Hidrometalurgia extractiva

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HIDROMETALURGIA EXTRACTIVA APLICADA A MINERALES DE COBRE Y POLIMET POLIMETALICOS ALICOS TALLER LIXIVIACION BACTERIANA DE COBRE Dr. Patricio Navarro Donoso Consultor Intercade

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En este taller realizaremos balances de masa aplicados a una pila de lixiviación y determinación de potencial a partir de un equilibrio ion férrico e ion ferroso. Poste Posteri rior ormen mente te,, revi revisa sare remo moss las las mejor mejoras as real realiz izad adas as durante años en una planta de lixiviación bacteriana de sulfuros de cobre.

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Supongamos que tenemos en una solución acuosa una concentración de 2,8 g/l de Fe disuelto, del cual 2 g/l son de ion ferroso y 0.8 g/l de ion férrico. Aplicaremos la expresión de Nernst y determinaremos el potencial de la solución. El equilibrio entre Fe2+ y Fe3+ está dado por la siguiente expresión:

Fe 3

+

+

e = Fe 2

E o

+

=

0,77 V


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La expresión de Nernst aplicada al equilibrio anterior es la siguiente: o

E = E

−

[ Fe ] ln [ Fe ] η F

RT

2+ 3+

Reemplazamos

E = 0,77 −

[ Fe ] x 2.303 log [ Fe ] 1 x 23060

1,98 x 298

2+ 3+



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3 5

[ Fe ] 0,059 log [ Fe ] 2+

E = 0,77 −

3+

E = 0,77 − 0,059 log

[2.0] [0.8]

E = 0,77 − 0,059 log 2.5 E = 0,77 − 0,059 x 0,4 = 0,77 − 0,0236 E = 0,7464 Dr. Patricio Navarro Donoso - [email protected] [email protected] - Consultor Intercade

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Ahora determinaremos la concentración de Fe 2+ y Fe3+, sabiendo que el sistema tiene un potencial de 0.7 V y la concentración Fe disuelto es 2.8 g/l.

[ Fe ] 0,059 log [ Fe ] 2+

0,7 = 0,77 −

3+

[ Fe ] 0,059 log [ Fe ] 2+

log

Fe 2

0,07

3+

=

=

1,19

+

[ Fe ] 3+



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4 7

[ Fe ] [ Fe ] 2+ 3+

Fe 2

+

=

=

15,49

15,49 Fe3

+

Pero sabemos lo siguiente:

Fe 3

+

+

Fe

2

+

=

2,8

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Reemplazando la expresión anterior

Fe 3

+

+

15,49 Fe3

Fe3

+

Fe

+

=

2,8

(1 + 15,49 ) = 2,8 3+

=

0,17 g / l



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5 9

0.17 + Fe 2

Luego

Fe 2

+

=

+

=

2.8

2.63 g / l


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Se lixivia en pila un mineral sulfurado de cobre de baja ley, para lo cual se construye una pila con 35 000 ton de mineral a 0.4% de cobre. La solución lixiviante contiene 8.4 kg de ácido sulfúrico por metro cúbico y 0.2 de cobre disuelto. El flujo de regado es 26 m 3 /h y el ciclo de lixiviación dura 90 días.



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El PLS obtenido contiene un promedio de 8.6 kg Cu/m 3 y 3.6 kg ácido/m3. Determinaremos el porcentaje de cobre disuelto; para ello, en primer lugar obtendremos el cobre fino en la pila.


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Fino de cobre = 35 000 ton x 0.4% = 140 ton de cobre Volumen de solución pasada a través de la pila

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m3 h

x 24 x90 = 56.150 m 3



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7 13

Cantidad de cobre disuelto

=

 

56.150 m 3  2,0

kg kg  − 0.2  m3 m 3  kg

=

56.150 m 3 x 1,8

=

101 ton de cobre disuelto

m3


14

Luego

% cobre disuelto =

=

101 140

x 100

72.1%



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8 15

Ahora determinaremos el consumo de ácido por tonelada de mineral tratado en la pila.

kg H 2 SO4 ton

 

56.160 m 3  8.6

kg

−

m3 35.000 ton

=

3. 6

56.160 m 3 x 5.0 =

kg 



m 3 

kg m3

35.000 ton


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=

280.750 kg de ácido 35.000 ton =

8,02

kg H 2 SO4 ton



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Ahora determinaremos el consumo de ácido por tonelada de cobre disuelto. kg H 2 SO4 ton Cu

