4.2. ADSORCIÓN EN CARBÓN ACTIVADO. El carbón activado que es un material orgánico altamente poroso con una superficie interna muy grande por unidad de masa, fue introducido como un adsorbedor para la recuperación de oro y plata a partir de soluciones cianuradas, aproximadamente en 1880, pero su utilización tiene un gran despliegue en la industria minera aurífera a partir de 1950 cuando se descubre la reutilización del carbón activado, previa desorción de los metales preciosos por Zadra. La mayoría de los tipos de carbón adsorben oro en la misma magnitud, sin embargo, el carbón más efectivo es aquel que se produce mediante el quemado de la cáscara de coco o de pepa de durazno entre 700 a 800C y en presencia de vapor. La combustión controlada quema los constituyentes más reactivos de la estructura del carbón, creando poros (10 - 20Å) e incrementando significativamente el área superficial del producto activado. Por lo tanto, el área específica superficial es la propiedad más importante del carbón activado para la adsorción y para diseñar un sistema de adsorción se requiere el conocimiento de la densidad aparente del carbón activado y la capacidad específica adsortiva selectiva y la resistencia mecánica. Las técnicas empleadas para la activación del Carbón pueden clasificarse en dos: Activación con compuestos inorgánicos. Activación mediante gases. En el primer caso, se mezcla la materia prima (cáscara de coco) con reactivos inorgánicos que deshidratan las moléculas orgánicas durante la carbonización empleando temperatura. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SITEMAS MERRILL CROWE Y CARBON ACTIVADO. Las ventajas y desventajas de estos métodos se dan en la siguiente tabla. SITEMA MERRILL - CROWE VENTAJAS
DESVENTAJAS La solución cargada necesita de tratamiento previo a la Bajos costos de labor para operación y mantenimiento precipitación. Bajo costo de capital, y El proceso es sensible a la interferencia de iones. La concentración baja del metal precioso incrementa la Puede manejarse grandes ratios de Ag y Au en la solución cantidad de zinc requerido para precipitar una onza de cargada. metal. SISTEMA DE ADSORCION EN CARBON ACTIVADO La alta ley de plata en la solución cargada da un alto La solución cargada no requiere de pre-tratamiento movimiento al carbón. El carbón es susceptible de contaminarse con las sales de El proceso maneja minerales limosos y carbonáceos calcio y magnesio. Recuperaciones muy eficientes sin considerar la El trabajo de desorción y regeneración es intenso. concentración entrante del metal precioso Los procesos de adsorción tiene un costo de capital más alto que las operaciones de cementación con zinc.
4.2.5. MÉTODOS ACTIVADO.
DE
DESORCIÓN
DE
ORO
DEL
CARBÓN
El carbón cargado es despojado de los metales preciosos en un circuito denominado ―Circuito de Desorción del Carbón. Este circuito generalmente consta de 4 componentes: 1. 2. 3. 4.
Columna de Desorción del carbón. Equipo de concentración del metal. Equipo de manejo del carbón. Equipo de intercambio de calor y calentamiento.
Los parámetros claves de operación son:
Las características del carbón. La temperatura de la columna de desorción. La tasa o velocidad de circulación.
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Eficiencia del equipoCON de concentración del metal. PROCESAMIENTO DE MINERALES ORO Y PLATA
ING. NATANIEL LINARES G.
