CURSO DE CAPACITACIÓN “ FUNDAMENTOS GENERALES DE LA LIXIVIACIÓN Y VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA OPERACIÓN”
PREPARADO PREPARADO Y DICTADO POR: JAIME RODRIGUEZ O. INGENIERO CIVIL INDUSTRIAL QUÍMICO
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I. FUNDAMENTOS DE LA LIXIVIACIÓN •
¿Qué es la Lixiviación?
Operación importante de un Proceso Hidrometalúrgico que consiste en la disolución de una especie metálica de interés, mediante una solución acuosa que contiene ciertos agentes químicos. Otra definición: Es un proceso alternativo de tratamiento de menas, el cual se aplica casi siempre a menas oxidadas, por la facilidad que poseen éstas a ser atacadas químicamente por el agente lixiviante, ya que la presencia de oxígeno en el mineral, crea las condiciones necesarias para que la reacción de reducción se lleve a cabo. En el caso del mineral oxidado de cobre, la operación de lixiviación no es selectiva, debido a que no solamente se disuelve el óxido de cobre, sino también otras especies inservibles para el proceso como: Cl, Fe, Al, Mn, SiO2, etc.
•
¿Qué tipo de solución lixiviante se utiliza?
En el caso de minerales:
Oxidados de Cobre: Agua + ácido sulfúrico concentrado. Sulfurados de Cobre: Sulfato Férrico.
Oro: solución cianurada.
En el caso del mineral oxidado de cobre la solución lixiviante debe mojar toda la superficie de las partículas, lo cual se consigue por medio del mezclado (roleo). De esta manera, se forman verdaderos puentes de unión entre partículas, originados por la tensión superficial de la interfase sólido-líquido-aire y fuerzas capilares.
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PRETRATAMIENTO PREVIO A LA LIXIVIACIÓN El pretratamiento previo a la lixiviación de minerales oxidados de cobre consiste en dos etapas fundamentales: 1. Aglomerado (agua). 2. Curado (ácido). Ambas etapas tiene como objetivos principales: • • • •
Iniciar el ataque químico sobre la mena. Mejorar la respuesta cinética del proceso de lixiviación. Lograr mayores recuperaciones en la operación de lixiviación. Disminuir el tiempo empleado en una lixiviación normal.
1. AGLOMERADO: Se entiende por “aglomerado” a la etapa de adición de agua al mineral con el objetivo fundamental de: “ Uniformar el tamaño de partículas, uniendo aquellas más finas a las más gruesas de manera de formar un verdadero granulo de mayor tamaño”. A su
vez con esta etapa se persiguen otros objetivos como son: •
•
Homogeneizar la porosidad del lecho e incrementarla. Un lecho poroso permite el escape de gases que se producen al interior del lecho y la introducción de aire al interior de éste, lo cual facilita el desempeño químico del oxígeno atmosférico sobre las reacciones. Optimizar la permeabilidad del lecho formado por menas que tiene mucho contenido de finos, los cuales obstaculizan la operación de lixiviación (drenaje). Ver Figura Nº 1
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Figura Nº 1
NOTA: Se entiende por “respuesta cinética” a la velocidad con que los iones de cobre migran desde el interior del sólido a la superficie de ésta.
2. CURADO: Se entiende por “curado” a la etapa de adición de ácido al mineral. El curado como tal persigue los siguientes objetivos: •
•
•
•
Acondicionar la mena para su posterior lixiviación. Agilizar la cinética de lixiviación de los minerales oxidados de cobre. Mejorar la calidad del aglomerado: la adición de ácido ayuda a formar un gránulo más consistente que presenta una alta resistencia mecánica a la disgregación. Flexibilizar la concentración de las soluciones obtenidas en lixiviación y su calidad. El ácido sulfúrico en la etapa de curado cumple las siguientes funciones:
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Sulfatar los minerales oxidados de cobre y permitir su afloramiento por capilaridad inversa (sulfatar = disolver).
•
Fracturar químicamente la roca, creando mayores vías de ataque químico y penetración.
•
Reaccionar inevitablemente con la ganga, disolviéndose especies no útiles para el proceso.
•
Generar calor en el aglomerado, por reacciones exotérmicas y calor desprendido por disolución del ácido concentrado.
•
•
Aumentar el potencial oxidante de la solución lixiviante.
