Hidrometalurgia

Germán Cáceres Arenas Hidrometalurgia y Electrometalurgia

Introduccióna la
hidrometalurgia

Por hidrometalurgia se entiende los procesos de lixiviación selectiva ( disolución )
de los componentes valiosos de las menas y su posterior recuperación de la
solución por diferentes métodos. El nombre de hidrometalurgia se refiere al
empleo generalizado de soluciones acuosas como agente de disolución.

La hidro-electrometalurgia comprende el conjunto de procesos de lixiviación y
precipitación por medio de electrólisis, donde los procesos electroquímicos son
precedidos por los procesos hidrometalúrgicos.

Hay tres principales etapas de los procesos hidrometalúrgicos :

(1) Disolución del componente deseado presente en la fase sólida.
(2) Concentración y/o purificación de la solución obtenida.
(3) Precipitación del metal deseado o sus compuestos.

Los reactivos químicos empleados ( agentes lixiviantes ) deben reunir muchas
propiedades para poder usarse, por ejemplo : no deben ser muy caros, deben ser
fácilmente recuperables y deben ser bastante selectivos para disolver
determinados compuestos. Los procesos de lixiviación y purificación de la solución
corresponden a las mismas operaciones que se practican en el análisis químico,
solamente que a escala industrial.

En estos apuntes sólo se presenta los procesos hidro-electrometalúrgicos de
algunos de los metales más comunes en Chile: el cobre y el oro. Se recomienda al
estudiante referirse a las varias publicaciones que se publicaron estos últimos
años en el campo de la hidrometalurgia para profundizar los temas que le
interesan.

1
http://www.ivan.cl 2007 Universidad de Atacama


FundamentosTermodinámicos

2.1. Reacción Química

En la práctica, se acostumbra escribir una reacción química, bajo la forma :

aA   cC 
bB dD (1)

En (1), a,b,c,d : Coeficientes estequiométricos
A,B : Reactantes
C,D : Productos

El valor de la energía libre estándar de la reacción ( G°) puede determinarse
conociendo los potenciales químicos estándares o las energías libres de formación
de los reactantes y productos :

Donde son los coeficientes estequiométricos de la reacción.
i

2


En este caso :

(2)

En (2),  : Variación de energía libre estándar de la reacción (1)
G°
(cal/mol o joule/mol)
a,b,c,d : Coeficientes estequiométricos
: Energías libres estándar de formación (o
potenciales químicos ) de los compuestos
que participan en la reacción.
En las tablas, se escriben también G° o F°.

Se usa la convención de LATIMER.

a 298 K ( 25°C )

Utilizando los estados estándares, la variación de energía libre ( de esta
G)
reacción, puede ser expresada como :

(3)

En (3),  : Energía libre estándar de la reacción
G°
aA,aB,aC,aD : Actividades de los productos y reactantes
T : Temperatura (K)
R : Constante de los gases ( 1.987 cal/mol.K )

3


Al equilibrio, no hay variación de energía libre :  = 0.
G
Por lo tanto :

(4)

A 25°C  G° en cal/mol) :


(5)

La ecuación (4) define K, constante de equilibrio de la reacción considerada a la
temperatura T :

(6)

En (6), a,b,c,d : Coeficientes estequiométricos
aA,aB,aC,aD : Actividades de los productos y reactantes. En
soluciones diluidas, las actividades de las especies disueltas se
aproximan por su concentración molar (mol/litro). La actividad de
un solido o líquido puro es 1.

4


Ejemplo

Se considera la reacción CuO + 2H+ <=> Cu2+ + H2O

(Concentraciones en mol/litro)

2.2. Reacción Electroquímica

Por lo general, una reacción electroquímica (o semi reacción), es decir en que
participan además electrones, se escribe en el sentido de la reducción (captación
de electrones) :

(7)

En (7), Ox. : Especie oxidante
Red. : Especie reductora
n : Número de electrones que participan en la reacción

5


La condición de equilibrio para un sistema electroquímico es :

(8)

Ecuación de NERNST

En (8), E : Potencial de la reacción electroquímica (V)
R : Constante de los gases ( 1.987 cal/mol.K )
T : Temperatura ( K )
F : Constante de Faraday ( 23060 cal/volt.equival. o 96500 Coulomb )
[Ox] : Actividad de Ox.
[Red] : Actividad de Red.
E° : Potencial estándar de la reacción electroquímica (V)

Nota : En ciertos libros, la ecuación (8) se escribe bajo la forma :

Reemplazando en (8) los valores numéricos de R y F, expresando esa ecuación
en términos de logaritmo decimal y a 25°C, se llega a :

(9)

E° es el potencial estándar de la reacción electroquímica, es decir cuando todos
los compuestos que participan en la reacción están en su estado estándar (
sólidos y líquidos puros, especies disueltas en una concentración de 1 mol/litro).

6


(10)

o

En(10), : Coeficientes estequiométricos de la reacción
i
: Energias libres de formación
i
F : Constante de Faraday ( 23060 cal/volt.equivalente o 96500 Coulomb )

E° puede calcularse por la formula (10), pero en general se prefiere obtenerlo
directamente en tablas (Tabla ..) y escalas de potenciales estándares ( Fig. ..).

Ejemplo

Se considera la semi reacción :

Cu2+ + 2 e- <=> Cu

Resultados para diferentes concentraciones de cobre :

7


2.3. Diagramas Eh - pH

2.3.1. Introducción

La forma más conveniente de representar la termodinámica de sistemas acuosos
es en forma gráfica en los diagramas de Pourbaix o diagramas potencial - pH.
Estos diagramas son ampliamente utilizados por los hidrometalurgistas, por cuanto
permiten visualizar posibilidades de reacciones sin tener que recurrir al cálculo
termodinámico para los fenómenos que ocurren en medio acuoso.

Una importante restricción en la aplicación práctica de los diagramas
termodinámicos, es que predicen tendencias a que ocurran fenómenos, pero no la
velocidad con que éstos puedan ocurrir. En la práctica las velocidades de reacción
pueden variar desde valores tan altos que son controlados por limitaciones en la
transferencia de masa, a valores tan bajos que se requieren períodos geológicos
para observar en forma directa el fenómeno. La cinética extremadamente lenta en
algunas reacciones conduce a que algunas fases sólidas existan en condiciones
fuera de su rango de estabilidad termodinámica o que fases sólidas no se formen
en condiciones termodinámicas favorables y lo hagan otras en su lugar (fases
metaestables) (ejemplo : precipitación de hidróxido de hierro). En este caso, es a
veces útil utilizar diagramas Eh - pH modificados que consideren las fases
metaestables.

Existen Atlas de diagramas Eh - pH (Pourbaix). En este curso, se pretende
mostrar como interpretar y utilizar esos diagramas, por lo cual se van a construir a
modo de ejemplos el diagrama Eh - pH del agua y del cobre.

8


2.3.2. Diagrama Eh - pH del agua

Puesto que se está considerando el equilibrio termodinámico de especies en
solución acuosa, es relevante incluir en los diagramas Eh - pH los límites de
estabilidad del agua.

Las semi reacciones a considerar son :

En medio ácido, Oxidación 2 H2O  O 2 + 4 H+ + 4 e - E° = 1.23 V
Reducción 2 H++ 2 e H2 E° = 0.00 V
En medio básico, Oxidación 4 OH-  O2 + 2 H2O + 4 e- E° = 0.401 V
Reducción 2 H2O + 2 e-  H2 +2 OH- E° = -0.83 V

Para calcular un diagrama de Pourbaix, se utilizan las ecuaciones de las
reacciones en medio ácido, las cuales están directamente relacionadas con la
concentración en iones H+ y el pH.

* Oxidación 2 H2 O <=> O2 + 4 H+ + 4e - E° = 1.23 V

(11)

* Reducción 2 H+ + 2 e- <=> H2 E° = 0 V

(12)
9


Para PH2 = 1 atm y PO2 = 1 atm, las ecuaciones (11) y (12) se simplifican a :

Estas dos ecuaciones corresponden a rectas de pendiente (-0.06) y se muestran
en la figura 2.3.1 siguiente. La región entre las líneas es el área de estabilidad
termodinámica del agua bajo una presión de 1 atm y para una temperatura de 25
°C.