=

=

280.800 kg de ácido 101 ton de cobre disuelto

2780

=

kg H 2 SO4 ton de cobre disuelto

2,78

ton H 2 SO4 ton Cu disuelto


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QUEBRADA BLANCA, 12 AÑOS DE BIOLIXIVIACION EN ALTURA Resumen Quebrada Blanca inició su operación en 1994 con una operación de biolixiviación en pilas de sulfuros secundarios de cobre. Considera etapas de chancado, biolixiviación en pilas, extracción por solventes y electroobtención con una capacidad de diseño de 75 000 ton/año de cátodos de cobre. Dr. Patricio Navarro Donoso - [email protected] - Consultor Intercade


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El principal desafío del proyecto es la biolixiviación en pilas de sulfuros secundarios de cobre (calcosina y covelina) en condiciones extremas de altura geográfica (4400 msnm) y con baja temperatura ambiente (3 °C). Realizaremos una revisión del desarrollo de la operación de biolixiviación en pilas, la incorporación a partir del 2003 de una operación de biolixiviación ROM y su impacto en la operación global.


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Introducción En la revisión de la evolución de la operación en Quebrada Blanca (QB) desde su puesta en marcha en 1994 hasta la actualidad, se detallan los principales hitos en sus procesos productivos que le han permitido mantener e incrementar su producción.



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En la operación de biolixiviación en pilas, a la natural complejidad de un proceso de lixiviación en medio heterogéneo, se incorpora el componente biológico, con lo cual los procesos productivos se tornan aún más complejos. En forma adicional a lo anterior, las condiciones de altura geográfica de QB condicionan los procesos de lixiviación, por las reducidas presiones atmosféricas y baja temperatura ambiente, lo cual para un proceso de biolixiviación en pilas son condiciones de alta exigencia.


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A través de la revisión de los principales hitos en los procesos productivos de QB, se comentarán los ajustes a la operación realizados y su impacto en la operación. Descripción inicial (1994) La litología del mineral es principalmente cuarzomonzonita y brecha buggy , con calcosina como principal especie portada de cobre.



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Posee un circuito de chancado primario, secundario y terciario, con capacidad para 6300 kton/año, con un producto de granulometría al 100%, menores a 6 mm. El producto del chancado se aglomera con agua y ácido en tambores aglomeradores. Se utiliza agua caliente en la etapa de aglomeración para mejorar la temperatura del mineral apilado.


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El mineral aglomerado se apila en pilas permanentes, en capas de 6 m de altura, considerando hasta siete capas en el total de la vida útil. El refino a riego pilas es calentado con el calor recuperado de los generadores de planta de energía eléctrica. Se riega con goteros, con riego intermitente a una tasa de 12 l/h/m2.



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Las soluciones ricas de lixiviación se envían a la planta de SX, la cual consta de tres trenes de configuración: 2E-1S. El flujo de solución rica a SX (PLS) es 923 m3 /h. La planta de electroobtención consta de 264 celdas con 60 cátodos y 61 ánodos cada una de ellas. El 25% de las celdas corresponden a celdas de limpieza para controlar eventuales contaminaciones con orgánico. Los cátodos y la máquina despegadora son tecnología ISA.


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La producción anual de cobre proyectada es 75 000 ton/año. Resultados operacionales Producción de cobre

En la tabla, se muestra la evolución por año de la producción en QB. Se destaca la incorporación de la operación de lixiviación en botadero, en el año 2003, que tiene como principal objetivo compensar la baja producción de biolixiviación en pilas, por la reducción del cobre en los minerales a procesar.



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Producción histórica en Quebrada Blanca (1994-2006). Ton Cu Área 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Acum. Heap 6.857 46.352 67.737 66.796 71.082 73.077 68.615 74.577 73.827 66.726 57.687 60.672 62.239 796.242 Dump 19.610 20.123

13.358 18.518 71.609

Total 6.857 46.352 67.737 66.796 71.082 73.077 68.615 74.577 73.827 80-084 76.205 80.282 82.362 867.851



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Resumen de hitos relevantes 1994: Puesta en marcha, incorporando énfasis en el balance térmico de la operación, calentamiento de soluciones refino a riego y empleo de agua caliente en aglomeración. 1997: Inicio de la aireación forzada en pilas.


