Universidad de La Serena Facultad de Ingeniería Depto. De Ingeniería en Minas
Integrantes: Sebastián Araya Acha Marcos Ramírez Riveros Héctor Tapia Quilodrán Diego Pizarro Roco
Introducción
Muchos tipos de materiales constituyen materias primas satisfactorias para alimentarse a operaciones de lixiviación, entre los que pueden mencionarse minerales/concentrados de baja y de alta ley. La lixiviación de los minerales de baja ley debe hacerse en muy grande escala para que haya una cantidad suficiente de productos metálicos por extraer que haga costeable la operación. Las grandes cantidades de reactivo que se requieren para tratar grandes tonelajes de mineral por procesar, implican que el disolvente sea debajo precio para que la operación sea rentable. Con minerales/concentrados de alta ley, se hare unido el metal valioso en un tonelaje más pequeño y la relación de material de desecho a valores es más baja, por lo que la cantidad de reactivos que se requieren en este caso será inferior a la que se requiere para los minerales de baja ley, en cuyo caso, el costo de los reactivos de lixiviación no es un factor tan importante. En todos los minerales y concentrados, los componentes minerales deben ser solubles en los reactivos que se empleen, y la roca matriz debe ser substancialmente insoluble. El método por usar lo determina el costo de tratamiento que pueda resultar aceptable, la dificultad para disolver los componentes metálicos deseados y la cantidad de material por tratar. Tanto la lixiviación atmosférica como la lixiviación a presión (autoclave) son de aplicación común. Los procedimientos usuales incluyen la lixiviación subterránea (in situ), la lixiviación en terreros o pilas, la lixiviación en tanques a la presión atmosférica y la lixiviación en autoclaves a alta y a baja presión.
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Autoclaves
Un autoclave es un recipiente metálico de paredes gruesas con un cierre hermético que permite trabajar a alta presión para realizar una reacción industrial, una cocción o una esterilización con vapor de agua. Su construcción debe ser tal que resista la presión y temperatura desarrollada en su interior. La presión elevada permite que el agua alcance temperaturas superiores a su punto de ebullición. La temperatura y el vapor actuando conjuntamente producen la coagulación de las proteínas de los microorganismos, entre ellas las esenciales para la vida y la reproducción de estos, llevando así a su destrucción.
Funcionamiento
Las autoclaves funcionan permitiendo la entrada o generación de vapor de agua pero restringiendo su salida, hasta obtener una presión interna de 103 kPa, lo cual provoca que el vapor alcance una temperatura de 121 grados centígrados. Un tiempo típico de esterilización a esta temperatura y presión es de 15-20 minutos. Los autoclaves más modernos permiten realizar procesos a mayores temperaturas y presiones, con ciclos estándares a 134° C a 200 kPa durante 5 min para esterilizar material metálico; llegando incluso a realizar ciclos de vacío para acelerar el secado del material esterilizado. Las autoclaves suelen estar provistas de medidores de presión y temperatura, que permiten verificar el funcionamiento del aparato. Aunque en el mercado existen métodos testigo anexos, por ejemplo, testigos químicos que cambian de color cuando cierta temperatura es alcanzada, o bien testigos mecánicos que se deforman ante las altas temperaturas. Por este medio es posible esterilizar todo tipo de materiales a excepción de materiales volátiles, por lo que se debe tener gran precaución.
La lixiviación en autoclaves a presión
La lixiviación a presión en autoclave se hace con dos fines:
Para acelerar la disolución de todos los valores que contiene la solución de lixiviación Para mejorar el régimen de solubilización de los sólidos que, en el mejor de los casos, sólo son solubles lenta-mente a la presión atmosférica.
Los autoclaves cerrados que se usan para la lixiviación a presión permiten también temperaturas más altas que las que es posible tener con los tanques abiertos, y esto acelera también la rapidez de disolución. Los reactivos gaseosos como el oxigeno, son con frecuencia importantes para la disolución rápida de los componentes metálicos, y la cantidad de estos gases que puede mantenerse en la solución lixiviante dependerá de la presión del gas en el autoclave disolviéndose una mayor cantidad mientras más alta sea la presión y, consecuentemente, mayor será la rapidez de disolución de los sólidos.
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Los materiales tales como los sulfuros, que son relativamente insolubles en condiciones normales de lixiviación en tanque abierto, se vuelven solubles si puede mantenerse una presión suficientemente alta para forzar cantidades considerables de oxígeno en la solución lixiviante. Esto elimina el tratamiento preliminar que se requiere para los sulfuros, en el cual tiene que dárseles primero una tostación oxidante para convertir los sulfuros en sulfatos solubles u óxidos antes de lixiviarlos. Los autoclaves para lixiviación a alta presión se fabrican de metal de alta resistencia mecánica y de acero inoxidable o de titanio para resistir el severo ataque de la solución lixiviante a temperatura y presión elevadas. Con frecuencia son también revestidos de vidrio, plomo o ladrillo para evitar la corrosión del equipo, y por lo general tienen algún tipo de agitador. Con frecuencia también se tienen serpentines de enfriamiento o de calentamiento interconstruidos para prever la necesidad de remover o agregar calor a la solución de lixiviación dentro del recipiente durante el proceso.
