Introducción

Departamento Ing. Minas Facultad de Ingeniería Universidad de Antofagasta

Quiroz R., Apuntes Hidrometalurgia, 2012 1

CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN

1.- INTRODUCCIÓN.

1.1. Definición de la operación

Se denomina Metalurgia Extractiva al conjunto de procesos de beneficio en los que a

partir de algún material que contiene una especie metálica, como concentrado o mineral

de mina, se obtiene un metal o una sal transable en el mercado. Esto se esquematiza en

la Figura 1

FIGURA 1-1

ESQUEMA DE PROCESOS EN METALURGIA EXTRACTIVA



Los procesos en metalurgia extractiva se agrupan en tres grandes familias, ellos son: a)

Procesos Hidrometalùrgicos; b) Procesos Pirometalúrgicos y c) Procesos

Electrometalúrgicos.

1.2.- Procesos Hidrometalúrgicos.

Los procesos hidrometaalúrgicos son los que tienen lugar en fase acuosa, ellos

básicamente son tres:

a. Lixiviación

b. Purificación de soluciones

c. Precipitación.

La Lixiviación consiste en la disolución selectiva de una especie mineralógica presente

en una matriz mineral mediante una fase acuosa que contiene un compuesto capaz de

disolver dicha especie. El componente útil pasa a solución y el sólido remanente, que

contiene los minerales de ganga, se deposita en botaderos de ripios o en tranques de

relaves.

Aún cuando se desea que la lixiviación sea una operación muy selectiva ello en la

práctica no se cumple y resulta inevitable que la solución también disuelva materiales de

ganga. Esto, junto con aumentar los costos de la operación de lixiviación, introduce en la

solución algunos iones que pueden resultar perjudiciales para la operación de lixiviación,

de allí que se hace necesario eliminar dichos iones o pasarlos a una forma inocua. Lo

anterior puede hacerse mediante métodos químicos o utilizando extracción por solventes.

La precipitación es llevar el ion que se encuentra en solución a una forma que sea

comercializable, esta puede ser como un metal o bien como una sal.



En la metalurgia del cobre estos procesos se utilizan principalmente en minerales no

sulfurados, (que no tienen S2- en su estructura química), pero con la técnica de lixiviación

bacteriana se han incorporado a este tipo de tratamiento minerales sulfurados de baja ley.

1.3. Procesos pirometalúrgicos.

Los procesos pirometalúrgicos se llevan a cabo a altas temperaturas. Los principales son

los siguientes:

a. Tuesta

b. Fusión

c. Conversión

d. Refinación

Bajo el nombre de tostación o tuesta se agrupan una serie de procesos que tienen como

elemento central una reacción química sólido-gas. Entre estas se encuentran1:

i. Tuesta oxidante

<MoS2> + 7/2 [O2] → <MoO3> + 2 [SO2] (1-1)

ii. Tuesta sulfatante

<ZnS> + 2 [O2] → <ZnSO4> (1-2)

iii. Tuesta reductora

<Fe2O3> + 3 [H2] → 2 <Fe> + 3 [H2O] (1-3)

iv. Calcinación

<CaCO3> → <CaO> + [ CO2] (1-4)



y otras de similar naturaleza.

La fusión consiste en fundir un sulfuro metálico y llevarlo a una fase fundida que se

denomina eje o matte. En el caso de sulfuros de cobre, y poniendo como ejemplo a la

calcopirita la reacción es la siguiente:

2 <CuFeS2> → (Cu2S) + 2 (FeS) + ½ [S2] (1-5)

Los sulfuros fundidos (FeS) y (Cu2S) son completamente miscibles y constituyen el eje.

La denominada conversión es la transformación del eje en metal, en el caso del cobre

este tiene lugar en dos etapas, en la primera el sulfuro de hierro fundido se oxida:

2/3 (FeS) + [O2] → 2/3 (FeO) + 2/3 [SO2] (1-6)

y el oxido formado se escorifica con sílice:

2 (FeO) + <SiO2> → (<2FeO∙SiO2>) (1-7)

En la segunda reacción el “metal blanco”, (Cu2S) reacciona con oxígeno para formar

cobre blíster:

(Cu2S) + [O2] → 2 (Cu) + [SO2] (1-8)

Los procesos anteriores, fusión y conversión, se llevaban en reactores distintos. La fusión

tenía lugar en hornos de reverbero y las reacciones de conversión en los denominados

hornos convertidores. Razones ambientales de manejo del (SO2) como asimismo

economías energéticas hacen que estos procesos se lleven en la actualidad en forma

continua o semi continua.

1 Los compuestos que están entre los paréntesis: <> son sólidos, [] gases y () líquidos. En el caso de

soluciones se utiliza el paréntesis doble,



1.4. Procesos electrometalúrgicos.

En los procesos electrometalúrgicos interviene la energía eléctrica y podemos identificar a

los siguientes:

a. Electrobtención

b. Electrorefinación

c. Electrolisis de sales fundidas.