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1998: Cambio de operación pila permanente a pila dinámica. Mejoramiento del sistema de recolección de soluciones. Incremento gradual de la altura de pila de 6 a 7 m y luego a 8 metros de altura. 1999: Incremento gradual del tamaño máximo ajustando el chancado de un producto menor a 6mm, luego a -9 mm y finalmente a -12 mm. 2000: Ajustes en la etapa de chancado, para obtener un producto más grueso, con un P80 de 12 mm para mejorar el control del material fino a lixiviación.



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2001: Se comienza a cubrir con plástico la superficie de pilas de lixiviación y de las piscinas de proceso, para reducir la evaporación y mejorar la temperatura al interior de las pilas. 2002: Incorporación de etapas adicionales para el calentamiento de soluciones de riego de pilas. 2002: La implementación pipe coalescer permite incrementar flujos a SX sin incrementar significativamente los arrastres.


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2003: Puesta en operación de biolixiviación de minerales de baja ley en botaderos. 2006: Implementación de un sistema de limpieza en el circuito de riego.



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OTROS ASPECTOS A DESTACAR Actividad bacteriana La actividad bacteriana monitoreada ha presentado activos niveles, variando estos principalmente por la temperatura al interior de las pilas.


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ESTRATEGIAS DE RIEGO La estrategia de riego se define principalmente por la cinética de lixiviación propia a cada periodo. Se distinguen dos periodos: una etapa inicial rápida respuesta y una segunda de cinética significativamente menor a la inicial.



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DETALLE DE HITOS RELEVANTES Año 1994: puesta en marcha Esta fue la primera aplicación en altura (4400 m) de la biolixiviación en pilas practicada y desarrollada por la minera Pudahuel. Los principales desafíos de esta operación se relacionan a las bajas temperaturas ambientes (media anual de 3 °C) y a la baja presión atmosférica que reduce la disponibilidad de oxígeno (presión parcial de O 2 es 0,59 veces la que se tiene a nivel del mar). Ambos factores son fundamentales en una operación de biolixiviación.


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Para obtener temperaturas adecuadas para el proceso de biolixiviación, el énfasis fue puesto en el balance térmico del proceso, introduciendo, para el caso de QB, el uso de agua caliente en aglomeración y una etapa de calentamiento de las soluciones de riego de pilas.



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20 39

EFECTO DE LA TEMPERATURA Temperatura (°C) 10

Cinética relativa (%) 54

15

100

25

137

Estos resultados destacan la importancia de la temperatura en una operación de biolixiviación, razón por la cual este aspecto así como el balance térmico fueron fundamentales en el diseño del proceso.


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EFECTO DE LA OXIGENACION Se destaca la importancia de una aireación efectiva de la biolixiviación en pilas. Las condiciones de QB, sin duda, lleva este factor a condiciones más críticas en su operación. La presencia del mineral alterado o fino menor a 100 mallas ty conducen a un deterioro importante de la permeabilidad líquida y gaseosa, pudiendo en niveles altos (superiores a 14%) llegar a comprometer la operación.



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Año 1997: inicio de aireación forzada en pilas La aireación forzada mejora la disponibilidad de oxígeno en el interior de la pila, permitiendo mejorar la cinética de la extracción. En el año 1995, se realizaron mediciones de concentración de oxígeno al interior de las pilas, detectando que los valores se reducían de manera importante a los 2 metros de profundidad desde la superficie de las pilas. Luego de implementar la aireación forzada en las pilas, este perfil se mantiene en un nivel promedio en la vertical.


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La aireación forzada implementada en el año 1997 se mantiene hasta la actualidad, con ajustes menores en su sistema de distribución.



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Año 1998: cambio de operación de pila permanente a pila dinámica En el año 1998, luego de apilar tres capas, se evaluó la opción de cambiar la operación de lixiviación de pila permanente a pila dinámica, motivado esto por los mayores requerimientos de bombeos. Las mayores presiones requeridas incrementan los requerimientos del sistema de tuberías asociado y la existencia de reservas superiores a las del proyecto original. Estos conducen a proyectar que a mediano plazo no se contaría con el área requerida.


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La sectorización en la recolección de soluciones permite mejorar el control de la operación de lixiviación y conduce a estabilizar la concentración de cobre en la solución rica (PLS), mejorando así la transferencia de cobre por SX a EW.