EQUIPO DE CALENTAMIENTO. El equipo de calentamiento es un calentador de caldera o eléctrico, el cual calienta a la solución a la temperatura de operación. La solución caliente calienta a los componentes del circuito y mantiene la temperatura de la columna de desorción. Una vez que el circuito está caliente, la serie de intercambiadores de calor transfieren calor a la solución fría saliente de la columna y calienta a la solución entrante a la columna. Las pérdidas de calor son altas con ciclos frecuentes. El agua caliente o el vapor contenidos en la caldera son generalmente utilizados para proporcionar la energía necesaria para el calentamiento de la solución. El rendimiento máximo del calentador, en el cual está el total del requerimiento de calor para el funcionamiento y el sistema de pérdidas de calor, puede ser calculado de las condiciones de funcionamiento. El equipo, el carbón y la solución deben ser calentados a la temperatura de operación desde la temperatura ambiente. A partir de la masa de los componentes, la capacidad calorífica de los componentes, el aumento de temperatura requerido y el tiempo adecuado para alcanzar la temperatura de operación, se determina los requerimientos de energía y luego dividido entre el tiempo permitido. Las pérdidas de calor desde el sistema deben ser también incluidos en el rendimiento Las pérdidas incluyen convección y radiación desde la columna de desorción, la tubería, los intercambiadores de calor, la tubería del calentador y el equipo de concentración del metal. Estas pérdidas de calor pueden ser calculadas basándose en la temperatura de operación del equipo y el coeficiente de transferencia de calor global desde el interior del equipo y el medio ambiente circundante. COLUMNAS DE DESORCIÓN. La columna de desorción es un equipo que proporciona el contacto entre la solución extractante y el carbón activado cargado a las condiciones necesarias para la desorción del complejo aurocianuro. La columna de desorción es aislada para reducir las pérdidas de calor. El carbón cargado es alimentado a la columna de desorción, generalmente por bombeo. El sistema es sellado en el descargado del carbón. El carbón es entonces descargado de la columna y otra vez transferido al circuito de adsorción. Para un contacto eficiente con el carbón, el reactor es típicamente una columna con una razón de altura a diámetro de 3 a 6.
En consecuencia, la selección de un proceso de desorción está determinada principalmente por el tamaño de la operación y las condiciones económicas locales. Comúnmente se usan los siguientes métodos de desorción: 1. 2. 3. 4. 5.
El proceso atmosférico de Zadra. El proceso de desorción orgánica (con alcohol). El proceso de desorción a alta presión. El proceso de desorción Anglo-Americano. El proceso Micrón para desorción del oro.
Generalmente se requiere antes y después de la desorción del carbón, un tratamiento químico con el objeto de quitar las lamas y depósitos de los poros del carbón, tales como carbonatos y sulfatos de calcio, los cuales depositan durante el cargado. Algunas plantas de Sud Africa, hacen una lixiviación con solución ácida diluida (3% HCl) en caliente (90C) antes de la desorción. Este proceso mejora la cinética de desorción del carbón y ayuda a la remoción de metales de base, tales como Cu, Zn y Ni del carbón. En este caso se debe tomar precauciones para lavar muy bien el carbón con agua antes de la lixiviación ácida y colectar cualquier gas HCN formado durante el lavado ácido. En algunas platas de Norte América, el lavado ácido del carbón se realiza después de la desorción y antes de la reactivación.
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1. PROCESO ATMOSFÉRICO ZADRA. El proceso atmosférico Zadra fue desarrollado por Zadra a comienzos de 1950, proceso que fue el mayor avance tecnológico para la utilización del carbón activado en el procesamiento de las menas auríferas. En la figura 4.18 se muestra el diagrama de flujo simplificado para el sistema Zadra.