En el caso de la electrobtención de cobre la reacción principal es:

Cu2+

+ H2O → Cu + 2 H+ + ½ O2 (1-9)

Esta reacción es no espontánea y requiere el concurso externo de energía eléctrica.

Una reacción similar es la de electrorefinación de cobre, en ella el cobre blíster, moldeado

en forma de ánodos, es purificado en una celda electrolítica obteniéndose cátodos de

cobre de alta pureza.

1.5. Metalurgia del cobre

Las menas de cobre pueden ser de naturaleza sulfurada o bien no-sulfuradas, conforme

tengan o no azufre divalente en su estructura, S2-; Estos dos tipos de minerales siguen,

en general, líneas de procesos que son diferentes y que se esquematizan en la figura 1-2.

Los minerales de cobre con mena sulfurada siguen un proceso de concentración

mediante flotación; como producto se obtiene un concentrado, entre 35 y 45 % de cobre,

el cual es llevado a procesos pirometalúrgicos de fusión-conversión. Eventualmente, tanto

el mineral como el concentrado pueden ser procesados por métodos hidrometalúrgicos, lo

que se indica por la línea de segmentos.



Los minerales con mena no-sulfurada siguen, frecuentemente, el proceso

hidrometalúrgico definido por: lixiviación - extracción por solventes - electrodepositación,

obteniendo como producto final cobre catódico. En el caso que se produzca cemento de

cobre este material sigue la vía pirometalúrgica. No obstante, cualquiera sea la línea de

procesos posterior, el mineral es sometido inicialmente a una etapa de reducción de

tamaño la cual se comenta a continuación.

FIGURA 1-2

ESQUEMA GENERAL DE PROCESAMIENTO DE MINERALES DE COBRE



CAPITULO 2

LIXIVIACION DE MINERALES.

2.1.- Descripción general.

La lixiviación consiste en la extracción selectiva de un compuesto, presente en una fase

sólida, mediante su solubilización en una fase acuosa de características adecuadas. El

compuesto pasa a solución y los desechos sólidos son eliminados. Esta operación se

utiliza en una amplia gama de procesos industriales, como es el caso de la química de

productos naturales e industria farmacéutica, pero es en el campo de la metalurgia

extractiva donde ella alcanza una mayor escala siendo una tecnología de uso común en

la industria extractiva del Cobre, Oro, Plata y de otros metales. Además se utiliza en el

campo de la minería no metálica constituyendo una etapa fundamental en el

procesamiento de las sales presentes en los "caliches" de salares fósiles.

FIGURA 1-1 Esquema de operación de lixiviación



2.2.- Tipos de soluciones.

La solución lixiviante es una solución acuosa que contiene disuelto algún reactivo

químico capaz de reaccionar con el mineral útil a fin de solubilizarlo. No obstante, en

algunos casos particulares, como en la lixiviación de salitre o de otras sales solubles,

basta con utilizar agua pura para producir dicha disolución. Entre las características

generales que debe de tener la solución lixiviante se encuentran:

a) Capacidad para disolver a las especies mineralógicas de interés a velocidades

relativamente rápidas.

b) No disolver a los minerales estériles de la ganga o, en caso que esta disolución

ocurra, su velocidad debe ser considerablemente más lenta que la disolución de la

especie útil.

c) No ser corrosiva o, en caso de serlo, debe permitir trabajar con materiales

normalmente disponibles en el mercado.

d) No ser dañina para la salud humana o para el medio ambiente, pero en caso de

serlo deben existir procedimientos para su manejo seguro y medidas de

mitigación adecuadas para aplicar en caso de daños.

e) Debe tener un costo razonable y una disponibilidad adecuada.

f) En lo posible el componente activo debe regenerarse en operaciones posteriores

del proceso.

La mayor parte de estas características, algunas de las cuales resultan casi obvias, se

cumplen satisfactoriamente para los lixiviantes de uso común en metalurgia extractiva.

No obstante, es conveniente comentar las relacionadas con el segundo punto porque es

frecuente que la solución lixiviante afecte, en alguna forma, a las especies que

acompañan al mineral útil, esto puede generar algunos problemas entre los que se

encuentran:



a) contaminación de la solución con iones o compuestos que pueden tener

efectos perjudiciales en las etapas posteriores o incluso durante la misma

operación de lixiviación;

b) aumento del consumo de lixiviante que puede redundar negativamente en la

economía global del proceso.

Con propósitos de clasificación los reactivos utilizados pueden ser ordenados de acuerdo

a las siguientes categorías:

a.- Ácidos.

