lixiviacion de minerales mediante pilas y bateas - U

LIXIVIACION DE MINERALES MEDIANTE PILAS Y BATEAS
Fabián Cárdenas, Mauricio Díaz, Carlos Guajardo, María Belén Oliva
Universidad de Chile
Estudiantes de ingeniería en minas
Departamentos de Ingeniería de Minas
Tupper 2069, Santiago de Chile
E-mails: [email protected], [email protected]
RESUMEN
La definición formal de lixiviación es “tratar una sustancia compleja, como un mineral, con un
disolvente adecuado para separar sus partes solubles de las insolubles”, de este proceso se
distinguen distintos métodos de operación que se eligen según factores técnicos y económicos en
el análisis de un proyecto; de los que se pueden distinguir: ley de la especie (Compuesto) de
interés a recuperar, caracterización mineralógica y geológica, comportamiento metalúrgico, costos
de operación y de capital entre otros. Cabe agregar que se ocupa mayoritariamente para óxidos.
Después de los análisis, se escoge el método de lixiviación más adecuado; para clasificar estos, se
tiene dos grupos: Lixiviación de lechos fijos y Lixiviación de pulpas en el primero encontramos in
situ, in place, botaderos, pilas, bateas; y en el segundo agitación a presión ambiente y autoclave,
donde se explicará cuáles son los más adecuados para la minería chilena; se explica que el
proceso de lixiviación tiene un comportamiento parabólico.
INTRODUCCION
La lixiviación puede llevarse a cabo mediante
diferentes técnicas de operación, que dado el
análisis de un proyecto, son seleccionadas
tanto
por
factores
técnicos
como
económicos, en los que se distinguen:
Factores Técnicos:
- ley de la especie.
- reservas de mineral.
- caracterización mineralógica.
- caracterización geológica.
- comportamiento metalúrgico.
- capacidad de procesamiento.
Factores Económicos:
- costos de operación y de capital.
- rentabilidad económica.
Del análisis de los factores mencionado
anteriormente, se podrá seleccionar la
técnica que sea más rentable, entre las
cuales se tienen:
Lechos fijos:
- in situ, in place.
- en botaderos.
- en pilas.
- en bateas.
Lixiviación de pulpas:
- por agitación, a presión ambiente.
- en autoclaves.
De las cuales se profundizará lixiviación en
pilas y batea más adelante.
Se mostrará una descripción del proceso
químico de la lixiviación.
¿QUÉ ES LA LIXIVIACIÓN?
OBJETIVO
El objetivo central de este trabajo es dar a
conocer y explicar los métodos de lixiviación,
profundizando la lixiviación en pilas y en
bateas, para que los lectores, puedan
identificar y diferenciar cuales son los
métodos, ventajas y desventajas de estas
técnicas, y tener alguna noción de por cual
inclinarse frente a posible elección.
La metalurgia extractiva posee variadas
ramas entre las que se encuentra la
Hidrometalurgia. Esta se encarga de extraer
los metales desde los materiales que los
contienen a través de métodos fisicoquímicos
de fase líquida. Este proceso es utilizado en
la extracción de Uranio, Oro, Vanadio, Cobre,
Plata, entre otros.
La Hidrometalurgia requiere de las siguientes
etapas: chancado, molienda, aglomeración,
lixiviación, extracción por solventes y electro
obtención, sin embargo nos centraremos en
el proceso de lixiviación.
ANTECEDENTES
Lixiviación tiene como definición “tratar una
sustancia compleja, como un mineral, con un
disolvente adecuado para separar sus partes
solubles de las insolubles”, la cual es su
función actual, y en el que se precisará más
adelante. Si se sigue la etimología de la
palabra lixiviación, se encuentra que viene
del latín: "Lixivia, -ae" sustantivo femenino
que significa lejía. Los primeros en acuñarla
fueron los romanos, quienes la usaban para
referirse a los jugos que destilan las uvas
antes de ser pisadas, o las aceitunas antes
de molerlas.
Enfocado a la minería, el concepto original de
esta tecnología aplicada al tratamiento de los
minerales de cobre, se originó en EE.UU,
pero fue en chile donde se perfeccionó y
modificó sustancialmente,
logrando una
primera aplicación práctica industrial, la cual
dio lugar en el yacimiento Lo Aguirre en las
cercanías de Santiago de Chile, por la minera
Pudahuel.
Ya en la década del noventa se expandió
ampliamente en la minería cuprífera chilena
formando parte de un nuevo camino
tecnológico que incluía la extracción por
solventes y la electro-obtención de cátodos
de cobre.
Actualmente la lixiviación es uno de los
procesos más usado en la recuperación de
minerales.
La lixiviación consiste en la disolución del
elemento de interés del mineral, por acción
de un agente lixiviante externo o
suministrado directamente por el mineral en
condiciones apropiadas.
Los procesos de lixiviación presentan
diferentes sistemas de operación los cuales
se seleccionan de acuerdo a factores
técnicos y económicos. Algunos de estos
son:






Reservas del mineral.
Comportamiento metalúrgico.
Caracterización
mineralógica
y
geológica.
Ley del elemento de interés en
recuperar.
Capacidad de procesamiento.
Costos de operación y capital, entre
otros.
TIPOS DE LIXIVIACIÓN
El mineral forma un lecho fijo de partículas
que es bañado por una solución. El agente
lixiviante entra en contacto con el lecho
mineral y a medida que va descendiendo va
diluyendo el material de interés. Finalmente
la solución rica en el elemento de interés se
recoge en la base del lecho. Así, en este
grupo de procesos se distinguen:
Lixiviación in situ – in place:
La lixiviación in place consiste en la
lixiviación de residuos fragmentados dejados
en minas abandonadas, mientras que la
lixiviación in situ se relaciona a la aplicación
de soluciones directamente a un cuerpo
mineralizado.
Lixiviación en bateas:
Esta técnica consiste en unir un lecho de
mineral con una solución acuosa que
percola e inunda la batea o estanque.
Lixiviación en pilas:
Es un proceso que permite disolver el cobre
de los minerales oxidados que lo contienen,
aplicando una solución de ácido sulfúrico y
agua.
Lixiviación en botaderos:
Esta técnica consiste en lixiviar lastres,
desmontes o sobrecarga de minas de tajo
abierto, los que debido a sus bajas leyes no
pueden ser tratados a través de métodos
comunes.
Si bien los cuatro métodos mencionados
anteriormente son importantes, en este
documento se profundizará sobre la
lixiviación en pilas y la lixiviación en bateas.
LIXIVIACIÓN EN BATEAS:
La Lixiviación en bateas conocido también
como sistema de lixiviación por percolación,
consiste en la utilización de una estructura de
hormigón con forma de paralelepípedo, en
donde se deposita el mineral previamente
chancado para posteriormente cubrirlo con
las soluciones de lixiviación hasta 1/2 o ·3/4
de su volumen. El molde de hormigón posee
un fondo falso de madera, cubierto con una
tela filtrante que permite la recirculación en
sentido ascendente o descendente de la
solución, de modo de favorecer la dilución del
mineral. En la utilización de este método se
dispone de una serie de bateas ubicadas en
serie una contigua a la otra, donde cada
batea está conectada a la siguiente de
manera de permitir la circulación de la
disolución entre estas, tal que las sucesivas
recirculaciones permiten subir el contenido
del metal de interés (generalmente cobre),
tanto como para poder enviarlas a
recuperación electrolítica directa.
Dado que las bateas son sistemas de
operación muy dinámica, son apropiados
solamente para lixiviar minerales que
presentan una cinética de disolución muy
rápida. El ciclo de lixiviación en bateas es
normalmente muy corto del orden de 6 a 12
días.
La utilización de este método otorga una
mayor rapidez al proceso de lixiviación ya
que al estar el mineral total o parcialmente
sumergido en la solución facilita la dilución de
este. El proceso permite el tratamiento de un
volumen considerable de mineral ya que
tiene la facilidad de conectar una serie de
estas, aumentando la productividad del
mismo.
Las desventajas del método son su reducido
campo de aplicación donde como ya se dijo
debido a sus características dinámicas
requiere de minerales de rápida cinética de
dilución, además de la elevada inversión
inicial requerida para la construcción de las
bateas junto con la necesidad del tratamiento
del mineral.
contenido
en
los
minerales
oxidados,
formando una solución de sulfato de cobre, la
que es recogida por el sistema de drenaje, y
llevada fuera del sector de las pilas en
canaletas impermeabilizadas.
LIXIVIACIÓN EN PILAS
El riego de las pilas, es decir, la lixiviación se
El
material
chancado
(generalmente
es
transportado
mantiene por 45 a 60 días, después de lo
mediante
correas
cual se supone que se ha agotado casi
transportadoras) hacia el lugar donde se
completamente
formará la pila. En este trayecto el material
lixiviable. El material restante o ripio es
es sometido a una primera irrigación con una
transportado mediante correas a botaderos
solución de agua y ácido sulfúrico, conocido
donde
como proceso de curado, de manera de