Silo de almacenaje del carbón
Carbón Cargado
Celdas de electrodeposición
Tanque de solución desorbente 0,1 % NaCN 1,0 % NaOH
Intercambiador de calor cruzado
Bomba
Calentador de la solución
Columna de desorción
Preparación de agua desorbente
Carbón desorbido
Fig. 4.18. Diagrama de flujo del proceso de desorción Zadra. Las etapas operativas involucradas en este proceso pueden resumirse como sigue: 1. Preparación de la solución. La solución extractante es preparada en un tanque la cual contiene 0,1% NaCN y 1% NaOH. 2. Circulación. La solución es bombeada al interior de la columna a 140C (85 a 95C). El efluente o solución concentrada de la columna pasa a través de una celda de electrodeposición y luego retornada al tanque de solución extractante. Este proceso circulatorio continúa hasta que el oro remanente en el carbón se reduzca al nivel deseado. 3. Duración. El proceso incluye la desorción de un 99% del oro original cargado y electrodeposición pero no incluye el lavado ácido. Normalmente requiere un tiempo de 16 horas (20 a 60 h). 4. Remojo con cianuro cáustico. Se deja remojar el carbón en la columna con una solución de 3% NaCN y 3% NaOH a 110C por un tiempo de 30 minutos. El oro adsorbido es convertido a una especie fácilmente soluble durante esta etapa. 5. Desorción. La desorción es lograda mediante el bombeo de 7 volúmenes de lecho (BV) de agua a través de la columna a 110C. Durante esta etapa la solución concentrada pasa a un tanque de almacenamiento. 6. Enfriamiento. El último volumen de lecho de agua ingresa a la columna a temperatura ambiente reduciendo así la temperatura interna a bajo del punto de ebullición y prepara el carbón para ser transferido. 7. Electrodeposición. La solución concentrada de la desorción completa es colectada y almacenada en un tanque de donde es bombeada a la planta de electrodeposición. Después de la electrodeposición la solución pobre es descargada y recirculada nuevamente a la sección de desorción con el fin de aprovechar el cianuro residual y el oro. 8. Duración. El proceso completo incluyendo el lavado ácido, desorción del 99% del oro y la electrodeposición es normalmente llevado a cabo en periodos de 8 horas. VENTAJAS 1. Requiere menos cantidad de agua.
2. No requiere controlador de secuencia o instrumentación. 3. Puede tolerar la más baja calidad del agua. 4. Bajo costo de capital. 2. PROCESO DE DESORCIÓN CON ALCOHOL. Este proceso fue desarrollado por H.J. Heinen y otros en 1976. Es una versión mejorada del proceso Zadra. Las condiciones de operación son las siguientes: Solución Temperatura Presión Ciclo de desorción Reactor o columna Circuito
0,1 % NaCN. 1% NaOH 20% p/v de etanol o metanol. 70 a 80C Atmosférica 5 a 6 horas. de acero En circuito cerrado con electrodeposición.
La concentración de la solución obtenida puede alcanzar hasta los 1 500 ppm y la solución descargada puede contener solamente unos 4 ppm. VENTAJAS
Tiempo corto de desorción y alto grado de la solución desorbida. Baja temperatura, por consiguiente requerimiento bajo de calor. Bajo costo de capital. Tanques de acero templado. El carbón no requiere activación frecuente.
DESVENTAJAS Alto riesgo de incendio. Altos costos de operación si no se recupera cuidadosamente el alcohol. El carbón debe ser regenerado a vapor o térmicamente, para restaurar su actividad. 3. PROCESO DE DESORCIÓN A ALTA PRESIÓN. Este proceso fue desarrollado por Ross en 1973 y otros a comienzos de 1970. Este proceso emplea alta presión y temperatura para disminuir el tiempo de desorción a 2 ó 6 horas. Esto implica la desorción del carbón cargado con una solución que contiene 0,1% NaCN y 1% NaOH a 160 y 350 kPa (50 psi). El uso de alta presión reduce el consumo de reactivos, el inventario de carbón y el tamaño de la sección de desorción. La alta temperatura y presión empleada en este proceso y el tiempo extenso para enfriar las soluciones antes de la reducción de presión, demandan un alto costo de capital en su instalación. VENTAJAS Permite tiempos cortos de desorción y obtener soluciones de alta concentración. Es menos sensible a la contaminación de la solución. La desorción y recuperación del oro son separadas, pueden por lo tanto ser optimizadas independientemente cada etapa. Se consigue una muy buena desorción. DESVENTAJAS Alto costo de capital: Reactor de presión de acero inoxidable. Necesita intercambiadores de calor. Fuente de calentamiento grande. Tanques grandes para soluciones de desorción cargada y descargada.
