Obtención de Cobre por Hidrometalurgia de Sulfuros

Revista
Latinoamericana
de Metalurgia
y Materiales,
Vol. 2, N." 1, 1982
Obtención de Cobre por Hidrometalurgia de Sulfuros
Jorge Avella Salcedo y Clemente Retamoso Rodríguez
Centro de Investigaciones Mineras y Facultad de Ciencias Físico Químicas, Universidad Industrial de Santander
Apartado Aéreo 678, Bucaramanga, Colombia.'
,
En este trabajo se estudiaron experimentalmente los faclores que alectan la obtención del cobre de la calcopirita por hidrometalurgia. Los resultados experimentales parecen indicar que el proceso se puede describir, hasta una relación en peso de
cloruro férrico a calcopirita de 3.1, por medio de un mecanismo combinado de transferencia de masa y pérdida de volumen de
la partícula que se está lixiviando.
Production
of Copper by Hydrometallurgical
Process of Sulphldes
Experimental study on the lactors which affect the obtention 01 copper Irom the chalcopyrite by hydrometallurgical orocess has
been carried out. The experimental results 01 the process could be described in terms 01 a combined mechanism 01 mass
transler and volume 105s 01 the particlas being leached, up to the weight ratio 01 3.1 between the lerric chloride and the
chalcopyrite.
1.
INTRODUCCION
La lixiviación de un mineral por medio de una solución es un problema que se puede representar
matemáticamente
después de hacer una serie de suposiciones que en principio, pueden parecer muy restrictivas,
pero que al final, brindan una buena posibilidad de
predecir el proceso de extracción.
La variación de la masa de mineral sometida a lixi-
El cobre se ha obtenido de sus minerales tradicionalmente por métodos pirometalúrgicos
que presentan el
inconveniente
de la contaminación
ambiental ocasionada por el desprendimiento
de gases sulfurosos.
Las condiciones tecnológicas de un país de mediano
desarrollo económico hacen que el estudio de procesos
aplicables directamente
al sector industrial sea una de
sus necesidades
más apremiantes.
Los procesos de obtención del cobre de la calcopirita por medio de hidrometalurgia
pueden resultar más
económicos que los basados en pirometalurgia
porque
son, en general, menos exigentes energéticamente
y
dejan una mayor gama de subproductos
aprovechables.
Las razones anteriormente
expuestas condujeron
a
formular un trabajo de estudio de los factores que
afectan la obtención del cobre de la calcopirita por hidrometalurgia.
La parte de este estudio que se presenta en este informe trata la determinación
experimental de las relaciones que existen entre los diferentes parámetros que
afectan la disolución de los concentrados de calcopirita
existentes en Colombia provenientes de las regiones de
Antioquía, Tolima, Nariño y Santander, en un medio
particularmente
fuerte como el formado por las soluciones de cloruro férrico concentrados.
El objetivo final de estos trabajos es conseguir una
información que permita el diseño de procesos de beneficio adaptables
a las calcopiritas colombianas.
2.
xiviación
con respecto
te se relaciona
siguiente forma:
al tiempo
dM , generalmendt
con otras variables del proceso en la
dM
dt
(2.1)
En la ecuación (2.1) M es la masa total de mineral
sólido que se está extrayendo en el lote o cachada; t es
el tiempo, Ap, es la superficie geométrica
del sólido
donde se suponen actúan los centros activos para la
reacción, (FeCl3) es la concentración
del agente lixivi ante y k es un factor que representa la mayor o menor resistencia a la disolución. Cuando la reacción no
deja un residuo sólido resistente a la difusión de reactivos y productos k es constante, si la temperatura
permanece constante; cuando la reacción deja un residuo
sólido resistente a la difusión k puede resultar inversamente proporcional
al espesor de la costra sólida formada. En este trabajo se va a desarrollar el modelo de
la lixiviación considerando
k relacionada con el espesor de la costra sólida residual en la siguiente forma:
MODELO MATEMA TICO
DE LA LIXIVIACION
DE UN LOTE
DE CALCOPIRIT A
(2.2)
Donde r., es el radio inicial
radio del núcleo de la partícula
nado en un tiempo t.
La ecuación (2.1) es la base
ción después de ser modificada
integrable lo cual se logra por
En la presentación
que sigue se entiende por lixiviación de un lote de calcopirita el proceso mediante el
cual una masa conocida de mineral se pone en contacto. durante cierto tiempo, con una solución que contiene un agente que extrae preferentemente
alguno o algunos de los componentes
del mineral.