Acido y Básico y
oxidante oxidante

O2

H2O

Acido y
reductor H+ Básico y
reductor

pH
Figura 2.3.1. : Diagrama Eh - pH del agua

10


2.3.3. Construcción del diagrama Eh - pH del cobre en
agua

Se presenta a continuación la construcción - simplificada - y uso del diagrama Eh -
pH para el caso del sistema Cu - H2O. Consideramos actividades unitarias para
todas las especies metálicas en solución. Este diagrama es adecuado para
analizar la lixiviación de óxidos simples como tenorita (CuO) y cuprita (Cu2O) o de
cobre nativo.

Tabla 2.3.1 :
Especies consideradas en el diagrama Eh - pH de Cu - H2O.
Energia libre de
Estado de
Especie formación  ° Denominación
oxidación del Cu
(calorias)
Cu 0 0 cobre nativo

Cu2O -34.950 1 cuprita (rojo)

CuO -30.400 2 tenorita (negro)

Cu+ 12.000 1 ion cuproso

Cu2+ 15.530 2 ion cuprico

HCuO - ion hidrogenuro
2 -61.420 2
de cuprato

Se consideran sucesivamente las diferentes reacciones entre las especies
consideradas para el diagrama Eh - pH del cobre. Cada reacción corresponde a
una línea de equilibrio en el diagrama de Pourbaix.

11


2.3.3.1. Reacciones en que participan H+, pero no e-

Reacciones químicas propiamente tal, dependen sólo del pH.

CuO + 2 H+ <=> Cu2+ + H2 O

(13)

En este caso, se consideran actividades unitarias para todas las especies
metálicas en solución.

12


Eh Zona de
Figura 2.3.2. Representación del equilibrio químico Cu2+/CuO,
Zona de
cuando [Cu2+]=1mol/l.
estabilidad estabilidad
del Cu(2+) del CuO

3.8 pH

La figura 2.3.2 muestra que si la concentración de Cu2+ es de 1 mol/litro, el oxido
de cobre CuO precipita a un pH igual o superior a 3.8, independientemente del Eh.

CuO + H2 O <=> HCuO2- + H+  = 25670 cal
G°

A partir del  se calcula la relación de equilibrio siguiente :
G°,

Este pH es mayor que 14, el límite superior de un diagrama Eh - pH convencional.
=> El CuO se considera como estable hasta pH 14.

CuO + H2O <=> CuO2 2- + 2H+

G°,

13


Este pH es mayor que 14, el límite superior de un diagrama Eh - pH convencional.
=> El CuO se considera como estable hasta pH 14.

HCuO2 - <=> CuO22- + H+

G°,

Si hay 2 especies en solución, la línea de equilibrio se define donde las
actividades de las dos especies son iguales.

Eh
- 2-
HCuO2 CuO2

[HCuO2(-)] >> [CuO2(2-)] [HCuO2(-)] << [CuO2(2-)]

13.15 pH

Figura 2.3.3. Representación del equilibrio químico HCuO2- <=>
CuO22- + H+

Ese equilibrio no se dibuja en el diagrama de Pourbaix porque HCuO22- no existe
a pH < 18.95 ! En la construcción del diagrama, algunas líneas generadas
mediante los cálculos termodinámicos deben ser eliminados total o parcialmente,
ya que representan equilibrios que no tienen significado en la práctica.

14


Cu2 O + 2 H+ <=> 2 Cu+ + H2O

pH = -0.85 Al equilibrio, si [Cu +] = 1 mol/l.

=> El Cu2O debería existir para todo pH superior a -0.85, pero no es así porque el
Cu+ no existe en solución, como se muestra en el capítulo siguiente.

2.3.3.2. Reacciones en que participan e-, pero no H +

Reacciones electroquímicas propiamente tal, dependen sólo del Eh.

Cu2+ + e - <=> Cu+ E = 0.15 V

Cu+ + e - <=> Cu E = 0.52 V

Cu2+ + 2e- <=> Cu E = 0.34 V

Se puede observar el la figura 3.3.4. que hay un conflicto de equilibrios, no es
posible que un especie se mantenga en 2 campos termodinámicos. El ion cuproso
(Cu+) no es estable en soluciones acuosas, transformándose en Cu2+ y Cu°
según la reacción de DISMUTACION :

2 Cu+ => Cu2+ + Cu° (14)

15


Eh
Cu+
0.52
Cu °

Cu2+
0.34
Cu °
Cu2+
0.15
Cu+

pH

Figura 3.3.4. Inestabilidad del ion Cu+por dismutación

2.3.3.3. Reacciones en que participan e- y H+

Reacciones electroquímicas, dependen del Eh y del pH.

Cu2+ + H2O + 2 e- <=> Cu2O + 2 H+

E = 0.20 + 0.06 pH

2 CuO + 2 H+ + 2 e- <=> Cu2O + 2 H2 O

E = 0.67 - 0.06 pH

Cu2 O + 2 H+ + 2 e- <=> 2 Cu + 2 H2O

E = 0.47 - 0.06 pH

16


Figura 2.3.5. Diagrama Eh - pH del sistema Cu - H2O

( T = 25°C, actividades = 1 ( [iones]=1 ) , P = 1 atm )

17


2.3.4. Interpretación del diagrama Eh-pH del cobre en
agua

2.3.4.1. Interpretación

 La disolución de los óxidos simples de cobre es termodinámicamente posible
en el dominio ácido y en presencia de oxidantes. La tenorita (CuO) sólo
necesita condiciones de pH, mientras que en esas condiciones, la cuprita
(Cu2O) necesita además la presencia de un agente oxidante ( iones Fe3+, O 2,
u otros ).

Las reacciones son :

CuO + 2 H+ <=> Cu2+ + H2O

y
Cu 2O + 2H + <=> 2 Cu2+ + H2O + 2 e -
Ox. + 2 e- <=> Red.
Cu 2O + 2 H+ + Ox. <=> 2 Cu2+ + Red. + H2O

en que Ox. representa un agente oxidante cualquiera.

 En forma inversa, al estar el Cu2+ en solución, y para poder permanecer en
ella, necesita de una cierta acidez libre, evitándose de esta manera su
posterior precipitación a pH >4.

 A través de todo el rango de pH, el cobre metálico es termodinámicamente
estable estando en contacto con agua, pero en ausencia de oxigeno (u otro
oxidante).

 La precipitación electrolítica se puede realizar aplicando al cátodo un potencial
inferior a 0.34 V. De esta forma el cobre Cu2+ se reduce en el cátodo de
acuerdo a :

18


Cu 2+ + 2e- <=> Cu° (cátodo)

2.3.4.2. Influencia de la concentración de los iones

El diagrama ha sido trazado para actividades unitarias. Si se traza para otras
actividades, por ejemplo 10-6 (diagramas de corrosión), aumentan el dominio de
estabilidad de los iones, pero el diagrama mantiene su forma produciéndose sólo
desplazamientos paralelos de las rectas que limitan a estos iones.

Por ejemplo, reemplazando en (13) el valor numérico de [Cu2+]=10-6,se llega a :

=> pH = 6.95

En este caso, el pH de precipitación de CuO aumenta hasta 6.95; se amplia el
rango de estabilidad de los iones en solución.

19


Lixiviación

3.1. Cinética de Reacciones


El hecho de que una reacción sea termodinamicamente posible ( G<0), no es
suficiente para predecir si la reacción va a pasar en una escala de tiempo
razonable. Eso depende de la cinética de la reacción. Este factor es muy
importante para la concepción y la evaluación de la rentabilidad económica de
todos los procesos hidrometalurgicos. También en las plantas en operación,
optimizar la cinética resulta generalmente en un mejoramiento del proceso.

De esta forma, los productos finales de una operación hidrometalúrgica van a
estar condicionados generalmente por condiciones de tipo cinético.

Por ejemplo, la lixiviación de la calcopirita y otros sulfuros con sulfato férrico es
termodinamicamente factible ( Existen discrepancias respecto a la reacción con
sulfato férrico, también occurre la reacción CuFeS2 + 4 Fe3+ => Cu2+ + 5 Fe3+ +
2 S° ) :

20


CuFeS2 + 8 H2O => Cu2+ + Fe 3+ + 2 SO42- + 17 e- + 16 H+
17 Fe+3 +17 e- => 17 Fe2+
--------------------------------------------------------------------------------- G<0



CuFeS2 + 16 Fe +3 + 8 H2O => Cu2+ + 17 Fe2+ + 2 SO42- + 16 H+

Pero en la práctica, después de 100 días de lixiviación, sólo se alcanza a poner en
solución un 5 % de la calcopirita, 50 % de calcosina y 80% de covelina.