La siguiente figura muestra el efecto de la tasa de curado sobre la extracción. Ver figura Nº 2 Fig. Nº 2 EXTRACCIÓN DE COBRE TOTAL G-270-C, BAJA C RISOCOLA - GR ANODIORITA(PDDI) - BFP TASAS DE C URADO: C-153/154= 27 KG/TMS; C -161/162= 17
10 0
90
80
70 ) % ( L A T O T E R B O C E D N Ó I C C A R T X E
60
50
40
30
20
10
0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
RAZÓN DE LIXIVIACIÓN (m3/T
C -1 61 - T C=1 7 K g/T MS
C -1 62 - T C= 17 Kg /T MS
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C -1 53 - T C= 27 Kg /T MS
C -1 54 - T C= 27 Kg /T M
II. FACTORES QUE AFECTAN LA CALIDAD DEL AGLOMERADO-CURADO E INFLUYEN EN LA OPERACIÓN DE LIXIVIACIÓN
Los factores principales son los siguientes: 1. 2. 3. 4.
Granulometría. Composición química del mineral. Porosidad del lecho de mineral. Adición de solución lixiviante (cantidad de agua y ácido a agregar). 5. Temperatura del sistema
1. Granulometría: Una partícula de mayor tamaño requiere de una menor cantidad de solución lixiviante para humectarla, debido a la menor superficie específica que ocupa. Además, mientras mayor sea la granulometría del sólido, más lenta será la penetración del ácido sobre el mineral para disolver el cobre. En el caso opuesto, cuando el tamaño de la partícula es menor se requiere de una mayor cantidad de solución humectante puesto que su superficie específica es mayor y al tener una menor granulometría el mineral mayor será el contacto de la solución lixiviante con el sólido, mejorando la cinética de la lixiviación y, por ende, la recuperación de cobre. Si bien es cierto que mientras menor es la granulometria del sólido mayor es la recuperación de cobre, existe un tamaño de partícula óptimo que se debe determinar para alcanzar los mejores resultados. Esta granulometría se debe determinar en base a pruebas metalúrgicas a escala piloto. La figura Nº 3 muestra el efecto de la granulometría sobre la extracción.
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Fig. Nº 3 EXTRACCIÓN DE COBRE TOTAL EFECTO GRANULOMETRÍA A 6 m DE ALTURA LECHO MINERAL UNIDAD MEDIA CRISOCOLA 100
90
80
L A T O T E R B O C E D N Ó I C C A R T X E
70
60
50 P80 = 1/2" 40
P80 = 3/4" P80 = 1"
30
20
10
0 0.0
0.2
0.4
C-063 - MC-6 m - P80=1
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4 1.6 1.8 RAZÓN DE LIXIVIACIÓN (m3/TMS)
C-061 - MC - 6 m - P80=1/2
2.0
2.2
C-072 - MC - 6 m - P80=1/2
2.4
2.6
2.8
C-074 - MC - 6 m- P80 1
2. Composición Química del Mineral: Existen ciertas especies mineralógicas que pueden contener ciertos elementos químicos no útiles para el proceso (aluminio, fierro, manganeso, calcio, sodio), los cuales si se encuentran en grandes concentraciones pueden dificultar la operación de lixiviación debido a que también pueden consumir ácido, disolviéndose en grandes cantidades o en algunos cristalizar, afectando la permeabilidad del lecho.
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3.0
3.2
3. Porosidad del lecho de mineral: Mientras el sólido presente una mayor cantidad poros mejor será el contacto entre la solución lixiviante y la partícula, favoreciéndose el ataque químico sobre el mineral, debido a la presencia de mayores vías de penetración. Como se mencionó anteriormente un lecho poroso permite el escape de gases que se producen al interior del lecho y la introducción de aire al interior de éste, lo cual facilita el desempeño químico del oxígeno atmosférico sobre las reacciones.