proceso de lixiviación para extraer el resto de
cobre.
iniciar ya en el camino el proceso de
sulfatación
del cobre contenido en
se
la
podría
cantidad
reiniciar
de
un
cobre
segundo
los
minerales oxidados. En su destino, el mineral
es
descargado
mediante
un
equipo
esparcidor gigantesco, que lo va depositando
ordenadamente
formando
un
terraplén
continuo de 6 a 8 m de altura: la pila de
lixiviación. Sobre esta pila se instala un
sistema de riego por goteo y aspersores que
van
cubriendo
toda
el
área
expuesta.
Bajo las pilas de material a lixiviar se instala
previamente una membrana impermeable
sobre la cual se dispone un sistema de
drenes (tuberías ranuradas) que permiten
recoger las soluciones que se infiltran a
través del material.
SISTEMA DE RIEGO
A través del sistema de riego por goteo y de
los aspersores, se vierte lentamente una
solución ácida de agua con ácido sulfúrico en
la superficie de las pilas. Esta solución se
infiltra en la pila hasta su base, actuando
rápidamente. La solución disuelve el cobre
PRODUCTOS
De la lixiviación se obtienen soluciones de
sulfato
de
cobre
(CUSO4)
con
concentraciones de hasta 9 gramos por litro
(gpl) denominadas PLS que son llevadas a
diversos estanques donde se limpian
eliminándose las partículas sólidas que
pudieran haber sido arrastradas. Estas
soluciones de sulfato de cobre limpias son
llevadas a planta de extracción por solvente.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO QUÍMICO
La velocidad a la que ocurre el proceso de
lixiviación
tiene
un
comportamiento
parabólico, esto se debe a las etapas
involucradas en el mecanismo de lixiviación
de una partícula de mineral.
Zona ya lixiviada
Zona sin lixiviar
Este mecanismo es el origen del
comportamiento parabólico de la lixiviación.
Tiempo de
lixiviación
Las etapas son:
Fe+3
1-Reactivo lixiviante ( H,
) difunde a
través de la capa límite hacia la superficie de
la partícula
2- Reactivo lixiviante difunde en el interior de
la partícula hacia la zona de reacción
Se muestra a continuación la deducción de la
ecuación de la velocidad de lixiviación de una
partícula de mineral un caso extremo: en que
la velocidad de lixiviación está controlada por
la velocidad de difusión del reactivo lixiviante
a través del sólido (etapa 2)
Se usara como modelo la siguiente reacción
A(solución)  bB(sólido)  C(solución)  D(sólido)
3- Ocurre la reacción química, se forman
productos de la reacción
4- Productos solubles de la reacción (Cu+2,
Fe+2) difunden en el interior de la partícula
hacia la superficie de esta.
5-Productos solubles difunden a través de la
capa límite hacia el seno de la solución
La velocidad del proceso de lixiviación es
inicialmente alta dado que el reactivo ataca
directamente a las especies de cobre
presentes en la superficie de la partícula.
Con el paso del tiempo la velocidad de la
reacción decae porque la superficie de
reacción está cada vez más alejada de la
superficie de la partícula y los reactivos y
productos tarda más tiempo en desplazarse a
interior de la partícula.
El siguiente esquema ilustra el proceso
Que corresponde al caso de la lixiviación de
una especie mineral B con un reactivo de
lixiviación A, produciendo un producto soluble
C y un producto sólido D. En el caso de la
lixiviación ácida de tenorita, H+ corresponde a
A, CuO a B, y Cu+2 al producto soluble de la
reacción. En el caso de la lixiviación de
covelina con ión férrico, Fe+3 corresponde a
A, CuS a B, Cu+2 y Fe+2 a C, S0 al producto
sólido D.
Caso control difusional
La figura representa la configuración y el
perfil de concentración de reactivo en un
cierto momento de la lixiviación de una
partícula R
QA  Deff
dC A
dr
r r
(3)
Donde Deff es el coeficiente de difusividad
efectiva del reactivo lixiviante A a través de la
capa de sólido reaccionado. Combinando
ecuaciones 2 y 3 se tiene:
Figura 3. Control difusional a través de la capa de
ceniza. La ordenada del gráfico corresponde a la
concentración del reactante en la fase líquida y al
interior de la partícula; la abscisa corresponde a la
posición radial de la partícula esférica