3.1.2. Definiciones

3.1.2.1. Reacción homogénea - heterogénea

 Reacción Homogénea : Reacción química u electroquímica en la cual todos los
productos y reactantes pertenecen a una sola y misma fase.

Ejemplo : MnO4- + 5 Fe2+ + 8 H+ <=> Mn2+ + 5 Fe3+ + 4 H2O

 Reacción Heterogénea : Una reacción es heterogénea si tiene lugar en dos o
más fases.

Ejemplo : NaCl (sólido) <=> Na+ + Cl- (solución)

3.1.2.2. Velocidad de una reacción

En general, las reacciones químicas se pueden escribir :

A + B => C + D
o A => B
o A => B => C
o

21


22


La velocidad de una reacción (v) es el número de moles transformados por unidad
de tiempo del componente i involucrado en la reacción química : dNi .
dt

La velocidad se puede definir de varias formas :

(a) Basada en la unidad de volumen de fluido reaccionante

(b) Basada en la unidad de volumen del reactor

(c) Basada en la unidad de superficie interfacial en un sistema de dos
fluidos o basada en la unidad de superficie del sólido en los sistemas
líquido - sólido (reacción heterogénea):

(d) Basada en la unidad de masa del sólido en los sistemas fluido-sólido

23


3.1.3. Etapas de una reacción

En general, los sistemas hidrometalúrgicos están caracterizados por sistemas
heterogéneos, es decir , sus reacciones tienen lugar en una interface en la cual
ocurre transferencia de materia de una fase a la otra.

Figura 3.1.1. Esquema de una reacción de lixiviación con
disolución completa del mineral.

Las reacciones heterogéneas son controladas por la velocidad de la reacción
química propiamente tal o por la transferencia de masa de los diversos reactantes
hacia la superficie de contacto de los dos fases. En la figura 3.1.1. se muestra un
modelo simplificado de lixiviación, con disolución completa del mineral. Este caso
representa la disolución de especies puras que no forman residuos sólidos como
producto de la reacción, tales como el oro en cianuro, la chalcantita en ácido
sulfúrico,...

24


Las etapas principales de una reacción son :

(1) Transporte de masa de los reactantes gaseosos a través de la interfase
gas - líquido y posterior disolución (cuando es el caso).
(2) Transporte de masa de los reactantes a través de la capa límite
solución - sólido, hacia la superficie del sólido.
(3) Reacción química o electroquímica en la superficie del sólido,
incluyendo adsorción y desorpción en la superficie del sólido y/o a
través de la doble capa electroquímica.
(4) Transporte de masa de los especies producidos a través de la capa
límite hacia el seno de la solución.

La etapa controlante de una reacción es la de velocidad más lenta ( R.D.S. : Rate
Determining Step). El control de la reacción global puede ser :

- Por transporte de masa ( etapa 1, 2 o 4 )
- Por reacción química (etapa 3)
- Mixto

Las reacciones homogéneas son generalmente más rápidas que las reacciones
heterogéneas, ya que necesitan transporte de masa en una sola fase y que las
especies en solución reaccionan rápidamente. Por otra parte, las reacciones
heterogéneas implican el transporte de masa a través del límite entre dos fases, lo
que a veces es la etapa controlante de las reacciones. Las reacciones más
importantes en hidrometalurgía son heterogéneas, y a veces son controladas por
el transporte de masa ( difusión).

En la figura 3.1.2. se muestra un modelo simplificado de lixiviación, con formación
de una capa de residuo poroso. Este caso es tal vez el más frecuente en
lixiviación. La reacción de disolución de las especies sulfuradas de cobre con
iones férricos, corresponde a este caso. La lixiviación de minerales de baja ley, en
las que el material estéril o ganga constituye la fracción mayoritaria, pueden
considerarse también en ese grupo. La "capa" que se forma representa el estéril
del mineral, mientras la disolución se propaga hacia el interior de la partícula.

25


5

6

Figura 3.1.2. Esquema de una reacción de lixiviación con
formación de una capa porosa.

En este modelo, hay dos etapas adicionales :

(5) Difusión del reactivo a través de la capa sólida producida por la reacción
(producto poroso)
(6) Transporte de masa de las especies solubles, productos de la reacción,
a través de la capa sólida formada, hacia el seno de la solución.

26


3.1.4. Modelización de la cinética

¿ Que es un modelo ? Algo que se acerca a la realidad, una representación
necesariamente imperfecta de ésta.

La ecuación general utilizada para describir la cinética de una reacción

es :

(1)

Ci : Concentración de la especie i (sólo reactantes)
k : Constante de velocidad
n : orden de la reacción (= n1 + n2 + n3 +...)

En el caso de que exista sólo un reactante en solución, la ecuación (1) se
simplifica a :

n
v  kC

1 dN 1 d   d  
CV C
v  
V dt V dt dt

d 
C n
  kC
 (2)
dt

C : concentración de la especie reactante ( si hay una sola
especie reactante en solución )
k : constante de velocidad
n : orden de la reacción
t : tiempo

La velocidad de cualquier reacción es proporcional a la concentración del
reactante, elevado al orden de la reacción. Esta expresión puede ser integrada
para mostrar la evolución de la concentración con el tiempo para una cierta
constante de velocidad y un cierto orden de reacción. La mayoría de la reacciones
27


en hidrometalurgia son de primer orden. Si la reacción es de primer orden ( n = 1),
entonces se llega a :

kte
Ct  0 e
C (3)

o
C kt
log 
C0 2.303

La constante de velocidad ( k ) de cualquier reacción puede ser expresada por la
ecuación de ARRHENIUS :

(4)

Ea : Energía de activación de la reacción
R : Constante de los gases (8.314 J/molK)
T : Temperatura absoluta (K)
A : Constante relacionada con la frecuencia de colisiones de
las especies en solución.

Experimentalmente, el valor de Ea de una reacción puede ser determinado en un
diagrama log k versus 1/T, calculando la pendiente de la recta ( Ea/R ) (fig. 3.1.3).

28


ln k

Ea/R

1/T

Figura 3.1.3. Determinación experimental de la energía de
activación de una reacción.

 Control químico <=> Ea > 40 kJ/mol
 Control difusional <=> Ea = 5 a 20 kJ/mol

Practicamente, eso implica que la velocidad de una reacción controlada
químicamente se multiplica por 2 cuando la temperatura aumenta de 10 °C.

Ejemplo :

Una reacción química a 20 °C tiene una constante de velocidad k1=v
[mol/s.cm2], y a 40°C la constante de velocidad aumenta a k2 = 4v
(v=const). Determinar su energía de activación.

T (°C) T(K) K ln K 1/T -Ea/R
20 293 v ln v 0.00341 -
40 313 4v ln 4 + ln v 0.00319 6,300

=> Ea = 6300 * 8.314 [J/molK] / 1000 [J/kJ] = 52.3 kJ/mol
=> Control químico (Ea > 40 kJ/mol)

29


Se puede determinar cual es la etapa limitante de una reacción estudiando el
efecto de las variaciones de las condiciones experimentales en las cuales se
desarrolla la reacción, como lo muestra la tabla 3.1.1.

Tabla 3.1.1, Pruebas experimentales para determinar la
etapa limitante de una reacción sólido-líquido.

Resultado esperado para
Factor Control difusional Control por
Control
en los poros transporte de masa
químico(etapa 3)
(etapa 5) externo (etapa 2)
Aumento de la Aumenta la
velocidad de la fase Sin efecto Sin efecto velocidad de
líquida reacción
Energía de
activación ( Ea ) 40 - 400 kJ/mol 5 - 20 kJ/mol 5 - 20 kJ/mol

Si las partículas no
son porosas al
Cambio de tamaño principio, v # 1/D.Si v # 1/Dndonde 1 < n
de las partículas (D) las partículas son v # 1/D2 <2
muy porosas, no
influye.