Figura 1.1 Autoclave para la lixiviación a presión
Se encuentran autoclaves de tipo vertical u horizontal, siendo ambos tipos de longitud varias veces (cuatro o cinco) mayor que su diámetro.
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Figura 1.2 Autoclave Vertical
Figura 1.3 Autoclave Horizontal
El autoclave de tipo horizontal que se usa en los concentrados de sulfuros está dividido en cuatro compartimientos, con un impulsor accionado mecánicamente en cada uno de ellos para mantener los sólidos en suspensión. También va provisto de serpentín de enfriamiento para mantener la reacción de lixiviación a la temperatura óptima. La lixiviación se efectúa en varios recipientes de reacción instalados en serie, y en aproximadamente 90 minutos, entra en solución el 95% del contenido metálico que llevan los sólidos. La solución cargada se separa del residuo insoluble en espesadores y se dirige a la planta de precipitación para recuperar los valores que contiene.
La lixiviación en autoclaves puede ser a alta presión y a baja presión.
La lixiviación a alta presión:
La lixiviación a alta presión de los concentrados de sulfuros de cobre, se lleva a cabo, por ejemplo, en el proceso Sherritt Gordon en el cual se combina el tratamiento de los concentrados de la flotación de níquel, cobre y cobalto en forma de sulfuros, en los cuales el cobre no es el
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elemento constitutivo principal, sino que representan 2% del total, en comparación con 10% de contenido de níquel. La lixiviación se efectúa en dos etapas, utilizándose en cada una autoclaves de cuatro compartimientos, de 44 pies de largo por 11 pies de diámetro (13.4 x 3.35m), teniendo en la primera etapa 185° F (85° C) y 120 lb./pulg2 (827 kPa) y en la segunda 175° F (80° C) y 130 lb./pulg2 (896 kPa). La tercera parte del tiempo de lixiviación corresponde a la primera etapa y dos terceras partes a la segunda. La reacción de lixiviación es exotérmica, y los autoclaves tienen serpentines de enfriamiento para eliminar el calor generado, así como agitadores para mantener los sólidos finos en suspensión y promover la óptima acción de lixiviación .La operación de lixiviación se realiza mediante una reacción de los minerales de sulfuros con el oxigeno disuelto, el amoniaco y el agua, que los convierte en aminas solubles que entran en solución. La solución cargada se extrae y se trata en un circuito de precipitación para recuperar los 7 gpl de cobre que contiene.
La lixiviación a baja presión:
La lixiviación a baja presión de los lodos de los concentrados de sulfuro de cobre se efectúa en el proceso Arbiter, de la Anaconda Company. En septiembre de1974 se puso en marcha una planta con capacidad para 36,000 toneladas de cobre por año; después se cerró y se dejó en reserva en junio de 1975. Tras un período prolongado para acondicionarla para operaciones en invierno y hacerle otras modificaciones, entró en servicio de nuevo en 1976. El proceso Arbiter lixivia el concentrado de sulfuro de cobre en forma de pulpa en un sistema de oxigeno-amoniaco-sulfato de amonio a 102° F (70° C) bajo una presión de alrededor de 1/3 de atmósfera (5 libras por pulgada cuadrada (34.5 kPa)). El cobre entra en solución como sulfato de la amina de cobre (CuNH 4SO4), y la pirita de hierro es insoluble. Como se planeó originalmente, la lixiviación va seguida primero por una separación por extracción con disolvente de la solución, y luego por precipitación electrolítica para recuperar el cobre. Sin embargo, una innovación más reciente del proceso es la posible eliminación de estos dos pasos para recuperar el cobre directamente en forma de sulfito cuproso de amonio precipitado, tratando la solución con SO 2. Esta modificación podría reducir la inversión de capital requerida en una tercera parte.
Efecto de la temperatura en la lixiviación
Las mejores disoluciones de cobre se obtienen para una temperatura de 100° C. A temperaturas mayores de 120° C., se observa una disolución rápida de cobre a tiempos cortos de lixiviación pero a tiempos mayores la velocidad de reacción disminuye abruptamente dando extracciones mucho más bajas que las obtenidas a 100° C. Esto se puede atribuir, para casos en que la muestra tenga a su vez covelina, a que a 120° C el azufre elemental formado por la disolución es de la covelina se funde y moja la superficie de las partículas, creando una capa protectora que i mpide la reacción de disolución continúe. Este efecto de pasivación producido por azufre líquido se ha observado también en la lixiviación de calcopirita.