dN A
dC A
 4r 2 Deff
dt
dr
(4)
Para deducir una expresión entre el radio del
núcleo sin reaccionar y el tiempo de
lixiviación, se efectúa un análisis en dos
etapas: a) primero, se considera una
partícula que ha reaccionado parcialmente
(ver Figura 3), escribiendo las ecuaciones
para el flujo de reactivo; b) segundo, se
aplica la relación encontrada en (a) para
todos los valores de rc, es decir, se integra
entre R, valor inicial de rc y 0, valor final de
rc.
Pero como el radio del núcleo sin reaccionar
varía muy lentamente en relación a la
velocidad de desplazamiento de A hacia la
zona de reacción, se alcanza un estado
pseudo-estacionario en el cual el flujo de A ,
–dNA/dt, es constante. Luego se puede
integrar a lo ancho de la zona no
reaccionada, desde R a rc:
C Ac
dN A rc dr

  4Deff  dCA
dt R r 2
C As
(5)
ETAPA A
La velocidad de reacción (de consumo) del
agente lixiviante está dada por su velocidad
molar de difusión. En la superficie genérica
de radio r ésta es:

dN A
 4r 2QA
dt
Se obtiene:

(6)
De donde se tiene:
(2)
En que QA es la densidad de flujo de A
(moles A/ t x área) en el sólido a través de la
superficie de la esfera de radio r, y que está
dada por la Ley de Fick:
dN A  1 1 
    4Deff C As
dt  rc R 

dN A 4Deff C As

dt
1 1
  
 rc R 
(7)
Esta expresión muestra que efectivamente la
velocidad de reacción disminuye en la
medida que rc disminuye, o sea, disminuye
en la medida que se avanza en el proceso de
lixiviación de la partícula, lo que es
consistente con el proceso parabólico
descrito al principio.
ETAPA B
la segunda etapa del análisis se considera la
variación del tamaño del núcleo sin
reaccionar en el tiempo. Para un determinado
tamaño rc del núcleo vimos –dNA/dt se puede
considerar constante. Sin embargo, a medida
que el núcleo disminuye su tamaño la capa
de sólido a través de la cual debe difundir A
para llegar a reaccionar será mayor, lo que
ocasiona una disminución de la velocidad de
difusión de A, o sea de –dNA/dt.
Para resolver en el tiempo es necesario
relacionar primero la velocidad de consumo
de A con la variación del radio rc.
Si la
partícula de mineral o concentrado tiene un
volumen V(dm3) y la densidad molar de B (la
especie mineral que se lixivia) en
esa
partícula es ρB(moles B/dm3), entonces el
número total de moles en la partícula es:
N B   BV
Cuando se consumen dNA moles de A se
cumple que:
4 
 bdN A  dN B  B dV  B d  rc3   4 B rc2drc
3 
1 1
  B   rc2 drc  bDeff C As dt
 rc R 
Integrando:
rc
t
1 1
  B    rc2 drc  bDeff C As  dt
R
rc  R  rc
0
2
3

 rc 
 rc  
t
1  3   2  
6bDeff C As 
R
R 
B R2
La razón rc/R se puede relacionar con el
grado de conversión XB, o sea la fracción de
B que ha sido lixiviada, mediante la
expresión:
3
4 r 3 (vol.núcleo.sin .reaccionar )
c
 rc 
1 XB  3



4 R 3 (vol. partícula.total )
R
3
Luego, reemplazando
t
6bDeff C As
1  31  X

2
B
 21  X B 
3

Si τ es el tiempo, tiempo necesario para
lixiviar todo el B presente, o sea para que
XB=1, de la expresión anterior se obtiene
que:
O sea la variación del tamaño del núcleo
asociada al consumo de reactivo dNA está
dada por:

 bdN A  4 B rc2 drc
Así
Reemplazando dNA en la expresión de dNA/dt , ecuación 6, se tiene:
B R2
t

B R2
6bDeff C As

 1  31  X B   21  X B 
2
3

REFERENCIAS
Aguad, J.S., Jordan, H,D., Vargas, T..
“Lixiviación de minerales oxidados de cobre
con soluciones ácidas de alta carga íonica”,
En: Tupper 2069, Santiago de Chile.
“El proceso hidrometalúrgico de lixiviación en
pilas y el desarrollo de la minería cuprífera en
Chile”, Beckel, J.. En: Santiago de Chile,
mayo 2000
“Hidrometalurgia” Esteban Domic
“Hidrometalurgia”, Autor desconocido,
Universidad de atacama, pp 20-70.