Tabla 3.1.2, Energías de Activación y etapas limitante de
algunos procesos de la hidrometalurgia del oro.
Proceso Energía de activación( Etapa limitante
kJ/mol ) (Rate limiting step)
Transporte de masa del O2 o del
Disolución de oro - Presión -, dependiendo de la
8 - 20 CN
atmosférica concentración de estos y de la
temperatura
Disolución de oro -
Intensiva ( P O2 >>) 60 Reacción química

Adsorpción de oro en Difusión en los poros y transporte de
11 - 16
carbón activado masa del Au(CN)2 -
Precipitación con Zinc 13 - 16 Transporte de masa del Au(CN)2 -
Oxidación de los sulfuros Reacción Química ( baja T°
con O2 30 - 70 )Transporte de masa del O2 ( T°
elevada )

30


3.1.5. Difusión

3.1.5.1. Introducción

La difusión en fase homogénea es la etapa limitante más común en una reacción
hidrometalurgica. Básicamente, la difusión es un proceso que tiende a igualar
concentraciones dentro de una fase. El potencial que provoca la difusión es el
gradiente de concentración dentro de la fase, tal como, por ejemplo, el potencial
que provoca la transferencia de calor es el gradiente de temperatura.

Cuando empieza una reacción (por ejemplo consumo de un reactante en la
superficie de un sólido), un perfil de concentración se desarrolla poco a poco cerca
de la interfase sólido - líquido (ver fig. 3.1.4 ).

C = C( t, x )

En reacciones de disolución o precipitación de un sólido, la difusión a través de
una zona adyacente a la interfase sólido - líquido puede ser controlante de la
velocidad. En condiciones de agitación constante, el espesor de esta zona
permanece constante y pronto se obtiene una condición de estado estacionario en
la cual la cantidad de material que entra en la zona es igual a la que deja la zona.

vconsumo del reactivo = v aporte por difusión
y
C = C( x )

Concentració
Figura 3.1.4, Perfil
R
n eactante
de concentración de
t=0
un reactante ( que
C° se consume) cerca
Sólido de la interfase sólido
- líquido en función
t del tiempo y de la
Cs distancia.
0
0 Distancia de la interfase
(x)
31


3.1.5.2. Primera ley de FICK

La primera ley de FICK relaciona la cantidad de material que difunde por unidad
de tiempo en una dirección perpendicular a un plano de referencia de área unitaria
con el gradiente de concentración de este:

(5)

J : Flujo de material a través de un plano de referencia. [
moles cm-2 s-1 ]
C : Concentración de la especie disuelta [ moles cm -3 ]
x : Coordenada de posición (medida perpendicularmente al
plano de referencia)
D : Coeficiente de difusión de la especie considerada en
solución acuosa. En el sistema CGS, D tiene las
dimensiones [cm2 /s]. En la mayoría de los sistemas
hidrometalúrgicos se introduce poco error al considerar el
coeficiente de difusión constante e independiente de la
concentración. ( Valor aprox. = 10 -6 cm 2/s )

3.1.5.3. Capa de difusión

La capa de difusión es una delgada capa de líquido adyacente a la interfase sólido
- líquido y que prácticamente se adhiere al sólido, debido a que es necesario que
la velocidad de la solución sea nula en la interfase con el sólido. El transporte de
masa de especies disueltas a través de esa capa de líquido adherido al sólido se
hace por difusión.

NERNST propone la siguiente aproximación de la ecuación de Fick (5), por
linearización en x=0 :

(6)

C0 : Concentración de la especie en el seno de la solución
Cs : Concentración de la especie en la superficie del sólido
x : Espesor de la capa de difusión de Nernst

32


Figura 3.1.5, Gradiente de concentración en la vecindad de una
interfase sólido - líquido.

La figura 3.1.5 representa la capa de difusión adyacente a la superficie del sólido
( con la concentración ( línea de puntos ) variando linealmente de acuerdo a la
x)
ecuación (6). La concentración verdadera se indica por la línea continua, lo que da
una idea de las simplificaciones hechas.

Si la etapa limitante es la difusión, entonces la especie llega a la superficie y se
consume inmediatamente; su concentración es nula en la superficie del sólido (
Cs=0 ). La ecuación (6) se reduce a :

(7)

o
v = k x C0 (8)

Donde K = -D/, es el coeficiente de transporte de masa, equivalente a la
x
constante de velocidad de una reacción de primer orden ( Ver ecuación (1) ). Eso
es generalmente válido cuando las concentraciones de especies reactivos y
productos son bajas.

33


El transporte de masa a través de la capa de difusión puede ser aumentado :

(1) Reduciendo el espesor de la capa de difusión.
(2) Aumentando el gradiente de concentración, esto es aumentando la
concentración de la solución (C 0) .
(3) Aumentando la temperatura de la solución.
(4) Aumentando la superficie de contacto.

El espesor de la capa de difusión depende de la rugosidad del sólido, de la
viscosidad de la solución, de la velocidad de agitación y del grado de turbulencia y
fuerzas de cizalle.  disminuye cuando aumenta el grado de turbulencia.
x

Pobre agitación =>  > 0.5 mm ( ej.: lixiviación en pilas )
x
Buena agitación =>  = +/- 0.01 mm
x

Un aumento de temperatura no necesariamente aumenta la velocidad de un
proceso global ya que , por ejemplo, la solubilidad de los gases disminuye con la
temperatura.

34


3.1.5.4. Difusión a través de un producto poroso

La difusión a través de la capa de sólido que se va formando como producto de la
reacción sobre el núcleo reaccionante y/o a través de la capa de partículas inertes
es un factor importante en prácticamente todos los procesos heterogéneos.
Cuando los poros son grandes, que es el caso que interesa en sistemas
hidrometalúrgicos, es válida la ley de Fick expresada en este caso como :

(9)

Donde C es la concentración en la solución y D f es el COEFICIENTE DE
DIFUSIÓN EFECTIVO, dado por :

(10)

D : Coeficiente de difusión de la especie considerada en
solución acuosa
E : Porosidad de la capa de producto (varia de 0 a 1)
 : Tortuosidad de la capa de producto ( En general, fluctúa
entre 2 y 10 )

3.1.6. Transporte de masa en el seno de la solución

Si el sistema es bien agitado (agitador, convección,...), el transporte de masa es
muy eficiente y no limita la velocidad de la reacción. La solución se considera
homogénea ( C, pH, ... ).
Sin embargo, algunos procesos, como la lixiviación en pila, no pueden siempre ser
operados para mantener una solución homogénea.

35


3.1.7. Absorpción de gases en líquidos

La termodinámica determina la concentración de un gas disuelto en solución
después de un tiempo de contacto gas - líquido suficiente para alcanzar el
equilibrio. Por ejemplo, si PO2 = 0.21 atm, [O 2] disuelto = 8 mg/l (25 °C).

La absorción de los gases en líquidos puede ser la etapa limitante si hay un gran
consumo de oxigeno y cuando la cinética de reacción sólido - solución es rápida (
ej. : Oxidación de los sulfuros a presión o biológicamente ).

La velocidad de absorción de gases en un líquido depende de :

(1) Superficie de contacto gas - líquido efecto positivo
(Mayor cuando hay muchas burbujas pequeñas )
(2) Velocidad relativa de las burbujas efecto positivo
(3) Presión parcial del gas efecto positivo
(4) Grado de agitación efecto positivo
(5) Temperatura efecto negativo

3.1.8. Influencia de las características de las
partículas

3.1.8.1. Tamaño de las partículas

La superficie de reacción aumenta cuando disminuye el tamaño de las partículas.

3.1.8.2. Forma y textura de las partículas

El efecto de la forma de las partículas es poco importante en hidrometalurgía, y
muy difícil de modelizar.

36


3.1.8.3. Factores mineralógicos

La reactividad de los granos de minerales es fuertemente afectada por factores
tales que orientación cristalina, inclusiones, dislocaciones e impurezas.

3.1.8.4. Porosidad

La velocidad de cualquier reacción aumenta con la porosidad, ya que la difusión
es más fácil y/o hay una mayor superficie de reacción.

3.1.8.5. Efectos galvánicos

Cuando dos minerales conductores están en contacto eléctrico en una solución, el
de potencial más electronegativo se va a disolver preferentemente.

Figura 3.1.6. Efecto galvánico en la disolución de arsenopirita en
contacto con pirita.

3.1.8.6. Efecto de las especies que compiten con la especie valiosa

37


Minerales otros que el mineral valioso, si están presentes en la mena, pueden
eventualmente consumir los reactivos de lixiviación, disminuyendo sus
concentraciones y la velocidad de reacción. Por ejemplo, los carbonatos
consumen el ácido sulfúrico en la lixiviación de cobre y los sulfuros consumen el
cianuro en la disolución de oro.

