 25590) de modo relación o modo automático a control manual. En control Manual, el operador de cuarto puede ajustar el flujo de ácido manualmente. A menos que exista una falla en el modo relación o modo automático, no existe ventaja alguna para operar en control manual. Bajo circunstancias normales, no se recomienda operar el control manual.
6.5 Relación de las tablas de enclavamientos para la lixiviación en pilas Enclavamientos del circuito de lixiviación en pilas
Equipos
Condición de enclavamiento
Bombas dosificadoras A. Las bombas dosificadoras de ácido sulfúrico se encienden y la válvula de ácido (MP-250solenoide se activa y permite el flujo de 001) (MP-250-002) ácido sulfúrico cuando los sensores (Z5C(MP-250-003) y 25528) (Z5C-25529) (Z5C-25530) se solenoide (XEVencuentran totalmente cerrados. 25528). Transductor de flujo A. El transductor lleva su salida a cero y detiene la dosificación de ácido. Cuando (FY-25591). el flujo de rafinato hacia el mezclador (MX-250-081) es bajo-bajo (FALL-25586). Transductor de flujo A. El transductor lleva su salida a cero y detiene la dosificación de ácido. Cuando (FY-25592). el flujo de rafinato hacia el mezclador (MX-250-082) es bajo-bajo (FALL-25585).
P
E
X
X
X
A/C
Referencias 1. Bauer, J. L. ,1986. Lixiviación Bacteriana: Introducción a la parte microbiológica de la Biohidrometalurgia con sp. de Thiobacillus. Revista de la ANBIOP, 3(2): 53-60. 2. Brierley, J. A., 1990, Biotechnology for the Extractive Metals Industries, JOM, Vol. 40, No. 1, January 1990, pp. 28. 3. Brierley, C. L.; A. P. Briggs, 1997, Minerals Biooxidation/Bioleaching: Guide to Developing an Economically Viable Process. En: PDAC Annual Metting, Toronto, Canada, March, 1997. 4. Chaudhuy, G. R.; R. P. Das, 1987, Bacterial Leaching-Complex Sulphides of Copper, Lead and Zinc. Int. J. of Mineral Processing, 21: 57-64. 5. Gilbert, S. R.; Pounds, C. O.; Dave, S. R.; K. A. Natarajan; J. V. Bhat, 1981, Leaching of Copper and Zinc from Oxidised Ores, Hydrometallurgy, 7: 235-242. 6. Gentina, J. C.; F. C. Acevedo, 1992, Lixiviación Bacteriana de Minerales. En : IV Curso Latinoamericano de Biotecnología , Chile. 7. Gilbert, S. R.; C.O. Bounds; R. R. Ice, 1988. Comparative economics of bacterial oxidation and roasting as a pretreatment for gold recovery from an auriferous pyrite concentrate. CIM Bulletin 81 (910) 89-94. 8. Guerrero, J. J. , 1988. Informe de Prácticas Pre-Profesionales. 9. Guerrero, J. J., 1990, Recuperación de Valores Metálicos por vía Biohidrometalurgica. En: Segundo Seminario Regional de Ingeniería Metalúrgica, UNCP, Huancayo. 10. Guerrero, J. J., et. al., 1992, Destrucción de Cianuro de Sodio mediante Microorganismos en efluentes y/o residuos tóxicos de plantas de lixiviación por cianuración. Mundo Minero, Año XI, Nº 128, Feb. 1992, pp. 24 - 25. 11. Guerrero, J. J. , 1992, Biotratamiento de Minerales: Alternativa para el Desarrollo Nacional, Mundo Minero, Año XI, No. 131, pp 27. 12. Guerrero, J. J.; S. Olivera, 1993, Aspectos Biológicos de la Lixiviación Bacteriana. En : V Congreso Nacional de Ingeniería Metalúrgica, Cuzco. 13. Guerrero, J. J. 1994, Factores Ambientales en el Manejo de Bacterias Ferrooxidantes Mundo Minero, Año XIV, No. 154, pp 36. 14. Guerrero, J. J.; L. Deliot, 1996, Oxidación de la Pirita. En : Primer Congreso Nacional de Minería, Cajamarca. 15. Guerrero, J. J.; 1998, Lixiviación Bacteriana de Concentrados de Zinc. En: Segundo Congreso Nacional de Minería, Trujillo, Perú, Agosto, 1998. 16. Guerrero, J. J.; 1998, Biotecnología para el Procesamiento de Minerales. En: Segundo Congreso Nacional de Minería, Trujillo, Perú, Agosto, 1998. 17. Guerrero, J. J.; 1998, Los Microbios y la Minería. Semanario Minas y Petróleo, Nº 121 (24 Setiembre - 1998). 18. Guerrero, J. J.; S. Olivera; J. Sánchez. 1998, Disolución Microbiana de Minerales, En: Segundo Simposium Regional de Minería, Arequipa, Octubre 1998. 19. Habashi, F.; 1992, A texbook of Hydrometallurgy, Chapter 8: The Role of Microorganisms. University of Laval, Quebec, Canada. pp 185-189. 20. Harris, L.; J. A. Brierley, 1989, Biotechnology, Mining Magazine, October 1989, pp 301-304 21. Hurtado, J.,1984. Aislamiento, purificación y presencia de plásmidos en cepas nativas de Thiobacillus ferrooxidans. Tesis de Magister U.P.C.H., Lima, Perú. 22. Hutchins, S. R. ; Davidson, M. S.; Brierley, J. A.; Brierley, C. L. ,1986. Microorganisms in the reclamation of metals. Ann. Rev. Microbiol. 40:311-336. 23. Khadil, A. M.; B. J. Ralph, 1977, The Leaching of Various Zinc Sulfides with three Thiobacillus Species, GBF-Conference Bacterial Leaching, GBF Monograph Series 4. 24. Loayza, C.; C. Troncoso, 1993, Lixiviación de Minerales, Curso de Actualización, TECSUP, Lima. 25. Lynn, N. S., 1997, The Bioleaching and Processing of Refractory Gold Ore, JOM, Apr97, pp. 24-26. 26. Misari, F.; 1987, Biohidrometalurgia, 1a. Edición, Ed. Lima, Perú. 27. Smith, E. W.; M. Misra. 1991. Mineral Bioprocessing. TMS. Univ. Nevada, USA, 498 pp . 28. Mwaba, C. C., 1991, Biohydrometallurgy: An Extraction Technology for the 1990s. Mining Magazine, September 1991, pp. 160 - 161.
29. Olson, G. J.; Kelly, R. M. ,1986. Microbiological metal transformations: Biotechnological applications and potential. Biotechnol. Progress. 2(1): 1-15. 30. Pooley, F.D., 1993, Desarrollos en Bio-hidrometalurgia para el Procesamiento de Minerales. En : XXI Convención de Ingenieros de Minas del Perú. Ica, 1993. 31. Roy Chaudhury, G.; Das, R. P.,1987, Bacterial Leaching - complex sulfides of copper, lead and zinc. Int. J. Min. Process. 21:57-64. 32. Torma, A. E.; G.Legaut, D. Kougioumoutzakis, R. Ouellet, 1974, Kinetics of Bioxidation of Metals Sulfides, Can. J. Chem. Engr., 52:515. 33. Torma, A. E.; K. N. Subramanian, 1974, Selective Bacterial Leaching of a Lead Sulphide Concentrate, Int. J. of Mineral Processing, 1: 125-134. 34. Van Aswegen, P. C.; Haines, A. K., 1988. Bacteria enhance gold recovery. Int. Mining, May 1988, pp. 19-22.