4. Adición de la solución lixiviante: Es muy importante determinar las dosis de agua y ácido exactas para el aglomerado y curado, como también las concentraciones de cobre y ácido en la solución de riego. Una dosis de agua adecuada es importante por cuanto ayuda a formar un granulo más consistente, resistente a la disgregación. Si la dosis es mayor a la determinada, el gránulo formado no será homogéneo y consistente, rompiéndose los puentes de unión entre la superficie de las partículas (disgregación), a pesar de hacer un buen mezclado, en caso contrario, se formará un granulo más resistente y difícil de romper. El agua también facilita el desempeño del ácido sobre el mineral. En medio acuoso el ácido puede penetrar mejor sobre la partícula y los iones de cobre se pueden desplazar con mayor facilidad desde el interior de la partícula hacia la superficie (difusión). La dosis de ácido a agregar en el curado como también el ácido en riego deben ser los adecuados, ya que si la acidez en ambas casos es mayor puede provocar la precipitación de otras especies de Fe, Al, entre otras, que pueden dificultar el drenaje de la solución de cobre, canalización del lecho, obtención de concentraciones de ácido libre demasiado elevadas en la solución efluente implicando un costo económico innecesario. Por el contrario, si la dosis es menor a la requerida, no podremos sacar todo el cobre del mineral, obteniendo una baja extracción. Parte del ácido lo consumirá la
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ganga (otras especies no útiles), saliendo en la solución efluente una mínima cantidad de ácido, lo que implicaría aumentar la acidez en el riego. Si la etapa de curado no es la adecuada, la operación de lixiviación será deficiente, a pesar de tener una buena acidez en el riego. La experiencia ha demostrado que al operar con una mínima concentración de cobre en el riego, normalmente de 0,5 gpl y una acidez de 10 a 15 gpl se puede obtener una alta recuperación de cobre, de allí a que en escala industrial se utilice una solución de refino con concentraciones similares a las antes mencionadas. Solución Alimentación (Refino): Cu +2 = 0,5-0,7 gpl, H+=10-15 gpl. Solución Efluente (PLS) : Cu+2 = 5 – 7 gpl, H+= 3- 6 gpl. La figura Nº 4 muestra el efecto de la concentración de ácido en solución de riego sobre el porcentaje de extracción.
Fig. Nº 4 EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO EN SOLUCIÓN DE RI GRANULOMETRÍA A P80=1/2"; CuS/CuT 89.2 - 94.6 UNIDAD ALTA CRISOCOLA 100 90 80 ) % ( L A T O T E R B O C E D N Ó I C C A R T X E
70 60 50 40 30 20 10 0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
RAZÓN DE LIXIVIACIÓN (m3/TM
C82 - H+= 21.4 gpl - Q= 9.9 l/h/m2 C84 - H+= 15.9 gpl - Q= 16.5 l/h/m2 C86 - H+=16.4 gpl - Q=10.1 l/h/m2
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C83 - H+= 51.5 gpl - Q= 9.9 l/h/m2 C85 - H+= 51.5 gpl - Q= 15.8 l/h/m2
2.0
La figura Nº 5 muestra el efecto de la concentración de cobre en solución de riego sobre el porcentaje de extracción.
Fig. Nº 5 EFECTO CONCENTRACIÓN DE COBRE EN SOLUCIÓN DE RIEGO CuS/CuT:63,5-69,7% - P80=1/2" - 3/4" UNIDAD BAJA CRISOCOLA 90
80
70 ) % ( L 60 A T O T E R 50 B O C E D 40 N Ó I C C A R 30 T X E
20
10
0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
RAZÓN DE LIXIVIACIÓN (m3/TMS)
C77 - Cu=0,5 gpl - P80= 1/2 C80 - Cu=6.4 gpl - P80= 1/2
C78 - Cu=2.2 gpl - P80= 1/2 C81 - Cu=2.2 gpl - P80=3/4
C79 - Cu=4.3 gpl - P80=1/2
5. Temperatura: La velocidad de lixiviación se incrementa al aumentar la temperatura, ya que es mayor viscosidad del líquido y la difusividad (movimiento de iones), lo que se traduce en una mayor recuperación de cobre. Si la temperatura del sistema (ambiental) es baja, puede producirse el congelamiento de la soluciones, como también al interior del lecho, produciéndose cristalizaciones y
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problemas severos en el drenaje de la solución de cobre (permeabilidad). Es importante entender que los problemas de drenaje no solamente se pueden deber a bajas de temperatura del sistema, sino también a: •
• •
Problemas de compactación del lecho durante la operación de carga. Aglomerado y curado deficiente. Características del mineral: mucho contenido de finos, entre otras.