3.2. Práctica de la lixiviación

3.2.1. Sistemas de lixiviación

En general, la práctica industrial de la lixiviación presenta diferentes sistemas de
operación que se seleccionan de acuerdo a factores técnicos y económicos en el
análisis de un proyecto, algunos de los cuales son :

- ley de la especie de interés a recuperar
- reservas de mineral
- caracterización mineralógica y geológica
- comportamiento metalúrgico
- capacidad de procesamiento
- costos de operación y de capital
- rentabilidad económica, ...

Una forma de clasificar los métodos de lixiviación es :

Lixiviación de lechos fijos :

- in situ, in place
- en botaderos
- en pilas
- en bateas

Lixiviación de pulpas :

38


- por agitación, a presión ambiente
- en autoclaves

39


Tabla 3.3, Resumen de diferentes técnicas de lixiviación de minerales

Rangos de Aplicación
Métodos de Lixiviación
y resultados

En Botaderos En Pilas Percolación Agitación

Ley del mineral Baja ley Baja-media Media-alta Alta ley

Tonelaje grande Gran a mediano Amplio rango Amplio rango

Inversión mínima media Media a alta alta

Chancado Chancado Molienda
Granulometría Corrido de mina grueso medio húmeda

Recuperaciones típicas 40 a 50 % 50 a 70% 70 a 80% 80 a 90 %

Tiempo de tratamiento Varios años Varias semanas Varios días horas

Calidad de soluciones Diluidas Diluidas Concentradas Medianas
(1-2 gpl Cu) (1-6 gpl Cu) (20-40 gpl Cu) (5-15 gpl Cu)

Problemas principales en -recuperación -recuperación - bloqueo por - molienda,
su aplicación incompleta, incompleta, finos, - lavado en
-reprecipitación -requiere de - requiere de contracorriente,
de Fe y Cu, grandes áreas, más inversión, - tranque de
-canalizaciones, - canalizaciones, - manejo de relaves,
-evaporación - reprecipita materiales, - inversión muy
- pérdidas de ciones, -necesidad de alta,
soluciones - evaporación. mayor control en - control de la
- soluciones la planta. planta es más
muy diluidas. sofisticado.

40


3.2.2. Lixiviación in situ - in place

La lixiviación IN PLACE se refiere a la lixiviación de residuos fragmentados
dejados en minas abandonadas, mientras la lixiviación IN SITU se refiere a la
aplicación de soluciones directamente a un cuerpo mineralizado.

Por lo general, estas operaciones presentan actualmente un gran interés por los
bajos costos de inversión y operación que se requieren, y que posibilitan recuperar
valores metálicos que de otra manera no podrían ser extraídos. Los bajos costos
son consecuencia de evitar o al menos disminuir los costos de extracción minera,
el transporte del mineral a la planta y de los desechos finales del proceso, y la
construcción de una planta de lixiviación. Generalmente, la recuperación es baja (
< 50% ).

Dependiendo de la zona a lixiviar, que puede ser subterránea o superficial, se
distinguen tres tipos de lixiviación in situ, como se puede visualizar desde Fig 3.7.

Tipo I : Se trata de la lixiviación de cuerpos mineralizados fracturados situados
cerca de la superficie, sobre el nivel de las aguas subterráneas. Puede
aplicarse a minas en desuso, en que se haya utilizado el "block caving",
o que se hayan fracturado hidráulicamente o con explosivos (IN PLACE
LEACHING).

Tipo II : Son lixiviaciones IN SITU aplicadas a yacimientos situados a cierta
profundidad bajo el nivel de aguas subterránea, pero a menos de 300 -
500 m de profundidad. Estos depósitos se fracturan en el lugar y las
soluciones se inyectan y se extraen por bombeo.

Tipo III : Se aplica a depósitos profundos, situados a más de 500 m bajo el
nivel de aguas subterráneas

41


Figura 3.7, Sistemas de minería de soluciones

42


3.2.3. Lixiviación en botaderos (Dump leaching)

Esta técnica consiste en lixiviar lastres, desmontes o sobrecarga de minas de tajo
abierto, los que debido a sus bajas leyes (por ej. < 0.4% Cu) no pueden ser
tratados por métodos convencionales. Este material, generalmente al tamaño "run
of mine" es depositado sobre superficies poco permeables y las soluciones
percolan a través del lecho por gravedad. Normalmente, son de grandes
dimensiones, se requiere de poca inversión y es económico de operar, pero la
recuperación es baja (por ej. 40-60 % Cu) y necesita tiempos excesivos para
extraer todo el metal. Las soluciones se alimentan generalmente por aspersión.

Normalmente la lixiviación en botaderos es una operación de bajo rendimiento
(pero también de bajo costo). Entre las diferentes razones para ello se puede
mencionar :

- Gran tamaño de algunas rocas (> 1 m).
- Baja penetración de aire al interior del botadero.
- Compactación de la superficie por empleo de maquinaria pesada.
- Baja permeabilidad del lecho y formación de precipitados (yeso, ...)
- Excesiva canalización de la solución favorecida por la heterogeneidad
de tamaños del material en el botadero.

Figura 3.8,
Botaderos.

43


3.2.4. Lixiviación en batea (por percolación)

Esta técnica consiste en contactar un lecho de mineral con una solución acuosa
que percola e inunda la batea o estanque. Un esquema de equipo empleado en
lixiviación en batea se presenta en Fig. 3.9.

Los minerales a tratar por este método deben presentar contenidos metálicos altos
o muy altos, debiendo ser posible lixiviar el mineral en un período razonable (3 a
14 días) y en trozos de tamaño medio con tonelajes suficientes de mineral
percolable en el yacimiento que permitan amortizar la mayor inversión inicial que
requiere este tipo de proceso.

Ya que esos minerales no existen más, es una tecnología antigua actualmente en
desuso.

Figura 3.9, Equipos de lixiviación en batea.

44


3.3. Lixiviación en pilas (heap leaching)

3.3.1. Descripción

El esquema general del proceso se puede observar en la Fig. 3.10. El mineral
procedente de la explotación, a cielo abierto o subterránea, debe ser ligeramente
preparado en una planta de chancado y/o aglomeración, para conseguir una
granulometría controlada que permita un buen coeficiente de permeabilidad.

Una vez preparado el mineral, se coloca en montones de sección trapezoidal y
altura calculada para proceder a su riego con la solución lixiviante. Tras percolar a
través de toda la pila, se recolectan los líquidos enriquecidos (solución rica) que se
llevan a la planta de proceso de recuperación de la sustancia mineral (sal o metal).
Las aguas sobrantes del proceso vuelven a ser acondicionadas para ser
recicladas hacia las pilas. También en algunos casos es preciso añadir agua
nueva, para reponer las fuertes pérdidas de evaporación del circuito.

Se denomina cancha de lixiviación a la superficie de apoyo de la pila donde se
coloca la impermeabilización. Cuando la cancha es recuperada para reutilizarla
con un nuevo mineral se trata de lixiviación en PILAS DINAMICAS, mientras que si
el terreno no es recuperado y, por lo tanto, el mineral agotado queda en el
depósito como nueva base para otra pila, se está en la lixiviación en PILAS
ESTATICAS o PERMANENTES.

La solución rica (S.R. o P.L.S. : pregnant leach solution) es generalmente impura y
diluida y debera ser purificada y concentrada antes de recuperar el metal. En la
hidrometalurgia del cobre, eso se realiza mediante la extracción por solvente
seguida por la electrodepositación del cobre. La solución rica sólo contiene 4 - 6
g/l Cu y 1 - 2 g/l H2SO4 y es impura ( 5 g/l Fe, SiO2, Al 2O3 coloides, sólidos en
suspensión, ...)

45


Figura 3.10, Esquema de lixiviación en pila

46


3.3.2. Construcción de las pilas

El diseño de las pilas debe tener en cuenta los siguientes factores :

- La calidad del patio o base de apoyo (impermeable)
- Las facilidades de riego y recolección o drenaje del efluente.
- La estabilidad de la pila seca y saturada en agua
- Los tanques (piscinas) de soluciones ricas y pobres
- La forma de apilamiento o deposición del material lixiviable
(Compactación, homogeneidad, ...)