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Año 1999: incremento gradual de apilamiento de 6 a 7 m y luego a 8 m

altura

de

La altura de pila se encuentra condicionada por la calidad del mineral. Los materiales muy arcillosos deben ser operados a baja altura. También existen aspectos de disponibilidad de ácido en sectores inferiores, por lo que los materiales con alto consumo de ácido se operan a baja altura. En biolixiviación en pilas, la disponibilidad de oxígeno al interior de la pila puede llegar a convertirse en un aspecto crítico.



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Un cuidadoso trabajo desarrollado en conjunto por geología, mina y planta ha permitido controlar la calidad del mineral a planta, por lo que esta variable se ha mantenido bajo control. El consumo de ácido mineral QB en pilas es 9,3 kg/t, valor que está en el rango bajo; lo cual conduce a que la limitación de ácido en este caso no sea el factor controlante. El empleo de aireación forzada a su vez permite mejorar la disponibilidad de oxígeno al interior de la pila.


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Por las razones anteriores, se ha incrementado la altura de apilamiento de los 6 m originales a 7 m, luego a 8 m sin que se vea afectada la cinética en forma significativa. Al subir la altura de pilas, se posibilita la obtención de una mejor concentración de cobre en las soluciones ricas SX (PLS).



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Año 2000: incremento gradual de tamaño máximo de partículas en el producto de la etapa de chancado Si bien la disminución del tamaño máximo de partícula conduce a un potencial incremento de la extracción, la mayor presencia de material fino conduce a la disminución de la permeabilidad líquida y gaseosa, con lo cual se puede reducir la cinética de la extracción y la extracción producida. Por esta razón, el sistema de chancado se ha ido ajustando para pasar de un producto de chancado inicial -6 mm a -8 mm y luego a -12 mm.


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Año 2001: ajustes en la etapa de chancado para obtener un producto más grueso P80 de 12 mm y mejorar el control del material fino a lixiviación El objetivo de este cambio fue minimizar el efecto de finos producidos en la etapa de chancado para mejorar la permeabilidad en la pila. Al mejorar la calidad física de los minerales a proceso, se revisará este aspecto considerando volver al punto anterior P90 o P100 de 12 mm, según la capacidad de planta del proceso de chancado.



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Año 2001: cubrir pilas y piscinas de operación con carpeta de material plástico Se cubre la superficie de piscinas y pilas de lixiviación para reducir la evaporación (reduce el consumo de agua de proceso) y, adicionalmente, para mejorar la temperatura al interior de las pilas, con lo cual se mejora la cinética de extracción.


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Los estudios realizados señalan que respecto a la energía perdida en la superficie de las pilas, al cubrirlas se ahorra aproximadamente el 50% de la energía que se pierde al no estar cubiertas. Esto implica que se puede incrementar la temperatura al interior de las pilas entre 3 y 5 °C por esta vía. A su vez, la taza de evaporación en las pilas se reduce a un 65% por el empleo de una cubierta, con el correspondiente ahorro de agua de proceso.



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Año 2002: incorporación de etapas adicionales de calentamiento de solución de riego Para mejorar la temperatura al interior pilas y, por ende, la cinética de extracción. En la figura, se destaca que en largo plazo la tendencia de la temperatura de PLS a SX, que es un reflejo de la temperatura al interior de las pilas, tiene un comportamiento creciente en el tiempo, con una variabilidad asociada principalmente a la naturaleza del invierno correspondiente.


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Año 2002: incorporación en decantadores planta SX de pipe coalescer Ha permitido incrementar los flujos de PLS a SX en un 35%, sin que se incrementen significativamente los arrastres. En la figura, se muestra la evolución de los flujos de PLS a SX y los arrastres A/O correspondientes.


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Año 2003: incorporación de lixiviación en botaderos de minerales sulfurados de baja ley Esta operación se encontraba dentro de los planes originales del proyecto, con el objetivo de compensar la caída de leyes, permitiendo incrementar la producción a contar de su implementación industrial. Los niveles de hierro total y la acidez de las soluciones de lixiviación se vieron afectados por esta incorporación. Actualmente se encuentra estabilizada la operación en términos de acidez de riego y de hierro total en solución.


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Año 2006: incorporación de líneas de limpieza en el sistema de riego Se implementa el sistema de limpieza en líneas de goteros para mejorar la distribución del riego en la superficie de la pila.