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Lixiviación en autoclaves de los sulfuros de cobre (Calcopirita, Bornita)
Los sulfuros de cobre se lixivian en gran variedad de formas, por lixiviación en el sitio, en pilas y por percolación en tanques a presión atmosférica, y también en autoclaves agitados a al tas y bajas presiones. En la lixiviación atmosférica, se oxidan los sulfuros a sulfatos solubles y a óxidos, los cuales se disuelven fácilmente en las soluciones lixiviantes acuosas de ácido sulfúrico y sulfato férrico, o bien pueden lixiviarse como sulfuros con cloruro férrico. En los autoclaves de alta presión se tiene una solución acuosa concentrado de amoniaco que disuelve al cobre. Debido a que el cobre es uno de los pocos metales que forman iones complejos cupro amoniacales, puede de esta manera recuperarse selectivamente. La lixiviación abaja presión se efectúa a presión casi atmosférica en un sistema de oxigenoamoniaco-sulfato de amonio y es el más reciente de los procesos de lixiviación
Lixiviación de calcopirita (CuFeS 2)
La calcopirita es difícil de oxidar en comparación con minerales de Zn y Pb, con el objetivo de reducir el tiempo de reacción se lixivia a levadas presiones y temperaturas, son necesarias de 15 a 30 atm de presión para lixiviar calcopirita y de 1 a 2 atm para lixiviar Zn. A nivel industrial un concentrado de calcopirita se lixivia en autoclave a 95° C y una presión de 12 atmósferas utilizando una solución amoniacal y sulfato de amonio, la temperatura de lixiviación no debe ser superior al punto de fusión del S por lo que se limita 115° C. La reacción que ocurre en el reactor es la siguiente:
Bajo estas condiciones y con un exceso de calcopirita se obtiene una solución resultante con 65 g Cu/L y 5 g Fe/L en dos horas y 30 minutos.
Figura 1.4 Mineral de Calcopirita
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Lixiviación de Bornita (Cu 5FeS4)
Es extraída por su importancia industrial como mena del cobre y se encuentra en depósitos porfídicos junto con otra mena de cobre más abundante y común, la calcopirita. Tanto la calcopirita como la bornita son sustituidas por calcosina y covelina en los depósitos enriquecidos en cobre. La naturaleza refractaria de los minerales sulfurados hace más difícil su lixiviación, esto se ve reflejado al comparar minerales oxidados y sulfurados con respecto a su recuperación y al tiempo que se demora en recuperar el mineral de cobre. Su disolución por debajo de 40° C con Fe +³, 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. Además se obtiene como subproducto de esta segunda etapa a la calcopirita, la cual para disolverse también necesita de dos etapas, pero esta ves ambas son lentas, lo cual solo deja espacio a una lixiviación en autoclaves para hacer económica su recuperación, pero esto se hablara con mayor detalle más adelante. Si bien la bornita puede tratarse a temperaturas normales, así mismo podemos tratar desde un comienzo este mineral a temperaturas mayores, en donde las dos etapas se presentan con mayor rapidez, la primera hasta con un 40% de extracción y la lenta hasta la disolución total del cobre. Estos resultados hacen que la lixiviación en autoclaves sea una gran oportunidad para la industria para recuperar más cobre y en menor tiempo.
Etapa 1:
Etapa 2:
Figura 1.5 Mineral de Bornita
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Conclusión
No cabe duda que la tecnología en todos los ámbitos nos ha beneficiado de alguna u otra manera es así como la hidrometalurgia y sus procesos se han desarrollado exitosamente de la mano del desarrollo tecnológico. Es así como la lixiviación en autoclave nos entrega un proceso mucho más eficiente, con mejor recuperación y más variedades de lixiviación. Las grandes compañías mineras están al tanto del desarrollo tecnología es así que eligen algunas, la lixiviación en autoclaves obteniendo mejores recuperación y procesos tratados al más alto nivel. Podemos concluir que unos de los procesos más importantes en el desarrollo minero es la recuperación del mineral valioso, que me entregara los recursos suficientes para poder solventar los costos que me significan todos los procesos de extracción, desarrollo, etc. Por lo tanto este proceso no se puede tomar a la ligera y necesita de un estudio excautivo y la mejor tecnología y rendimiento de todos sus equipos y procesos, es así que la lixiviación en autoclave se presenta como una excelente opción en lo que significa recuperación del mineral, y una mejor r ecuperación económica, cumpliendo con altos estándares tecnológicos y variadas opciones de lixiviación.
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