3.3.2.1. Preparación de la base de las pilas

Se necesita disponibilidad de amplias superficies de terreno relativamente llanas (
menos de 10% de pendiente ). La cancha debe ser considerada con su sistema de
impermeabilización, para controlar las pérdidas de soluciones y evitar
contaminaciones del medio ambiente. El sistema consiste en :

- Una base firme y consolidada, debidamente preparada
- Una capa de lecho granular sobre el que apoyar suavemente la lámina
- La lámina o capa de impermeabilización
- Un conjunto de drenaje o capa de recolección de líquidos
- Una capa protectora del sistema

Generalmente, las membranas o láminas de impermeabilización del patio son
geomembranas de origen sintético (láminas de plástico : polietileno de alta
densidad o PVC de 1 a 1.5 mm o polietileno de baja densidad de 0.2 a 0.3 mm de
espesor) pero también pueden ser materiales arcillosos compactados sobre el
propio terreno, hormigón, asfalto, etc.. Se pueden disponer de membranas o
sellados simples, dobles o triples, de acuerdo con el número de capas
impermeables o membranas que se hayan utilizado.

Una parte importante de la construcción de la pila es el sistema de recolección de
la solución rica, que, en general consta de grava o material filtrante sobre la lámina
y tuberías perforadas drenantes de plástico.

47


3.3.2.2. Técnicas de apilamiento del mineral

El uso de cargadores frontales y camiones (Fig. 3.12a) a sido desplazado, en los
últimos proyectos, por apiladores autopropulsados de bajo perfil de carga, como
en el caso de Lince, para tonelajes de 5000 a 10000 tpd (Fig. 3.12b). Para
tonelajes mayores, 17500 tpd en Quebrada Blanca por ejemplo, se ha adoptado el
sistema de correas cortas y móviles (grass hoppers) que se articulan flexiblemente
en secuencia para transportar el mineral desde el aglomerador hasta el apilador
móvil que construye la pila (Fig. 3.12c). Para tonelajes aún mayores, como en El
Abra 125000 tpd, se implementaron otros tipos de equipos (apiladores sobre
orugas, ...).

La altura de la pila fluctúa entre 2.5 m para sistemas de camión y cargador frontal,
hasta 10 m para apiladores.

3.3.2.3. Riego de la pila

El riego de las pilas se puede realizar fundamentalmente por dos procedimientos :
por aspersión o por distribución de goteo, este último siendo recomendable en
caso de escasez de líquidos y bajas temperaturas (Fig 3.13 a y b). En la industria,
se utiliza generalmente una tasa de riego del orden de 10 - 20 litros/h.m2.

El riego tiene que ser homogeneo.

(a) Por aspersión (b) Por goteo

Figura 3.13, Técnicas de irrigación de las pilas

48

Chancado

Aglomeración
Correa Camión
Cargador frontal

Pila

(a) Producciones pequeñas, baja inversión

Chancado

Aglomeración
Correa Camión

Apilador Mobil

Pila

(b) Producciones pequeñas - medianas. Mejora la permeabilidad de la pila.

Chancado

Aglomeración Correas mobiles
Correa Correa fija

Apilador Mobil
Correas mobiles
Pila

(c) Producciones medianas - grandes. Menor costo operación..

Figura 3.12, Técnicas de apilamiento del mineral.

49


50


3.3.3. Operación de las pilas

Al inicio de la operación, se deben disponer como mínimo de dos pilas,
comenzándose con el riego de la primera de ellas. En un principio se obtendrá una
alta concentración (Cmx) en la solución, que irá descendiendo hasta un valor por
debajo de la concentración media (Cmd) de diseño. En este momento se pone
simultáneamente en operación la segunda pila, con dos sistemas posibles :

a) Lixiviación de las dos pilas con obtención de una única solución rica
final.
b) Lixiviación de la primera pila con producción de solución intermedia
(pobre), que se recicla a la segunda pila nueva en donde se obtiene la
solución rica (Fig. 3.15). Este segundo sistema se generalizo, ya que
permite alargar el tiempo de lixiviación de las pilas y/o disminuir el
caudal de solución rica y entonces el tamaño de la planta de SX.

Cuando la primera pila alcanza el valor mínimo económico, se procede al lavado
con agua fresca y drenaje hasta el agotamiento, yendo esta solución al depósito o
piscina de solución estéril para recirculación al sistema. Al mismo tiempo se pone
en operación una nueva pila.

Según las disponibilidades de área, la pila agotada se puede cargar y transportar a
un vertedero cercano (PILA DINAMICA o REMOVIBLE) o puede servir de base
para la formación de una nueva pila (PILA PERMANENTE).

La tendencia se desplaza al uso de pilas permanentes, para evitar los costos
asociados a los movimientos de materiales residuales y aminorar las perdidas de
solución por filtración a través de la lámina de plástico. Por ejemplo, en Mantos
Verde, se planea subir hasta 6 pisos de 3 m cada uno.

Si el tiempo de lixiviación no es suficiente, la recuperación baja. Es un problema,
porque no es posible aumentar el tiempo sin aumentar el area de la cancha de
lixiviación.

51


Figura 3.14, Esquema de un sistema de lixiviación en pilas.

ácido

3 g/l Cu 0.5 g/l Cu
[ ácido ] debil [ácido] élevada

Pila
SX SX
Primeros días Ultimos días

6 g/l Cu

Piscina solución rica Piscina solución intermedia Piscina refino

52


Figura 3.15, Reciclage de la solución lixiviante en contra -
corriente.

53


3.3.4. Chancado del mineral

El chancado del mineral debe cumplir con tres objetivos :

(1) Ser lo suficiente fino para que la mayoría de la especie metálica valiosa
este expuesta a la acción de la solución lixiviante.
Por ej. : 100 % bajo 3/4"
(2) No puede producir demasiado partículas finas para no alterar la
permeabilidad de la pila. ( Por convención, se llama fina toda partícula
bajo 100 mallas)  “Material arcilloso”
Por ej. : partículas finas < 10%
(3) El mineral chancado debe ser el más homogéneo posible, todas las
partículas siendo comprendidas en un estrecho rango de tamaño (Fig.
3.16).

Tabla 3.4 , Escala de tamaños de partículas, en pulgadas, mallas
Tyler y mm.

16/16" 8/8" 4/4" 2/2" 1" 25.4 mm
3/4" 19.0 mm FRACCION
8/16" 4/8" 2/4" 1/2" 12.7 mm
3/8" 9.5 mm GRUESA
4/16" 2/8" 1/4" 6.4 mm
3/16" 4.8 mm
2/16" 1/8" 3.2 mm FRACCION
. MEDIA
.
.
4 mallas 4.75 mm
. FRACCION
. FINA
.
100 150 mm
mallas

54


(1)

(2)

Figura 3.16, Curvas de distribución granulométrica de un
producto de la etapa de chancado. La curva (1) es más
homogénea que la curva (2).

Figura 3.17 , Concepto de la lixiviación TL (capa delgada).

55


3.3.5. Aglomeración

3.3.5.1. Lixiviación TL (Thin Layer)

Este concepto revolucionó la industria de lixiviación del cobre (Pudahuel 1980).
Consiste en impedir la acumulación de solución en la pila. Al contrario de la
lixiviación en bateas, la pila no se inunda. La solución escurre sobre las partículas
de minerales, formando una capa delgada de líquido (Fig. 3.17)

3.3.5.2. Permeabilidad del lecho

Se necesita que el lecho de partículas que conforman la pila sea bien permeable,
para asegurar una buena percolación y dispersión de la solución lixiviante en la
pila, sin escurimiento preferencial. También, las pilas podrían derrumbarse si
había acumulación de agua en la pila.

La permeabilidad del lecho de mineral es mayor si :

- Las partículas son de tamaño suficientemente grande
- No hay acumulación de partículas finas
- El tamaño de las partículas es homogéneo en la pila
- No hay compactación de la pila por maquinaria pesada

3.3.5.3. Proceso de aglomeración

De lo anterior, se deduce que se tiene que reducir la cantidad de partículas finas
en la pila para aumentar su permeabilidad. Hoy en día, el proceso más empleado
para solucionar el problema de los finos es la aglomeración.

El procesos de aglomeración consiste en esencia en la adhesión de partículas
finas a las gruesas, que actúan como núcleos o la aglomeración de los finos con
los finos, a partir de la distribución de tamaños en la alimentación (Fig. 3.18).

56


Figura 3.18, Concepto de aglomeración.

Aglomeración por humedad

El proceso más simple de aglomeración es humedecer el mineral con líquido,
hasta alcanzar un contenido de agua que origine una tensión superficial suficiente,
para que al colisionar las partículas entre sí, los finos se adhieran a los tamaños
gruesos. Se forma un puente líquido entre las partículas.