Uno de los ejemplos más importantes es el uso del ácido sulfúrico en la lixiviación de

minerales oxidados de cobre, (Domic 2001: 233:236). Su acción es de naturaleza química

no modificando al número de oxidación de los elementos. La lixiviación de los minerales

es en general rápida, con excepción de la cuprita y algunos tipos de crisocolas. Para el

caso de minerales no sulfurados2 de cobre Reghezza, (Reghezza 1981) considera las

siguientes reacciones:

Azurita

(2CuCO3 Cu(OH)2) + 3H2SO4 = 3CuSO4 + 2CO2 + 4H2O (2-1)

Malaquita

(CuCO3 Cu(OH)2) + 2H2SO4 = 2CuSO4 + CO2 + 3H2O (2-2)

Crisocola

(CuSiO3 2H2O) + H2SO4 = CuSO4 + SiO2 + 3H2O (2-3)

Tenorita

(CuO) + H2SO4 = CuSO4 + H2O (2-4)

2 En el curso se distingue entre minerales sulfurados y no sulfurados. Los sulfurados son los que tiene en su

estructura azufre divalente, S2-



Atacamita

(CuCl2 3Cu(OH)2) + 3 H2SO4 = 3CuSO4 + CuCl2 + 6H2O (2-5)

Antlerita

(CuSO4 2Cu(OH)2) + 2H2SO4 = 3CuSO4 + 4H2O (2-6)

Brochantita

(CuSO4 3Cu(OH)2) + 3H2SO4 = 4CuSO4 + 6H2O (2-7)

b.- Base o Alcalis.

Estas son soluciones de hidróxidos fuertes que permiten disolver selectivamente algunos

minerales. Uno de los ejemplos más relevantes se encuentra en la metalurgia del

aluminio. Este metal se obtiene principalmente de la bauxita que corresponde a un

hidróxido de aluminio, Al(OH)3, que se encuentra asociado con arcillas y se procesa

mediante el denominado Proceso Bayer, que consiste primero en una reducción de

tamaño y luego en un secado para la deshidratación del mineral. Posterior a ello, el

mineral se muele bajo 100 mallas y en autoclaves se contacta para su digestión con una

solución de hidróxido de sodio, Na(OH), a alta presión y temperatura3. La reacción que

ocurre es la siguiente:

Al(OH)3 + NaOH = NaAl(OH)4 (2-8)

Los compuestos insolubles, que acompañan a la bauxita son óxidos de hierro, Fe2O3,

óxidos de titanio, TiO2, y sílice, SiO2. Estos compuestos insolubles se separan de la

solución que contiene el NaAl(OH)4 la que se enfría controladamente para obtener

cristales de Al(OH)3. Estos cristales se calcinan para obtener alúmina pura:

2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O (2-9)

3 Dependiendo del tipo de mineral la temperatura varía entre 140 y 180 ºC y la presión entre 4 y 8 atm.



alúmina que se funde y mediante un proceso electrolítico de sales fundidas permite

obtener aluminio metálico.

c.- Agentes Oxidantes.

Este tipo de reactivos se utiliza cuando la disolución de la especie mineralógica procede

mediante procesos electroquímicos. A modo de ejemplo se encuentra el ion férrico que se

reduce a ion ferroso generando un ambiente oxidante en la pulpa que facilita la

disolución de algunas especies mineralógicas. Para el caso de la calcosina, donde el

cobre se encuentra en su condición monovalente, Cu+, las reacciones propuestas son las

siguientes:

Cu2S + Fe2(SO4)3 = CuSO4 + CuS + 2 FeSO4 (2-10)

al adicionar oxígeno a la pulpa se oxida el azufre que conforma la covelita, CuS, de

acuerdo a la siguiente reacción:

CuS + Fe2(SO4)3 + H2O + 3/2 O2 = CuSO4 + 2 FeSO4 + H2SO4 (2-11)

de tal forma que la reacción global es:

Cu2S + 2 Fe2(SO4)3 + H2O + 3/2 O2 = 2 CuSO4 + 4 FeSO4 + H2SO4 (2-12)

d.- Agentes acomplejantes.

Un caso de interés se encuentra en la metalurgia de la plata. Este es un metal noble que

muestra una alta estabilidad en medio acuoso, pero en presencia de oxígeno debieran

ocurrir las siguientes reacciones:

reacción de oxidación de la plata



2Ag = 2Ag+ + 2 e (2-13)

reacción de reducción del agua

½ O2 + H2O + 2 e = 2OH- (2-14)

De tal forma que la reacción global de disolución debiera ser :

2Ag + ½ O2 + H2O = 2 Ag+ + 2OH

- (2-15)

Sin embargo la plata el ion Ag+ forma a pH básico el compuesto Ag2O, pátina insoluble

que pasiva y protege al mineral de una posterior disolución. Ello se puede apreciar en el

diagrama tensión –pH de la figura 2-1, donde se destaca una zona de inmunidad y de

pasivación relativamente grande.