21
de la partícula y r es el
que aún no ha reaccio- .
del modelo de la lixiviaen una forma que sea
medio de consideracio-
Latin American
[ournal
of Metallurgy
and
Materials,
Vol. 2, N.:
l , /982
Por consiguiente:
nes estiquiométricas
y geométricas.
Para refinar la estequiometría,
la reacción Cu FeS2 + 3FeCI3 = CuCl +
4FeCl2 + 2 S, se puede hacer consistente con la composición del mineral empleado en este trabajo.
Ap
No 4 r~
=
=
Ap
690
CuFe
CuCI
+ 2.38 FeCl3
SI'561
+ 3.07 FeCl~ + 1.561 S
Las relaciones gravimétricas
implícitas
ción anterior son respectivamente:
(151.37)
=
+ (386.08)
=
También
sabiendo
=
ro - ro (1 - x)1/3
en la ecua-
r¿ - r
=
r¿ [1 - (1 - x) l.']
Se encuentra
j ¡,
0.8 Mo
-,M,?o;,..-~Mc-=0.8 Mo
dx
dt
(2.4)
=
lo siguientes:
dM
--dt
respecto
=
Mo
4 3 P
3ro
151.37
386.08
3M
en la cantidad
al
v=
(2.5)
+ (Mo - M)
V
102.08
151.37
1"0
o
(2.13)
En la ecuación (2.13) Po es un parámetro relacionado con la densidad de la solución y con los cambios de
volumen de la mezcla con la composición. En este caso
no se consideró necesario desarrollar más esta ecuación y se tomó Po constante, en primera instancia. Tomando la ecuación (2.12) e introduciendo
x en ella resulta:
x 0.8 x (2.14)
(FeCl3) Vo -2.55
Yo
+ 0.539
~o
x
o
M
)
N
aumenta
102.08 el volumen de la solución lixi151.37
vi ante cambia con respecto al volumen inicial Vo en la
siguiente forma:
(2.6)
1/3
4 No PM
(
la masa de líquido
~(2.12)
2.55
CMo - M) x
Con los resultados
En la ecuación (2.6) [o es el radio promedio de las
partículas inicialmente y PM es la densidad del mineral.
En cualquier momento t el radio de una partícula
será:
r =
(2.11)
+ k3 [1 - (1 - x) 1/3]
De acuerdo con la ecuación (2.3) resulta que la Calcopirita y el cloruro férrico reaccionan en la proporción 151.37 : 386.08, aplicando esta proporción al proceso de lixiviación se obtiene:
(2.4)
con
k¡
k]
La superficie Ap que aparece en la ecuación (2.1) se
puede suponer que es la superficie correspondiente
al
núcleo no afectado por la reacción de la partícula de
mineral multiplicada por el número de partículas. Las
partículas de mineral se consideran esféricas y de igual
diámetro. Así:
Número de partículas, Np:
Np
(2.10)
+ (389.17) + (49.28)
(99.00)
la ecuación
(2.9)
ro - r
Como
Diferenciando
tiempo resulta:
(1 - X)2/3
que:
k =.
=
A p"
(2.3)
Las cantidades en paréntesis representan las relaciones gravimétricas
resultantes de la reacción adaptada
(2.3).
Para usar variables con significado en el proceso de
lixiviación se emplea el término fracción de cobre recuperado,
que bajo el supuesto que toda la cantidad
de mineral disuelto es Caicopirita y teniendo en cuenta
la fracción de ganga que en el mineral estudiado es el
20 %, se puede definir en concordancia
con la ecuación (2.3) así:
x
(1 - x)2/3
obtenidos
(2.15) en (2.1) y llamando
en (2.5), (2.9), (2.11) Y
R, a la relación
(F;~13~:
o
se obtiene:
(2.7)
Donde MN, la masa del núcleo sin reaccionar, es:
MN = M¿ (1 - x)
empleando la definición de fracción de cobre recuperada:
ó
r
=
,
~=:-3-,:M~o,-4 No PM
r
I/g
donde k' I = 0.8 M, k ,
La ecuación (2.15) es, hipotéticarnente , representativa de la lixiviación
de un lote de Calcopirita en cloruro férrico concentrado.
(1 - x)I/.'