El cálculo teórico de la humedad óptima es casi imposible y depende de muchos
factores como la mineralogía del mineral, contenido de finos, arcillas, ... Puede ser
de 6 - 8 % para minerales muy limpios, hasta un 10-15 % H2O para materiales
normales.

Aglomeración por adherentes

Existen ciertos materiales que pueden mejorar la adherencia de las partículas
finas a las gruesas, prolongando esta unión tanto en la manipulación como en la
operación de lixiviación.

57


En el caso de la lixiviación del cobre, la aglomeración (o curado) se realiza con el
mismo lixiviante ácido en un tambor rotatorio (Fig. 3.19). Primero, se humecta el
mineral (+/- 4%) con agua o solución pobre (refino). Después, se agrega ácido
sulfúrico concentrado (+/- 30 kg/t o 3%), este ácido ataca el mineral y genera
compuestos cementantes entre las partículas.

Además de la aglomeración, ocurren reacciones químicas conduciendo a la
formación de sulfatos de cobre y hierro (curado propiamente tal). Estas reacciones
son exotérmicas y generan mucha calor. Por ejemplo :

CuO + H2SO 4 => CuSO4 + H2O
CuSiO3 + H2SO4 => CuSO4 + SiO2 + H2O ........

Después de la aglomeración en el tambor rotatorio, se deja reposar el mineral
durante 24 h en la pila, para que se completen las reacciones químicas y que se
adhieren entre sí las partículas en la misma pila.

En el caso de la aglomeración de minerales de oro y plata, los aglomerantes son
normalmente el cemento y la cal. Estos reactivos mejoran la adhesión de las
partículas entre sí, y también aumentan el pH del mineral para su posterior
cianuración.

Equipos

El equipo más común es el tambor aglomerador. Consiste en un cilindro
inclinado girando a baja velocidad, ocasionando el deslice (cascada) y la
aglomeración del mineral previamente mojado con agua y/o adherentes (Fig 3.19).
Se practica también la aglomeración en depósitos (stock), en cintas
transportadoras y en platos.

58


Figura 3.19, Aglomeración en tambor rotatorio.

3.3.6. Variables del proceso

Se pueden estudiar el efecto de varias variables operacionales sobre la
recuperación del metal valioso y la cinética realizando pruebas de laboratorio en
columnas.

Las principales variables son :

 La granulometría
 La altura de la pila
 La tasa de riego [l/h.m2 ] o [l/h.T]
 La concentración en ácido de la solución de riego
 El tiempo de lixiviación
 Depende de la cinética (lix. química : 1 a 2 meses; lix. bacterial : 3 a 12
meses)
59


Todos estos factores están relacionados entre si.

Por ejemplo, si se aumenta la altura de la pila, la concentración en ácido del
primer metro es buena, pero baja a medida que la solución percola en la pila y el
cobre de los estratos inferiores no se lixivia bien. Se puede aumentar la
concentración en ácido de la solución de lixiviación, para salir de la pila con +/- 3
g/l [H+], pero más ácido se da a la ganga y más se come, así que se va a
incrementar el consumo de ácido. Otra posibilidad es aumentar la tasa de
riego,pero existe un riesgo de inundar la pila.

3.3.7. Diseño de las pilas

En este párrafo, se considera el diseño de una operación mediana de lixiviación de
óxidos de cobre, por ejemplo Mantos Verde (III región).

3.3.7.1. Datos

Capacidad de la planta : 48000 tCu/año = 4000 tCu/mes = 133 tCu/día
Ley del mineral : 0.95 % CuT
(0.80% Cu soluble + 0.15% Cu insoluble)
Fierro : 5%
Consumo de ácido : 3.5 kg ácido/kg Cu producido
Recuperación en la pila : 80% CuT en 2 meses (le da las pruebas piloto)
Granulometría : 100% < 3/8"
Altura de la pila : 5 m (parámetro de diseño)
Densidad aparente del mineral en la pila : 1.45 t/m3 (material chancado)

60


3.3.7.2. Capacidad de la planta de chancado

Se recupera 80% x 9.5 kg Cu/TMS = 7.6 kg Cu/TMS (TMS = Tonelada Métrica
Seca).

Entonces, se tiene que procesar

Figura 3.20 , Diagrama de flujo simplificado de una planta de
lixiviación de cobre.

M neal
ir Abot
adero
175 TMS dí
00 /a 17 7 M S/a
36 T dí
05
9 %C u
.
Pl a
ant
ecu = %
r p 80
C áo
o s
t
d
133 M C u/
T dí
a

61


3.3.6.2. Superficie de terreno

El ciclo de lixiviación de una pila de mineral es de 2 meses. Entonces, el stock de
mineral en la planta es de 17500 TMS/día x 60 días = 1.050.000 TMS.

Si se consideran pilas rectangulares (aproximación) de 5 metros de altura, se
puede almacenar 1.45 TMS/m3 x 5 m = 7.25 TMS/m2.

La superficie de las pilas en funcionamiento es de

Pero todos los días, hay por lo menos una pila en carga, otra en descarga y se
necesita espacio para el movimiento de las máquinas. La práctica indica que esos
espacios ocupan un 10% de la superficie de las pilas en funcionamiento. Se
necesita entonces una superficie total de terreno de 144827 m2 x 110% = 159310
m2.

Eso corresponde a una área de 400 m x 400 m, o 200 m x 800 m, o 100 m x 1600
m.

62


3.4. Lixiviación por agitación

3.4.1. Descripción

La lixiviación por agitación se utiliza en los minerales de leyes más altas, cuando
los minerales generan un alto contenido de finos en la etapa de chancado, o
cuando el mineral deseado está tan bien diseminado que es necesario molerlo
para liberar sus valores y exponerlos a la solución lixiviante. Es también el tipo de
técnica que se emplea para lixiviar calcinas de tostación y concentrados.

Se recurre a la agitación mediante burbujeo o bien a la agitación mecánica para
mantener la pulpa en suspensión hasta que se logra la disolución completa,
siendo el tiempo de contacto de los sólidos con la solución del orden de horas
comparado con el proceso de lixiviación en pilas que requiere meses. Los
agitadores mecánicos son simplemente impulsores colocados en el interior del
tanque (Fig. 3.21a), mientras que los tanques agitados con aire son a menudo
tanques de tipo "Pachuca" (Fig. 3.21b).

Sus ventajas comparativas con otros métodos de lixiviación son :

- Alta extracción del elemento a recuperar
- Tiempos cortos de procesamiento (horas)
- Proceso contínuo que permite una gran automatización
- Facilidad para tratar menas alteradas o generadoras de finos

Sus desventajas son :

- Un mayor costo de inversión y operación
- Necesita una etapa de molienda y una etapa de separación sólido-
líquido (espesamiento y filtración)

En la región de Atacama, Chile, se puede mencionar la planta "La Coipa",
propiedad de Minera Mantos de Oro y mayor productora de plata del mundo.
Utiliza el proceso de cianuración de oro y plata por agitación en ocho tanques en

63


serie. Procesa 16000 t/día de mineral para producir 8214 kg/año de oro y 3315
t/año de plata (1993).

Figura 3.21, Equipos de lixiviación por agitación

3.4.2. Variables del proceso

El análisis de las variables de la lixiviación por agitación en sistemas industriales,
para la definición y optimización del proceso, debe necesariamente hacer confluir
aspectos técnico, operacionales y económicos.

3.4.2.1. Granulometría

El grado de molienda debe ser lo suficiente para exponer, por lo menos
partialmente, la superficie del mineral valioso a la acción de la solución lixiviante.
Depende del tipo de mineral y de sus caracteristicas mineralogicas. Debera
considerarse un tamaño tal que no contenga un exceso de gruesos (> 2 mm) que
64


produzca problemas en la agitación (embancamiento, aumento de la potencia del
agitador) y que por otra parte, no contenga un exceso de finos (menos de 40% <
75 micrones) , que dificulten la separación sólido-líquido posterior de la pulpa
lixiviada. Debido a lo anterior, y además, para disminuir los consumos de energía
por concepto de molienda y los costos de filtración y decantación, la agitación se
deberá tratar de realizarla al mayor tamaño que la operación lo permita.