FIGURA 2-1: Diagrama Tensión- pH del sistema Plata-agua4, actividad

substancias disuelta 10-6M

4 Trazado con el software HSC Vs 4



La situación anterior se modifica sustancialmente por la presencia de cianuro y por la

formación del complejo Ag(CN)2-. La reacción que tiene lugar es:

2Ag + ½ O2 + 4NaCN + H2O = 2 Ag(CN)2- + 2OH

- + 4Na

+ (2-16)

Lo que se muestra en el diagrama tensión – pH de la Figura 2-2

FIGURA 2-2: Diagrama Tensión- pH del sistema Plata-agua-Cianuro

5, actividad

substancias disuelta 10-6M

5 Adaptado del apunte: “Electroquímica con aplicaciones a la Metalurgia Extractiva”, Noual Patrick,

Universidad de Concepción, 1972.



e.- Lixiviación bacteriana

Existen algunas bacterias, por ejemplo Thiobacillus Ferroxidans y Leptospirillum

Ferroxidans, cuyo metabolismo les permite oxidar compuestos inorgánicos, en particular

ellas son capaces de oxidar el ion ferroso y el azufre elemental. Esta característica

permite que soluciones que contengan dichas bacterias puedan utilizarse para la

lixiviación de minerales sulfurados. Los mecanismos mediante los cuales las bacterias

actúan son complejos, pero en el caso de metales bivalentes ellos pueden representarse

mediante dos procesos simples: el mecanismo directo, en el cual la bacteria recoge

directamente la energía del sustrato mineral y el mecanismo indirecto, que consta de dos

procesos, el aeróbico, en el cual la bacteria oxida el ion ferroso a férrico, y el anaeróbico

que es la reacción de dioslución del mineral sulfurado por la acción del ion férrico que se

formó en la etapa aeróbica. Adicionalmente, como producto de la reacción de disolución

se forma azufre elemental, el cual es oxidado por la acción bacteriana.

Mecanismo Directo:

Bacteria

MS + 2 O2 --------------- MSO4 (2-17)

Mecanismo indirecto

- Reacción aeróbica

Bacteria

2 Fe2+

+ 2H+ + ½ O2 ------------ 2 Fe

3+ + H2O (2-18)

- Reacción anaeróbica

MS + Fe2(SO4) ------------- MSO4 + FeSO4 + S (2-19)



- Reacción de oxidación del azufre elemental

Bacteria

2 S + 3 O2 + 2 H2O ------------ 2 H2SO4 (2-20)

La lixiviación bacteriana se utiliza en varias faenas extractiva de cobre en el país, en

particular en nuestra región se utiliza en Minera Barrick- Zaldivar (11).

2.3. Aspectos Termodinámicos de la disolución de una especie mineralógica.

En general la disolución de compuestos minerales tiene lugar en sistemas que operan a

temperaturas relativamente bajas6. Bajo tales condiciones de operación los aspectos

termodinámicos asociados no son de mucha relevancia y a veces basta el cálculo de la

energía libre de Gibbs, ΔG, para determinar la espontaneidad de la reacción en estudio.

Por ejemplo para la reacción:

(CuCO3 Cu(OH)2) + 2H2SO4 = 2CuSO4 + CO2 + 3H2O (2-21)

El valor de ΔGº es de -41.2 Kcal/mol. Como el valor es negativo se concluye que la

malaquita se solubiliza espontáneamente en medio ácido sulfúrico.

No obstante, los sistemas minerales suelen ser bastante complejos, por ejemplo en el

sistema Cu-Fe-S-H2O coexisten varias especies estables, Calcosina, (Cu2S), Covelita,

(CuS), Calcopirita, (CuFeS2), Bornita; (Cu5FeS4); Pirita, (FeS2), Pirrotina, (FeS), otros que

aparecen como fases metaestables y especies oxidadas, varias de las cuales se

señalaron en las ecuaciones de la (2-1) a la (2-7). Dada la gran cantidad de especies el

análisis puede volverse muy complejo, pero ello se simplifica al utilizar los denominados

diagramas Tensión-pH (diagramas de Pourbaix). Estos diagramas entregan las zonas de

estabilidad de las fases en el plano Tensión-pH y permiten explicar aspectos



termodinámicos de la disolución de compuestos y de la precipitación de metales. En la

Figura 2-3 se muestra el diagrama del sistema Cu-H2O, este diagrama se construyó

asumiendo que los iones en solución tenían actividades unitarias. Esto no constituye una

limitación para el análisis ya que otra consideración, por ejemplo actividades del orden de

10-1

M cambian los dominios de estabilidad pero el gráfico mantiene su forma. La

confección de diagramas tensión-pH está adecuadamente descrita en la bibliografía,

(Reghezza 1981), pero además existen utilitarios computacionales dedicados7 que

permiten su fácil construcción, por lo anterior para los objetivos del curso se abordará

sólo la interpretación de ellos y no su confección. En el caso del diagrama Cobre-Agua,

6 Normalmente a temperatura ambiente, salvo sistemas que operan en autoclaves a temperaturas algo más

elevadas pero que frecuentemente no son mayores a 140 0 160 ºC. 7 En particular el software HSC Chemistry



pH

E (volt)