Los reactores trabajan a presión, por lo que requieren protección de la sobre-presión. Formación de escamas en el intercambiador. Temperatura muy alta puede fijar el mercurio y la plata en el carbón. 4. PROCESO DE DESORCIÓN ANGLO-AMERICANO. Este proceso fue desarrollado por R.J.Davidson en la Anglo American Research Laboratories (AARL), el cual se ha hecho popular en Sud Africa y Australia. El uso de temperaturas y presiones elevadas implican un alto costo de capital en la instalación y el requerimiento de flujos múltiples aumenta la complejidad del circuito. Un diagrama de flujo simplificado se muestra en la figura 4.19. Lavado ácido a descarte
Agua a desorción
Carbón Cargado
Bomba
Bomba
Intercambiador de calor cruzado
Solución Rica a electrodeposición
Solución rica almacenada
Bomba
HCl concentrado
Columna de desorción
3 % NaCN 3 % NaOH
Carbón desorbido Bomba
Fig. 4.19. Diagrama de flujo del proceso Anglo-Americano (AARL). Una vez que el carbón ha sido cargado en la columna, las etapas involucradas en el proceso de desorción pueden resumirse como sigue: 1. Tratamiento ácido. Se bombea 0,7 volúmenes de lecho (BV) de una solución al 3% de HCl a la columna a temperatura ambiente. El efluente de la columna se descarta. 2. Lavado ácido. Se bombea 4 BV de agua a través de la columna. La temperatura durante esta etapa es levantada a 110C. El efluente de la columna es descartada. 3. Tratamiento con cianuro cáustico. 0,7 BV de una solución conteniendo 3% NaCN y 3% NAOH es bombeada al interior de la columna a 110C y la presión aumenta a 50 100 kPa. La solución concentrada o efluente de la columna es desviada al tanque de almacenamiento en esta etapa. El tiempo total del ciclo, incluyendo un prelavado ácido, es de nueve horas, siendo mucho más corto que el proceso Zadra a presión atmosférica. VENTAJAS DEL PROCESO AARL.
El lavado ácido y la desorción es llevado a cabo en medio periodo. Más bajo oro residual cargado en el carbón. Operación a más baja temperatura y presión. Mínima transferencia de carbón con degradación reducida. Operación menos sensible. Costos de operación más bajos.
Muy buena desorción. La solución puede ser alimentada a un circuito de precipitación con zinc. DESVENTAJAS El proceso es más complicado. Requiere más instrumentación sofisticada para operación automatizada. Tanque o columna más sofisticada si se efectúa un lavado ácido a alta temperatura en el mismo reactor. Requiere de una buena agua para una eficiente desorción y es particularmente sensible a la presencia de calcio y magnesio.. La solución de desorción no puede ser reciclada. 5. PROCESO MICRON DE DESORCIÓN DEL ORO. Este proceso utiliza el principio de acondicionamiento del carbón en una solución alcalina de cianuro concentrada, seguida por desorción en una columna fraccionaria, usando el carbón como relleno de la columna y metanol como el agente desorbente, tal como se muestra en la figura 4.20.
Salida de vapor de agua
Condensado
Tanque de compensación Tubo de alivio
Condensador
Salida de agua limpia
Vapor
Enfriamiento de agua
Condensado después del enfriamiento
Flujómetro para condensado
Reactor de desorción
Calentador del condensado
Válvula P/R
Entrada de Metanol
Recuperación de metanol
Reducción de presión
Indicador de nivel
Descarga solución de desorción
Fig. 4.20. Diagrama de flujo del Proceso Micrón de desorción del carbón activado.