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Otros aspectos a destacar Actividad bacteriana

No se ha detectado en las soluciones de lixiviación la presencia de compuestos que puedan afectar la actividad bacteriana. El bajo consumo de ácido de los minerales conduce a bajos niveles de impurezas en las soluciones de lixiviación, siendo la concentración de sulfato inferior a 70 g/L. La cantidad de hierro total es 1,30 g/L, valor que ha variado en el transcurso de la operación, según la estrategia de adición de ácido al sistema y también con la incorporación de la operación de lixiviación en botadero. Dr. Patricio Navarro Donoso - [email protected] - Consultor Intercade


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Concentración típica de solución rica en lixiviación de pilas Ítem Na+

K+

Cu+2

H2SO4 FeT

Fe+2

Al

Mg

Mn

SO4-2

Cl-

Concen., gpl 3,000 2,770 1,300 0,470 3,500 3,000 0,088 65,000 0,074 0,150 0,220


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Las bacterias acidofílicas identificadas en los minerales y soluciones de QB son Leptospirillum ferrooxidans , probablemente, Acidithiobacillus ferrooxidans y, Acidithiobacillus thiooxidans , el cual es difícil de diferenciar del Acidithiobacillus ferrooxidans . En los minerales se han detectado entre 1 x 106 y 1 x 107 bacterias hierro-oxidantes por cada gramos de mineral. A su vez, en las soluciones de riego se han registrado entre 1,5 x 107 y 4,0 x 107 bacterias hierro-oxidantes por cada 100 cm3 de solución de refino de irrigación.



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Ciertamente, la actividad bacteriana es muy sensible a la temperatura de operación al interior de las pilas de

lixiviación,

disminuyendo

notablemente

al

reducirse esta.


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ESTRATEGIA DE RIEGO En la disolución de calcosina, se distinguen desde el punto de vista cinético dos etapas: una rápida dependiendo principalmente de la disponibilidad de férrico y una segunda mucho más lenta, que refleja la disolución de la covelina formada en la etapa anterior.



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Cu2S+Fe3+ → Cu2+ + CuS+2Fe2+

Etapa rápida

CuS+ 2Fe3+

Etapa lenta

→

Cu2+ + 2Fe2+ + S

Fe2+ + 1/4 O2 + 2H+

→

Fe3+ + ½ H2O

Oxidación ferroso


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La estrategia de riego se encuentra asociada al comportamiento antes descrito. Se inicia el riego a una tasa de 12 l/h/m2 con riego continuo por 100 días, posteriormente se reduce la tasa a 9 l/h/m2 por los próximos 130 días, manteniendo el riego continuo. Finalmente se riega en forma intermitente a una tasa instantánea de 6 l/h/m 2 durante 235 días para completar el ciclo de lixiviación.



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RECOMENDACIONES La verificación de la compatibilidad bacteriana con las soluciones de proceso que se estima se producirá es fundamental, tanto en la detección temprana de elementos o compuestos que sean incompatibles o dificulten la actividad bacteriana. El consumo de ácido total es también relevante, pues una alta concentración de impurezas puede reducir o impedir la actividad bacteriana requerida en el proceso. Dr. Patricio Navarro Donoso - [email protected] - Consultor Intercade


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En las operaciones de biolixiviación en pilas, la importancia de la temperatura de operación es relevante, considerando tempranamente alternativas como el cubrimiento de pilas con film adecuados para disminuir las pérdidas de calor en la pila. Si es necesario también se pueden considerar etapas de calentamiento de solución de proceso.


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La aireación forzada depende de la disponibilidad de oxígeno (factor controlante), Esta disponibilidad es un aspecto de suma importancia a considerar en el diseño. La determinación del consumo de ácido de los minerales es también un aspecto de interés, pues reducir el ácido a lixiviación, en etapa de curado o en ajuste a solución de riego, puede conducir a una disminución del hierro total, el cual puede llegar a valores críticos para la operación.



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Si los procesos de reoxidación del ferroso están operando eficientemente, por temperatura, disponibilidad de ácido y/o actividad bacteriana adecuada; el nivel crítico de hierro total puede llegar a ser bajo sin afectar la operación. Pero si ese proceso de reoxidación no está operando eficientemente, la concentración de hierro crítica para el proceso puede incrementarse.


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La estrategia de riego debe estar diseñada de acuerdo a los requerimientos de la cinética. El exceso de riego puede llegar a acidificar demadiado el PLS y diluir su contenido de cobre. A su vez, un déficit de reactivos de lixiviación puede conducir a cinéticas más largas con eventuales menores extracciones que las que se podrían obtener.



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