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

O2

H O

CuO

Cu

Cu

Cu O

CuO

H

H O

2

2

2

2

2

=++

FIGURA 2-3: Diagrama Tensión-pH sistema Cu - H2O. Temperatura 25 ºC Actividad

unitaria de las especies en solución

De la figura pueden sacarse las siguientes conclusiones:

a.- La tenorita, CuO, puede ser lixiviada con ácido, para ello es necesario tener un pH de

la solución menor a 4. La reacción que se produce es:

CuO + 2H+ --------- Cu2+

+ H2O (2-22)



b.- La cuprita, Cu2O, puede ser lixiviada en medio ácido pero requiere de la participación

de algún agente oxidante, como por ejemplo ion férrico. La reacción que se produce es la

siguiente:

Cu2O + 2H+ -------- 2Cu2+

+ H2O + 2é

{Ox } + 2é -------- {Red}

___________________________________________________________

Cu2O + 2H+ + {Ox} -------- 2Cu2+

+ H2O + {Red} (2-23)

c.- Para que el cobre esté en solución se requiere de una cierta acidez libre (pH < 4) de

otra forma precipitará formando CuO o bien Cu(OH)2.

d.- El cobre metálico es estable en todo el rango de pH. Sin embargo, en medio ácido

y en presencia de algún oxidante puede pasar a solución. En particular, cuando existe

oxígeno en el medio pueden ocurrir las siguientes reacciones

Cu ---------- Cu2+

+ 2é

1/2 O2 + 2H+ + 2é ----------- H2O

_____________________________________________

Cu + 1/2 O2 + 2H+ ---------- H2O + Cu2+

(2-24)

En lo que respecta a la precipitación de Cobre metálico el diagrama permite sacar las

siguientes conclusiones:

a.- La posición relativa del equilibrio Cu2+

/Cu, respecto del equilibrio H+/H2 , indica que

es posible precipitar cobre metálico mediante la reducción de los iones cúpricos con

hidrógeno gaseoso.

Cu2+

+ 2é -------------- Cu

H2 ------------- 2H+ + 2é

_____________________________________



Cu2+

+ H2 ------------- 2H+ + Cu (2-25)

b.- Para realizar la precipitación electrolítica debe aplicarse un potencial superior a 1.0

Volt (ENH)8. Las reacciones que ocurren son las siguientes:

Reacción catódica.

Cu2+

+ 2é -------------- Cu (2-26)

Reacción anódica.

H2O ------------- 1/2 O2 + 2H+ + 2é (2-27)

de tal forma que la reacción global es:

Cu2+

+ H2O = Cu + 2 H+ + ½ O2 (2-28)

Al incorporar otros elementos se pueden obtener diagramas más complejos, por ejemplo

el sistema Cu-S-H2O, que se muestra en la Figura 2-4.

8 Si se considera las condiciones reales de electrodeposición, en temperatura y concentración de ácido y

cobre, este valor es del orden de 0.9 Volt, (ENH), pero es la práctica operacional por restricciones cinéticas se aplica un potencial del orden de 2.0 Volt



FIGURA 2-4: Diagrama Tensión-pH sistema Cu – S - H2O. Temperatura 25 ºC. Actividad

unitaria de las especies en solución

2.4. CONSIDERACIONES CINETICAS.

2.4.1. Aspectos generales.

El análisis termodinámico indica la viabilidad de algún proceso en términos de ocurrencia

de las reacciones involucradas, pero no indica nada respecto a las etapas que contendrá

dicho proceso y el tiempo en el cual tendrá lugar. Al respecto puede observarse lo

siguiente:

a. Existen procesos que son termodinámicamente posibles, pero que en la práctica

no ocurren. Un ejemplo de esto se encuentra en la lixiviación de calcopirita con



soluciones férricas, de acuerdo al diagrama tensión-pH la evolución de la fase

sólida debiera contemplar los estados de bornita, (Cu5FeS4), covelita (CuS) y

calcosina (Cu2S). Sin embargo, la evidencia experimental indica que el hierro y el

cobre pasan a solución quedando en estado sólido una matriz de azufre elemental.

En este caso no se evidencian los procesos de nucleación y crecimiento de las

fases sólidas que son termodinámicamente estables. Esto puede deberse a que el

tiempo empleado en la lixiviación no es el suficiente para que el proceso tenga

lugar, o bien, porque las condiciones de temperatura y presión difieren de las que

tuvieron las soluciones hidrotermales que dieron origen a esos minerales. En todo

caso este es un dato de la realidad que no puede explicarse mediante un análisis

termodinámico.

b. Es frecuente que durante la disolución aparezcan una serie de compuestos y fases

que no son termodinámicamente estables, (fases metaestables). En la bibliografía

existen numerosas referencias de ello, a modo de ejemplo, durante la lixiviación

amoniacal de sulfuros aparecen en solución especies del tipo tiosulfato, S2O32-,

tritionato, S3O62-, y tetrationato, S4O8

2-. Estos compuestos se consideran como

fases metaestables, ya que termodinámicamente resultan más estables el sulfato,

SO42- y el sulfuro, S

2-

Las limitaciones anteriores, y otras que podrían señalarse, hacen conveniente analizar el

problema de la disolución de minerales desde el punto de vista de la velocidad del

proceso y de las etapas a través de las cuales ésta ocurre.