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III. PARÁMETRO IMPORTANTE A CONTROLAR DURANTE LA OPERACIÓN DE LIXIVIACIÓN •
TASA DE RIEGO
FLUJO DE IRRIGACIÓN
La tasa de riego se expresa en (Lt/hr/m 2) y se determina de la siguiente manera: TR (Lt/hr/m2) =
Volumen de Alimentación (Lt) Area lixiv (m2)*Tiempo operac (hr)
Como se observa la tasa de riego depende del volumen de alimentación, del área de lixiviación (pila, columna, gavión) y del tiempo de lixiviación. Por lo tanto, a partir de una tasa de riego definida podemos determinar el volumen de alimentación y a su vez el flujo que se requiere para esa tasa de riego, el cual se debe controlar minuciosamente durante la toda operación y de esta manera controlar los volúmenes de alimentación y efluente en la operación de lixiviación. El flujo se mide en (cc/min). Ejemplo: Determinar el flujo que se requiere por día para una tasa de riego de 10 (Lt/hr/m2) en una columna que tiene un área de lixiviación: 0,0278 m2 : Para determinar el flujo que se requiere a esa tasa de riego, debemos calcular primero el volumen de alimentación en litros (ver fórmula de arriba): V. alim (lt) = TR (lt/hr/m2)* Area lixiv (m2)* Tiempo (hr). V. alim (lt) = 10 (lt/hr/m2)* 0,0278 (m2)* 24 (hr). V. alim (lt) = 6,67 (lt/dia). Por lo tanto, para obtener una tasa de riego de 10 (Lt/hr/m 2) debemos alimentar en un día 6,67 litros. Este volumen lo controlamos a partir del flujo requerido en (cc/min), el cual se determina a partir de este dato. Solo se requiere una conversión de unidades:
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Flujo (cc/min) = 6,67 lt * 1 día * 1 hr * 1000 cc día 24 hr 60 min 1 lt Flujo (cc/min) = 4,6. Por lo tanto, el flujo que se requiere para alimentar 6,67 litros en un día a una tasa de riego de 10 (lt/hr/m 2) es de 4, 6 (cc/min).
PROCEDIMIENTO DE CONTROL DE VOLÚMENES DE SOLUCIONES A PARTIR DE TASA DE RIEGO
TASA RIEGO
FLUJO IRRIGACIÓN
VOLUMEN ALIMENTACIÓN
VOLUMEN DE SALIDA (EFLUENTE)
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IV. ANTECEDENTES IMPORTANTES QUE SE DEBEN CONOCER EN UNA OPERACIÓN DE LIXIVIACIÓN 1. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO DEL MINERAL CABEZA Y RIPIO. 2. HUMEDAD NATURAL DEL MINERAL Y HUMEDAD DEL AGLOMERADO-CURADO. 3. HUMEDAD DE IMPREGNACIÓN DEL RIPIO. 4. HUMEDAD DINÁMICA DEL RIPIO. 5. LEYES DE CABEZA Y RIPIO (CuT y CuS). 6. DENSIDAD APARENTE DEL MINERAL DE CABEZA Y RIPIO. 7. DIMENSIONES DE LA COLUMNA, PILA O GAVIÓN. 8. PESO DE CARGA DEL MINERAL DE CABEZA. 9. PESO DE RIPIO. 10.PESO DEL MINERAL AGLOMERADO-CURADO. 11.ALTURA DE CARGA DE LA COLUMNA, PILA O GAVIÓN. 12.ALTURA DE DESCARGA DE LA COLUMNA, PILA O GAVIÓN.
V. CONDICIONES DE OPERACIÓN EN LA LIXIVIACIÓN 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
TIEMPO EFECTIVO DE RIEGO (DIAS). ACIDEZ EN EL RIEGO (g/L). DOSIS DE AGUA (TASA DE AGLOMERACIÓN) (Kg/tms). DOSIS DE ÁCIDO (TASA DE CURADO) (Kg/tms). RAZÓN DE LIXIVIACIÓN (m 3/tms). CONC. PROMEDIO DE COBRE EN SOLUC.EFLUENTE (g/L). CONC.PROMEDIO DE ACIDO EN SOLUC.EFLUENTE (g/L). PH PROMEDIO SOLUCION EFLUENTE.
VI. RESULTADOS DE LA OPERACIÓN DE LIXIVIACIÓN 1. RECUPERACIÓN (%). 2. CONSUMOS DE ACIDO TOTAL Y NETO (Kg H +/tms) y (Kg H+/Kg Cu).
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VII. CONCEPTOS TÉCNICOS IMPORTANTES: 1. TIEMPO EFECTIVO DE RIEGO: Corresponde al tiempo real de irrigación de la columna, pila o gavión por día, es decir, las horas reales de riego en un día. Este valor de va acumulando a modo de determinar el tiempo efectivo de riego a lo largo de todo el ciclo de lixiviación.