Tabla 3.5, Tamaño de algunos minerales para la lixiviación por
agitación
Tamaño de lixiviación
Mineral
(mm) (mallas ASTM)
Cobre oxidado 0.83 20
Oro 0.25 60
Conc. de oro
0.044 325
(sulfuros)
Calcinados de
0.074 200
zinc

3.4.2.2. Tiempo de lixiviación

La economía del proceso de lixiviación es función del grado de disolución o
porcentaje de extracción del mineral valioso. Sin embargo, esto no es tan
importante como el tiempo necesario para una extracción aceptable, es decir la
velocidad de disolución.

65


Figura 3.21, Porcentaje de extracción en función del tiempo.

La figura 3.21 muestra una curva típica entre estos dos parámetros. Existe al
principio una extracción rápida, que decrece posteriormente al máximo obtenible
para un tamaño dado de partícula. Esta curva se puede obtener de pruebas de
lixiviación en botellas en el laboratorio.

3.4.2.3. Mineralogía del mineral

El tamaño y la disposición de la especie valiosa influye el grado de molienda
necesario para exponer esta especie a la solución lixiviante (Tabla 3.5).

La arcillas son una familia de minerales, alumino-silicatos, existen en todos las
menas y producen partículas muy finas (algunos micrones). La presencia de
muchas arcillas puede impedir una buena filtración del relave.

3.4.2.4. Otras variables

La lixiviación se realiza a temperatura ambiente (o en autoclaves).

La concentración de reactivos debe ser optimizada según el tipo de operación.

El porcentaje de sólidos debe ser en la mayoría de los casos lo más alto posible
para alcanzar una alta concentración del ion metálico en la solución de lixiviación,
minimizar los costos de inversión en el circuito de lixiviación por menor capacidad
volumétrica y reducir el tamaño y costo subsecuente de espesamiento y filtración.
El porcentaje de sólidos en la pulpa varia entre 20 y 50%.

El porcentaje de sólidos se calcula por el peso del mineral en la
pulpa. Por ejemplo, si una pulpa es constituida por 1 kg de mineral en
2 litros de
agua, su

66


La velocidad de agitación debe ser lo suficiente alta para mantener los sólidos en
suspención, para que no decanten. Una velocidad de agitación alta tiende a
favorecer la cinética de la reacción, pero tiene un costo energetico apreciable (Fig.
3.22). Favorece también la disolución de gases en la solución. Existen varios
diseños de agitadores (Fig. 3.23).

Figura 3.22, Efecto de la agitación en la velocidad de lixiviación

Figura 3.23, Varios diseños de turbinas.

67


3.4.3. Diseño
Se considera como ejemplo un sistema de lixiviación contínua industrial
constituido de varios estanques en serie (Fig. 3.24).

Datos

Número de estanques : 8
Capacidad : 15000 t/d = 625 t/h
% sólidos : 33.33%
grado de molienda : 100% < 60 mallas ASTM
densidad real del mineral : 2.8 g/cm3 = 2.8 t/m3
Tiempo de lixiviación : 24h
(determinado por la curva grado de lixiviación/tiempo)

Mineral
molido

Solución
Pulpa

Pulpa a etapa
de separación
sólido - líquido

Figura 3.24, Esquema de un sistema contínuo industrial

68


Cálculo de la cantidad de agua en la pulpa :

Cálculo del flujo de pulpa (sólidos + agua) :

Cálculo del volumén de cada uno de los 8 estanques (Fig. 3.24) :

Volumén de un estanque cilíndrico :

Entonces, si consideramos 8 estanques cilindricos tales que h = 1.5d,

69


3.5. Separación sólido-líquido


En una planta de lixiviación en pilas, la solución que escurre de las pilas es
bastante clara y contiene muy pocos sólidos en suspensión. En la mayoría de los
casos, no hay etapa específica de separación sólido - líquido. La solución rica se
almacena en piscinas donde pueden decantar los pocos sólidos que contiene.

Al contrario, la lixiviación por agitación produce una pulpa consistente en
pequeñas partículas sólidas en suspensión en la solución. Una etapa de
separación sólido - líquido es absolutamente necesaria para sacar los sólidos de la
solución y enviarlos al tranque de relaves, mientras la solución clarificada puede
pasar una posterior etapa de recuperación de valores.

Hay dos métodos de separación sólido - líquido :

- El espesamiento (hasta 55% sólidos)
- La filtración (hasta 92% sólidos)

Alimentación (Pulpa)
Solución clara Solución clara

Solución

Decantación sólidos

Pulpa más concentrada
(40 - 60 % sólidos)

Figura 3.25, Esquema de un espesador
70


3.5.2. Espesadores

Los espesadores son equipos que efectúan la separación líquido - sólido por
decantación de los sólidos en un estanque grande. Un esquema se presenta en la
figura 3.25.

3.5.3. Lavado en circuitos de decantación en
contracorriente (DCC)

El sólido (barro decantado) siempre viene acompañado de solución de
impregnación (+/- 40 %), y está contiene valores, por lo cual es imperativo
recuperarla.

Después de la lixiviación dinámica, la pulpa que se obtiene del último agitador
debe pasar por etapas de separación sólido - líquido y lavado, antes de desechar
los sólidos lixiviados. El lavado se puede realizar en varios espesadores, en los
cuales el agua de lavado y la pulpa fluyen en contracorriente (Fig. 3.26). Del
primer espesador sale la solución exenta de sólidos que continua el proceso y del
último, el mineral agotado o relave.

A las operaciones de lavado de los sólidos en contracorriente, se les denomina
como etapas DCC, que significa decantación en contracorriente.

Figura 3.26 Circuito de decantación en contra corriente DCC.

71


3.5.3.1. Determinación de la eficiencia de lavado por balance másico
en circuitos DCC.

Operacionalmente, el balance másico del sistema permite determinar la eficiencia
de lavado en sistemas DCC. Su aplicación se visualizará a través del siguiente
ejemplo (Fig. 3.27).

Bases :

1000 t/d mineral

55% sólidos en la descarga de
los espesadores

Razón de lavado RL = 2.5 (agua
de lavado / flujo de solución de
lix. acompañando a los sólidos)

55% sólidos en la alimentación

Figura 3.27, Balance de masa en un circuito DCC.

Volumen de líquidos, m3/d:

Alimentación A = 1000 x (100 - 55)% = 818
Descarte D = 818
Agua de lavado W = 818 x 2.5 = 2000
Solución rica SF = 2000

72


Cálculo de las concentraciones :
o
800 C0 + 2000 C2 = 2800 C 1 2 C0 + 5 C2 = 7 C1
800 C1 + 2000 C3 = 2800 C2 2 C1 + 5 C3 = 7 C2
800 C2 + 2000 C4 = 2800 C3 2 C2 + 5 C4 = 7 C3
800 C3 + 2000 x 0 = 2800 C4 2 C3 + 0 = 7 C 4

Por lo tanto,

La eficiencia de lavado queda dada por :

73


3.5.3.2. Ecuación de PAGE para cálculos DCC

PAGE ha desarrollado y comprobado una ecuación generalizada, definida en
términos de razón de lavado y número de etapas, para el caso más simple, pero
más común en DCC (Fig. 3.26), asumiendo que no hay disolución en los
espesadores y que la mezcla de la pulpa y solución de lavado es completa en
cada etapa.

Cn : concentración metal en la etapa n
CL : concentración metal en la alimentación al primer
espesador
CW : concentración metal en el agua o solución de lavado
RL : razón de lavado = Q w / QL
n : número de etapas de lavado
QW : flujo de la solución de lavado
QL : flujo de la solución de lixiviación (alimentación)

3.5.4. Filtros

El empleo de filtros en hidrometalurgia permite recuperar una cantidad adicional
de líquido retenido a partir de precipitados o de pulpas de 55-60% en sólidos
procedentes de espesamiento como también tratar directamente soluciones de
lixiviación, a objeto de disminuir la cantidad de sólidos en suspensión que pueden
afectar procesos posteriores de tratamiento.

Filtros de vacío : - de tambor (Fig. 3.28)
- de discos (o cerámica)
- horizontal, de cinta

Filtros de presión : - prensa
- stellar
- de arena

74


El lavado del sólido es posible en los filtros de tipo vacío, como lo muestra la figura
3.28. Se rocía agua sobre el sólido filtrado para desplazar a la solución que
contiene. Se alcanza fácilmente una eficiencia de lavado del orden de 70%.

Lavado

Succiónde
aire yagua

Sólidoseco

Pulpa

Figura 3.22, Lavado de un mineral en un filtro de tambor.

75

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