La disolución de una partícula sólida es, en general, un proceso complejo en el que

pueden identificarse varias etapas de transporte de materia entre las fases participantes

y reacciones químicas que pueden ocurrir en fase homogénea o en sistemas

heterogéneos. Estas etapas pueden ocurrir en serie o en paralelo, pueden ser de

velocidades comparables o bien tener una marcada diferencia de velocidad entre ellas.



En este último caso se considera que la etapa más lenta es quien determina la velocidad

global del proceso.

Para un estudio cinético se realizan experiencias que miden el grado de conversión o

disolución de la especie mineralógica en función del tiempo, datos que deben

representarse matemática mediante una ecuación cinética. Esta ecuación depende del

modelo que se haya elegido, si éste responde al comportamiento real, su expresión

cinética predecirá y describirá dicha realidad; en cambio, si los resultados predichos por

modelo difieren mucho de los resultados obtenidos experimentalmente, su expresión

cinética resultará del todo inútil, aun cuando ella se haya deducido a través de complejos

procesos matemáticos.

Para las reacciones de partículas sólidas con el fluido que las rodea los modelos más

utilizados son los siguientes:

a. Modelo del Núcleo sin Reaccionar o de Núcleo Recesivo

b. Modelo de Conversión Progresiva ( o Volumétrico o de reacción generalizada)

estos modelos, aun cuando teóricos, resultan útiles para explicar la disolución de

algunas especies minerales de interés.

2.4.2. Modelo de núcleo sin reaccionar o de núcleo recesivo:

La reacción tiene lugar primero en la superficie exterior de la partícula sólida, después la

zona de reacción se desplaza hacia el interior del sólido, dejando atrás un residuo sólido

denominado históricamente como cenizas. Así, durante la reacción existirá un núcleo de

material que se mantendrá sin reaccionar y cuyo tamaño irá disminuyendo a medida que



transcurre la transformación: Este modelo se esquematiza en la Figura (2-4) para una

partícula esférica.

Figura 2- 4: Modelo de núcleo recesivo

Este modelo fue inicialmente desarrollado por Yagi y Kunii en 1955 (25), y considera que

durante la transformación se presentan sucesivamente las cinco etapas siguientes:

Etapa 1: Difusión del reactante fluido A hasta la superficie del sólido a través de la

película que le rodea.

Etapa 2: Penetración y difusión de A, a través de la capa de ceniza o producto hasta la

superficie del núcleo que no ha reaccionado.

Etapa 3: Reacción química propiamente tal del reactante A con el sólido en la superficie

de reacción.



Etapa 4: Difusión de los productos solubles formados a través de la capa de producto,

hacia la superficie exterior del sólido.

Etapa 5: Difusión de los productos solubles formados a través de la película hacia el

seno del fluido.

Se debe tener presente que aquella etapa que presente mayor resistencia a la

transformación, es decir, aquella más lenta, es la etapa controlante del proceso además,

en la disolución no siempre ocurren todas las etapas descritas, en particular las

individualizadas como 4 y 5 se presentan sólo ocasionalmente.

El desarrollo de este modelo se encuentra suficientemente descrito en la literatura;

(Levenspiel O., (1974), pp. 393:414). En la Tabla 2-1 se presentan los resultados

obtenidos por dicho autor9 para la disolución de esferas.

TABLA 2-1

Expresión conversión tiempo según el modelo de núcleo recesivo, partículas esféricas

Control por difusión en el film BX

t

,

con

agg

B

Ckb

R

2

(2-29)

(2-30)

Control por difusión en la capa

de producto )X()X(

tB

/

B

12131 32

con

age

B

CDb

R

6

2

(2-31)

(2-32)

9 En la Tabla 12-1 del texto citado, Levenspiel incluye ecuaciones cinéticas para cilindros y placas planas.



Control por reacción química 3111 /

B )X(t

con

ags

B

Ckb

R

(2-33)

(2-34)

A la expresión 1/ se le denomina como constante de velocidad, k, y se le asimila la

ecuación de Arrhenius:

k AE

RT

a

exp

(2-35)

Donde A es un factor de frecuencia, R la constante universal de los gases, T la

temperatura y Ea la energía de activación de la reacción. Este último valor es de mucha

importancia y se determina a través de experimentos cinéticos. Para lo anterior se

efectúan experiencias cinéticas a varias temperaturas, en cada una de ellas se calcula

la constante de velocidad, k, y luego se grafica el logaritmo de k versus 1/T. De la

pendiente de la recta, m, que se obtiene desde la gráfica, se calcula la energía de

activación utilizando la ecuación:

mE

RT

a 2 3.