2. RAZÓN DE LIXIVIACIÓN: Corresponde al volumen real de solución de alimentación que ha sido irrigado por tonelada de mineral seco. Se expresa en (m3/tms). El rango de razón de lixiviación normalmente fluctúa entre 0 a 2 (m3/tms).
3. RAZÓN DE DRENAJE DE RIEGO (D/R): Se expresa en porcentaje y corresponde al cuociente entre el volumen de efluente acumulado y el volumen de alimentación acumulado. La razón(D/R) es muy importante, por cuanto permite visualizar claramente el comportamiento del volumen de efluente con respecto al alimentado. Si sale mucho efluente con respecto al alimentado la curva sube, si sale muy poco efluente con respecto al alimentado la curva decae. Por lo cual es importante controlar bien el volumen de alimentación (a partir del flujo de riego) para obtener un volumen de efluente cercano al alimentado. D/R (%)= (Volumen de Efluente / Volumen de Alimentación). La Fig.Nº 6 muestra una curva tipica de drenaje-riego (continuo)
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Fig.Nº 6 C-100 CuT = 0,972 CuS = 0,828 CuS/CuT= 85,23
Drenaje Riego - Cu parcial Efluente v/s Razón Lixiviac G-242-C/ Alta Crisocola / GDIO-MEAN / BFP / PGS-578-57 COLUMNA C-100: P80 = 14,9 mm / DOS.H+ = 29,3 kg/T 100
70
90
63
80
56
70
49
60
42
50
35
40
28
30
21
20
14
10
7
) % ( R / D n ó z a R
0
) l / g ( u C l a i c r a P n ó i c a r t n e c n o C
0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Razón Lixiviación (m3/TM D /R
C on ce nt ra ci ón P ar ci al C
4. RAZÓN (Cus/CuT): La razón (CuS/CuT) se expresa en porcentaje y es un estimador de la recuperación de cobre que podemos lograr en la posterior operación de lixiviación. Se calcula de la siguiente forma: Cus/CuT (%) = (Ley de CuS / Ley de CuT)*100
5. RECUPERACIÓN O EXTRACCIÓN DE COBRE: La recuperación o extracción de cobre es el resultado más importante de la operación de lixiviación, por cuanto refleja que tan efectiva fue la operación, es decir, cuanto porcentaje de cobre logramos disolver a partir de una cantidad total de cobre que contiene el mineral. La recuperación de cobre se calcula de la siguiente forma:
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Recuperación (%) = Cu extraído (Kg) * 100 Masa CuT cabeza (Kg) Donde: Cu ext (Kg) = Conc Cu(sol.ef)*Vol (sol.efl)- Conc Cu(sol.alim)* Vol (sol.alim) Masa CuT cabeza (Kg) = Masa del mineral cabeza (Kg)*Ley CuT.
Como el cobre extraído depende de las concentraciones de cobre y volúmenes de alimentación y efluente, es de suma importancia un buen control de éstos. Es muy importante medir bien los volúmenes de alimentación y de efluentes durante la operación y controlar bien el flujo de irrigación.
6. CONSUMO DE ÁCIDO TOTAL Y NETO: El consumo de ácido corresponde al ácido que consume el mineral, necesario para disolver el cobre. No es más que la diferencia entre la masa de ácido que entra con respecto a la que sale del sistema. Este consumo de ácido puede ser “total” y “neto” y se puede expresar ya sea en (Kg H +/tms) o (Kg H+/Kg Cu extraido). La diferencia entre consumo de ácido total y neto, es que el “neto” corresponde al consumo de ácido real, sin el ácido que se genera por concepto de cobre producido en EW. En cambio el “total” si considera este concepto. Por lo tanto, siempre el consumo de ácido total va a ser mayor que el neto. Por 1 gr de cobre producido en EW se generan 1,54 gr de ácido. La memoria de cálculo para el consumo de ácido total y neto es la siguiente: Cons.H+ total (Kg/tms) =
H+ consumido (Kg) Masa mineral cabeza (ton)
Cons H+ Neto (Kg/tms) = H+ consumido (Kg)-1,54*Cu ext. (Kg) Masa mineral cabeza (ton)
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Cons.H+ total (Kg/Kg) =
H+ consumido (Kg) Cu extraído (Kg)
Cons H+ Neto (Kg/tms) = H+ consumido (Kg)-1,54*Cu ext. (Kg) Cu extraído (Kg) Donde H+ consumido: Conc.H+ (ALIM)*v(ALIM) – Conc.H+(EFLU)*v(EFLU)
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