= r., (l - x) 1/3
(2.8)
22
Revista
En
aquellos
Ro »2.55
x
casos
en que
y Yo »
Latinoamericana
se puede
0.539 (
Mo )
Po
de Metalurgia
y Materiales,
Vol. 2, 'N.'
1, 1982
y Pirita (10 %). Estos promedios son representativos
tanto de los minerales concentrados
de Santander como de los de Antioquia.
considerar
x.
Entonces:
4.
RESULTADOS
y DISCUSION
EXPERIMENTALES
(2.16)
4.1.
que es el conocido comportamiento
mente si k2 » k3, entonces:
parabólico.
Final-
De acuerdo con la estequiometría
de la reacción que
controla el proceso de lixiviación, ya presentada antes,
entre la calcopirita y el cloruro de hierro, se requiere
como mínimo 2.7 partes de cloruro férrico en peso por
cada parte de calcopirita. Sin embargo, para hacer un
balance real de esta variable, se hicieron varias pruebas con diferentes relaciones. Los resultados se muestran en la tabla l.
dx
dt
que es el comportamiento
3.
PROCEDIMIENTO
Relación de peso
lineal.
EXPERIMENTAL
1
TABLA
Se hicieron estudios de mineral concentrado,
proveniente de las zonas mineras de Ibagué y Medellín y de
las regiones de Vélez, concentrado
en la UIS.
Para cada ensayo se tomaron muestras de 10 g de
mineral. Cada uno de estos se llevaron al reactor experimental donde se pusieron en contacto con la solución
lixiviante, compuesta por 30 cc de agua y el resto de
componentes
necesarios para la reacción.
El reactor experimental
fue un balón de vidrio de
tres bocas. En la abertura central se colocó un condensador con refrigerante para evitar la evaporación de la
solución lixiviante. En una de las salidas laterales se
introdujo un termómetro;
éste sirvió para observar ías
variaciones de temperatura
que ocurrían en el reactor,
y ordenar los ajustes necesarios para su control en el
nivel deseado.
La otra salida se usó para extraer el volumen de solución, que se sometió a análisis para hallar la cantidad
de cobre disuelto hasta el momento de tomar la muestra. Para el análisis se utilizó el método de yodo me tría
cuantitativo
[6].
Este método es ampliamente
usado y recomendado
para este tipo de pruebas.
La agitación se realizó por medio de un agitador
magnético, el cual posee una placa de calentamiento.
Cada muestra fue sometida a lixiviación
y durante el
transcurso de la prueba se siguió el comportamiento
de
las variables que de antemano se supuso tienen un
efecto más marcado en la rata de disolución de concentrado de calcopirita. Las variables estudiadas fueron:
La relación en peso de cloruro férrico a calcopirita,
la temperatura,
el tiempo y el PM de la solución.
Para el control de temperatura
se usó un regulador
que permitió mantener esta variable en un valor aceptable fijo.
Se consideró que la granulometría
después de la flotación era adecuada para caracterizar mejor la lixiviación por lo cual se siguieron las técnicas que indica la
granulometría
para estos casos.
El concentrado
usado presentó
una composición
promedio que en elementos se puede expresar como
Cu, 33 %; Fe, 20 %; S, 26 %; Mo, 0.29 %; Ag. 2.5 %
g/Ton , y Am, 0.4 % g/Ton y en minerales principales
como calcopirita (60 %, Bornita (10 %), sílice (12 %)
Porcentaje de recuperación de cobre para diferentes
relaciones en peso de cloruro de hierro a calcopirita
a 109 C
0
Relación
(FeCh)
(CuFeS2)
l.6
2.1
2.7
3.1
4.l.
O mino 30 mino 60 mino 120 mino Máx.
O
O
O
O
O
54
65
70
75
77
55
66
81
86
90
56
68
96
99
99
0.59
0.78
l.00
1.00
1.00
Estos resultados se muestran también en la figura 1.
Un análisis de los resultados permite concluir que no
es necesario agregar reactivo en exceso para compensar el consumo extra ocasionado por otras reacciones
diferentes a la principal. Resulta evidente, analizando
la gráfica que la relación 4.1 permite mejores recuperaciones a tiempo más corto, pero a un mayor costo
por exceso de reactivo. Este hecho, no es justificable
económicamente
si se tiene en cuenta que la relación
de 3.1 permite alcanzar valores relativamente
idénticos, a los obtenidos en la relación mayor.