VENTAJAS. El proceso de desorción, recuperación del metanol y la reactivación, son todos llevados a cabo en una sola columna. Produce soluciones de alta ley de oro y plata, las cuales dan altas eficiencias de corriente en la etapa de electrodeposición. Estas altas concentraciones de oro permiten una separación casi completa de oro y plata del cobre en la celda electrolítica. Terminado el proceso el carbón descargado ensaya menos de 200 g/t de carbón en un tiempo de 15 a 20 horas. Durante la electrodeposición, el oro y otros metales se depositan en una delgada hoja de aluminio que posteriormente se disuelve en solución de hidróxido de sodio. El producto de oro puede ser llevado a un sistema de acuñación, haciendo innecesaria la instalación de hornos. El carbón tratado es automáticamente reactivado a un 60 - 80% del valor de un nuevo carbón. En las plantas de procesamiento de menas de oro, donde la solución rica está altamente contaminada con mercurio, el carbón cargado es previamente remojado por espacio de 3 a 6 horas en la solución de desorción, para remover el mercurio antes de la desorción. 6. DESORCIÓN CONTINUA. Este proceso de desorción continua fue patentado por A.M.Stone en 1985. La desorción se lleva a cabo en un flujo en contracorriente con el carbón cargado, en un reactor calentado y presurizado. El carbón desorbido es descargado cada 5 minutos por la base de la columna, a través de una válvula de mariposa de descarga. La solución concentrada de desorción en oro es alimentada a una celda electrolítica en donde la recuperación es del 99% como consecuencia de la alta temperatura de la solución (95C). REGENERACIÓN DEL CARBÓN. Cuando el carbón ha sido cargado y desorbido varias veces, es necesario someterlo a una reactivación térmica, para repararle o devolverle la capacidad de sitios activos, para nuevamente reutilizarlo. El proceso consiste en calentar el carbón húmedo a 650 - 750C, en ausencia de aire, alrededor de 30 minutos. Fleming (1982) y Nicol (1979) han mostrado que el calentamiento del carbón húmedo resulta en una combustión parcial: C + C +
H2O 2H2O
CO + H2 CO2 + 2H2
(4.14) (4.15)
En las primeras pruebas usaron enfriamiento del carbón por inmersión en agua después de la reactivación, pero luego se estableció que el enfriamiento del carbón con aire, da una carbón con mayor actividad. El carbón reactivado tiene que ser tamizado (m200) para separar los finos y acondicionado con agua antes de recircular al circuito de adsorción. La reactivación del carbón se lleva a cabo, por lo general, en hornos rotatorio que están calentados externamente por energía eléctrica. El vapor generado por el agua del carbón húmedo saca el aire del horno. La cantidad de agua cargada al debe ser minimizada a fin de reducir el costo para alcanzar temperaturas de 650 700, las cuales son necesarias para una regeneración eficiente del carbón. A comienzos de los años 80 se introdujeron hornos de regeneración verticales y en la actualidad se dispone de algunos de estos diseños, tal como el que se muestra en la figura 4.21, el cual es un horno vertical accionado con calentadores de resistencia eléctrica que alcanza hasta 1090C de temperatura.
A. B. C. D. E.
Boca de alimentación Chute de contracción Barras de calentamiento Cámara del regenerador Bandejas de cerámica.
F. Entrada o salida de aire de refrigeración G. Aletas disipadoras de calor. H. Mecanismo de descarga. I. Chute de descarga.
Fig. 4.21. Diagrama de un Horno vertical de regeneración del carbón. En este equipo, el carbón fluye suavemente a lo largo de su cámara con una combustión y atricción mínimas. La atmósfera dentro del horno se regula con un respiradero y un controlador de tiro de la chimenea, para mantener aproximadamente u 1% de oxígeno. En la parte baja del horno, el carbón es refrigerado antes de descargarlo. El costo de capital de este horno es mucho más bajo que los regeneradores horizontales rotatorios. MINTEK (Consejo Sud Africano de Tecnología Minera) ha desarrollado también un proceso para la regeneración del carbón por calentamiento eléctrico directo del carbón. El procedimiento es que después de secado, el carbón es cargado en un horno vertical Rintoul con un boyante o neutro común. Luego se aplica voltaje - con dos electrodos - a través del carbón activado granular seco, generándose un calentamiento resistivo, tal como se muestra en la figura 4.22 a y 4.22 b. Se ha podido ver que este horno puede ser utilizado para reactivar carbón industrial altamente industrial, tal como indica Cole y otros (1986).
Fig. 4.22 a. Diagrama de flujo de regeneración del carbón por calentamiento directo del carbón.
Fig. 4.22 b. Esquema de las secciones del Horno Vertical Rintoul.