(2-36)

2.4.3.- Partículas esféricas que cambian de tamaño ( esferas decrecientes)

Para el caso de partículas que decrecen con el tiempo, vale decir, no se forma una capa

de productos, se pueden obtenerse las relaciones que se presentan en la tabla

siguiente:



TABLA 2-210

MECANISMOS DE CONTROL PARTICULAS DECRECIENTES

PARTICULAS MECANISMO DE CONTROL

Difusión en el film Reacción química

Partículas pequeñas. k t 1 1 2 3( ) / k t 1 1 1 3( ) /

k

b D C

r

AO

B

2

0

2 k

b k C

r

r AO

B

0

Partículas grandes. k t 1 1 1 3( ) / k t 1 1 1 3( ) /

k

C

r

AO

0

3 2/ kb k C

r

r AO

B

0

2.4.4. Criterios para determinar el tipo de control.

Para estudiar la cinética de la reacción de disolución se realizan experiencias

controladas en las cuales se contacta una masa conocida de sólido con una solución

lixiviante en un reactor agitado mecánicamente. Las variables normales de estudio son la

concentración del reactante en la solución, temperatura del baño, tamaño de partícula,

agitación del medio y otras de menor importancia. Durante el desarrollo de la experiencia

se toman muestras de solución a diferentes instantes de tiempo las que se analizan

químicamente, a partir de esa información es posible calcular la fracción transformada en

función del tiempo de reacción.

Para el análisis de los datos se utilizan las relaciones (2-43), (2-50) y (2-56) con

las cuales se calcula el valor de la constante de velocidad. Para discernir en cuanto al

mecanismo controlante se utilizan los siguientes criterios en relación a las variables

ensayadas:

10

Adaptada de Tabla 12-1 de Levenpiel op.cit



a.- Concentración de la solución: Es importante para determinar el orden de la reacción

de disolución y tener un valor estimativo de la constante de velocidad.

b.- Temperatura: Con los valores de k obtenidos a diferentes temperaturas y mediante la

correlación de Arrhenius, ecuación (2-29), se calcula el valor de la energía de activación.

Si este valor fuese menor que 3 Kcal/mol el control es de tipo difusional en el film de

solución, si se encontrase entre 3 y 6 Kcal/mol la etapa determinante es la difusión en la

capa de productos y si fuese mayor que 10 Kcal/mol el control es de tipo químico. Para

valores intermedios, entre 6 y 10 Kcal/mol, se hace necesario considerar un control de

tipo mixto.

c.- Agitación de la solución: Cuando el control está determinado por difusión en el film el

aumento de la agitación del baño conduce al aumento en la velocidad de disolución. En

los otros tipos de control esta variable no genera cambios apreciables.

d.- Tamaño de partícula: En términos generales se cumplirá la siguiente dependencia

para la velocidad de disolución:

Control por difusión en el film : proporcional a r0n con n variando entre 1 y 2.

Control por difusión en la capa de productos: proporcional a r02.

Control de tipo químico: proporcional a r.



2.5.- TECNOLOGIAS DE LIXIVIACION.

2.5.1.- Tipos de tecnologías.

Las tecnologías utilizadas en lixiviación pueden agruparse en dos categorías: lixiviación

por Percolación y lixiviación por Agitación. La característica principal de la Lixiviación

por Percolación es que el mineral se encuentra estático, dispuesto en un lecho, y la

solución lixiviante escurre a través de él mediante la acción de la fuerza de gravedad o

impulsada por algún dispositivo de naturaleza mecánica.. En este tipo de tecnología

pueden identificarse dos situaciones generales: lixiviación en lecho inundado y lixiviación

por película delgada (TL). A la primera corresponde la tecnología de Lixiviación en

bateas. A la segunda las tecnologías de lixiviación en pilas, lixiviación de botaderos,

lixiviación in situ e in place.

La diferencia fundamental entre estas tecnologías, lecho inundado y película delgada, se

encuentra en que la primera los huecos entre partículas se encuentran siempre llenos de

solución lixiviante, mientras que en la segunda los huecos no se encuentran llenos y

existe una fase gaseosa, normalmente aire, situada entre ellos. Lo anterior marca una

ventaja para la lixiviación TL porque favorece la transferencia de materia, difusional y/o

convectiva, entre la fase gaseosa y la fase líquida (28). Esto es de importancia en dos

casos:

a.- Cuando la reacción genera gases, éstos pueden evacuarse satisfactoriamente

sin que den origen a burbujas que afecten la permeabilidad y homogeneidad del

lecho.

b.- Cuando se utiliza el oxígeno contenido en el aire como oxidante o bien se

utiliza la acción de microorganismos aeróbicos que requieren de oxígeno para su

metabolismo.



Otro aspecto importante en lixiviación por percolación es la permeabilidad del lecho, que

se mejora sustantivamente al uniformar el tamaño de partícula mediante aglomeración.