Puede concluirse que la relación 3.1 es la mejor y se
ajusta a las necesidades y objetivos del proceso. Los
datos cinéticos se adaptan bien al mecanismo propuesto anteriormente
en el cual la transferencia de masa, la
reacción o la adsorción superficial y la resistencia de la
costra formada son los factores más importantes .
. A nivel industrial probablemente
la relación puede
ajustarse dentro del rango 2.7 Y 3.1 dependiendo
del
éxito de la operación del control ejercido sobre las demás variables.
4.2.
Temperatura
La temperatura
es una de las variables más importantes en este tipo de lixiviaciones. Su control debe
ser estricto debido a que variaciones relativamente
pequeñas, ocasionan cambios fundamentales
en la cinétiea del proceso. Se puede tener una .idea aceptable del
23
Latin American
journal
o] Mecailurgy
and Materials,
Vol. 2, N,:
1, 1982
FRACCION, EN PESO DE COBRE CONVERTIDO
l.
o
Ro~4.1
.9
.B
.7
Re = 2.1
.6
Re~1.6
·5
.4
109 ec
T=
Re e " LA RELAClON
.3
~.
I N le 1A L
EN
PESO
Cu Fe Sz
.2
LAS
LlNEAS
.1
dx
dI
o
10
20
30
SOUDAS
=
0.02
40
(,-
50
SIGU E N
fl3
X
60
LA
ECUACION:
(Re- 2.7X)
70
80
TIEMPO
Fig. 1.
Fracción de cobre recuperado
Efecto
para
110
IZO
MINUTOS
contra tiempo.
Tiempo
de lixiviaciári
Esta es una de las variables muy importantes en todo proceso que se desea llevar a la práctica, ya que de
su control depende en gran parte el que un proceso de
este tipo sea económicamente
viable.
De los resultados anteriormente
reportados
puede
deducirse el efecto de esta variable, sin embargo, se
realizaron otra serie de prácticas, aplicando las condiciones óptimas hasta aquí logradas. En la tabla 4 se
dan los valores obtenidos en las lixiviaciones realizadas
a 109 C. Como puede apreciarse en la figura 1 el proceso cinético parece ajustarse bastante bien a un mecanismo de difusión con pérdida parcial de volumen de
la partícula que se esté disolviendo. La ley de rata obtenida se puede expresar por medio de la ecuación.
2
de la temperatura
en la lixiviación
mino de proceso
EN
100
La dependencia
con la temperatura
también parece indicar que en esta lixiviación la transferencia
de
masa es la limitante del proceso. Si las relaciones superficiales fueran las dominantes se debería observar
un aumento más pronunciado
del porcentaje de recuperación con la temperatura.
efecto de la temperatura
si se constata que la reacción
estudiada no produce rendimiento
a bajas temperaturas o cercanas a la ambiental.
El efecto de temperatura
se estudió lixiviando concentrados con las relaciones cloruro de hierro a calcopirita considerado como las más eficaces y variando el
contenido
de MCl de la solución lixiviante.
De esta manera se logró determinar la mejor temperatura para la reacción y por lo tanto la que permite
alcanzar una mayor recuperación.
La tabla 2 que se presenta a continuación
permite
conocer los factores que influyen en la temperatura
óptima de recuperación.
TABLA
90
120
0
Relación
( FeCb)
CuFeS2
3,1
3,1
2.7
3,1
2,7
3,1
% HCI
rc
% recup,
120 mino
S
SO
LV
10
75
104
106
109
SO
S
S
10
10
109
86
93
95
99
~~ =
0,02 (min-I)
(1 - x)2/3 (R¿ - 2,7 x).
(4.1)
Las líneas sólidas de la figura 1 corresponden
a la
integración numérica por el método de Srrnpson de la
ecuación anterior. La poca correspondencia
de la línea
R¿ = 4.1 con los puntos experimentales
parece indicar
la influencia de otro proceso que aparenta competir
con la transferencia
de masa, posiblemente
las etapas
El mejor porcentaje
de recuperación.
se halló a la
temperatura
de 109 C, como puede apreciarse en la
tabla 3 en mayor detalle.
0
24
Revista
Latinoamericana
de Metalurgia
de adsorción-desorción.
Aparentemente,
la costra de
sólido formada no limita, para estos minerales, en gran
medida la disolución del cobre.
TABLA
Relación
FeCl~ )
(
CuFeS2
rc
Tiempo
o
O
35.0
43.0
47.5
50.0
30
60
90
120
4.4.
Relación
( FeCI3
CuFeS2
)
TO C
O
O
104
2.7
69.0
78.0
83.0
85.0
30
60
90
120
Relación
( FeCI3
CuFeS2
)
3.1
TO C
mino % de ecup.
Tiempo
O
O
109
78.0
89.0
95.0
99.0
30
60
90
120
de pH
Cementación
del cobre con hierro
Para la cementación se utilizó el mismo reactor que
se empleó en el ensayo de lixiviación. El reactor se
introdujo en un aparato al baño de maría para poder
controlar mejor la temperatura.
Como elemento cementante se utilizó viruta de hierro, proveniente
del
maquinado
de acero.
A la solución se le inyectó nitrógeno durante el curso del proceso para prevenir la oxidación del cobre cementado.
Las reacciones principales que controlan la cementación fueron dadas por Nadkarni [7] y se enunciaron
anteriormente.
A continuación se enumeran las principales observaciones realizadas:
El consumo de hierro, está relacionado con la cantidad de ion férrico en solución. La acidez de la solución
se debe controlar debido a que influye en el exceso de
consumo de hierro.
El consumo de hierro ideal es aproximadamente
0.7
partes por cada parte de cobre recuperado, pero generalmente se consume un 30 % de exceso. Se hicieron
ensayos a temperaturas
ambientes y 60 C Y los resultados obtenidos fueron casi idénticos tal como puede
observar en la tabla 5. Recuperándose
el 97 % de cobre de las soluciones.
mino % de recup.
Tiempo
Variación
La reacción debe realizarse en medio ácido para evitar la hidrólisis de las sales de hierro y la formación de
compuestos
de azufre.
Se estimó que un pH inicial de 3 era apropiado para
la reacción necesitándose que la solución permaneciera
ácida durante el transcurso de ella.
Durante las experiencias ejecutadas el pH inicial de
la solución fue de 3 descendiendo paulatinamente,
hasta llegar al tope mínimo de 1. Se consideró entonces
que un PM inicial de 3 es conveniente para el desarrollo de la reacción.
13.5
15.5
18.5
20.0
O
75
3.1
4.3.
mino % de recup.
30
60
90
120
1, 1982
para
o
50
3.1
Vol. 2, N.o
La constante de rata representa el promedio obtenido para las diferentes corridas efectuadas en este trabajo. En la figura 1 se puede notar que aparte del caso
mencionado
para R¿ = 4. L la coincidencia entre la
ecuación propuesta y los resultados experimentales
es
bastante buena.
3
Efecto de la temperatura
en la lixiviación
diferentes tiempos de proceso
y Materiales,
0
4
TABLA
Efecto del tiempo en la Iixiviación manteniendo
temperatura
a 109 C
la
0
FeCl3
CuFeSz
Tiempo
minutos
=
2.7
% recuperación
o
O
20
40
60
80
100
120
61
73
82
89
93
96
FeCl3
CuFeSz
=
3.1
% recuperación
TABLA
O
Efecto de la temperatura
75
86.6
92.0
94.9
97.0
99.0
Tiempo
15
30
45
25
% recuperación
75
89
95
5
sobre la cernentacion
% recuperación
80
90
97
LatinAmerican
5.
[ournal
o] Metallurgy
Materials,
Vol. 2, N." 1, 1982
Se deben realizar evaluaciones a escala piloto, para
poder apreciar mejor tanto la recuperación del cobre.
como del oro, de la plata y de azufre.
CONCLUSIONES
Aspectos
and
Técnicos
En los ensayos realizados se demostró que el proceso propuesto es altamente factible. porque se logra un
porcentaje
de recuperación
muy satisfactorio.
Se debe advertir que los reactivos utilizados son altamente corrosivos, lo cual obliga a tomar las precauciones necesarias utilizando materiales de trabajo que
no sufran corrosión durante el proceso.
Es necesario advertir finalmente sobre la obligación
de ampliar en detalles otros aspectos de este proceso
como son:
La recuperación
de los metales preciosos por los métodos de cianuración;
la recuperación
del azufre elemental a partir de los residuos de lixiviación mediante
un disolvente orgánico y la recuperación
de las sales
lixiviantes, para lograr que este proceso sea más llamativo desde el punto de vista económico.
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of copper, iron
and sulfur from chalcopyrite
concentrate
using a ferric chloride
leach». 1. o] Metals., febo (1971). 25.
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