La formación de glómeros consiste en la adhesión de las partículas más pequeñas a las

más gruesas. Esto puede lograrse mediante algún medio ligante como agua, ácido

sulfúrico, cal o algún reactivo específico. La aglomeración puede hacerse en correas,

platos peletizadores o en tambores rotatorios. En la minería del cobre los más utilizados

son los tambores rotatorios, pero existen importantes ejemplos de aglomeración en

correa11

. En este tipo de minería tiene importancia el denominado: “Curado ácido”, este

consiste en la adición de ácido puro al mineral durante la aglomeración, este tiene varios

efectos, en primer término, la reacción que produce la interacción del ácido sulfúrico con

el agua de humedad del mineral es fuertemente exotérmica favoreciendo la

aglomeración; en segundo término está la sulfatación de las especies mineralógicas, aun

cuando el tiempo de permanencia en el tambor o correa es sólo de algunos minutos, gran

parte de la reacción entre el ácido sulfúrico y los minerales oxidados se verifica entre ese

tiempo y el reposo posterior, (de allí la denominación de curado), Finalmente, en la

lixiviación de crisocola, evita la formación de sílice coloidal y geles de aluminosilicatos

que podrían hacer inviable las etapas posteriores de extracción por solventes y

electrodepositación. En la Figura 2-6 se muestran los tambores rotatorios de la empresa

minera Mantos Blancos.

11

Es el caso de Radomiro Tomic, División de CODELCO



Figura 2-6: Tambores rotatorios para el “curado ácido” en la empresa minera

Mantos Blancos.

En la Lixiviación por agitación en cambio, el material a lixiviar, concentrado o mineral

molido, se pone en contacto con la solución lixiviante en un estanque que es agitado en

forma mecánica o neumática. Una vez que se ha alcanzado la disolución de la especie

útil, la solución es separada de los sólidos residuales mediante lavados en espesadores

en contracorriente o mediante la acción combinada de espesadores y filtros.

2.5.2.- Lixiviación en Bateas.

En esta tecnología el material triturado se dispone por capas en bateas o

estanques de capacidades variables entre 1000 y 10.000 Toneladas. Las bateas están

construidas de concreto armado y revestidas. Disponen de un falso fondo,



confeccionado con madera, y sobre ellas una tela filtrante, que permite la circulación de

las soluciones.

El mineral se carga mediante correas transportadoras ajustables y se descarga mediante

dragas. Ambos sistemas se disponen sobre puentes deslizantes a fin de que puedan

abarcar, a lo ancho y a lo largo, toda la superficie de las bateas. El carguío de la batea

se hace mediante capas delgadas a fin de evitar problemas de segregación de partículas

por tamaños y la consecuente compactación del lecho.

La circulación de las soluciones se efectúa mediante bombas y el flujo puede ser

ascendente o descendente, según la solución atraviese el lecho hacia arriba o hacia

abajo. En pequeñas faenas es usual utilizar para la circulación elevadores de aire (air l ift)

La granulometría de trabajo depende de la naturaleza química del mineral, de la ley de

la mena y de la forma como la especie útil se encuentra distribuida. En el caso de

minerales oxidados de cobre valores normales son del orden de - 3/8" o -1/4". Debe

indicarse que las partículas finas (- 100 ) originan compactación del lecho produciendo

canalizaciones que hacen que algunos sectores no se lixivien, con la consecuente

pérdida de recuperación.

En la práctica industrial las bateas operan en circuito a fin de optimizar las variables de

rendimiento, extracción y concentración de las solución de descarga. Estos circuitos

comprenden distintas tipos de movimiento de soluciones: cobertura, al comienzo del

ciclo y que tiene como propósito eliminar el aire ocluido y arrastrar las lamas y partículas

finas; recirculación de soluciones, a fin de proceder a la lixiviación propiamente tal;

desplace de las soluciones enriquecidas y etapas de lavado finales. Cada batea tiene

ciclos que duran algunos días, desde que se cargan con el mineral hasta que se

descargan los ripios, por lo cual es necesario articularlas en circuitos con otras bateas



para optimizar el trabajo. Esto requiere de disponer de estanques de almacenamiento de

soluciones y de sistemas de bombeo apropiados. El esquema de trabajo general es el de

una cascada en contracorriente, con cosecha de solución una vez que esta ha alcanzado

la concentración adecuada para las otras operaciones del proceso.

Esta tecnología produce soluciones bastante controlables y con buenos niveles de

extracción. Sin embargo, en los últimos años ha disminuido su uso por las mayores

ventajas que tiene la lixiviación por pilas. En el caso del cobre esta tecnología fue

ampliamente utilizada hasta la década del setenta, pero el agotamiento de reservas de

minerales oxidados, la disminución de leyes, la alta inversión requerida en obras civiles y

el uso extendido de la tecnología de extracción por solventes, que permite concentrar

soluciones en fase acuosa, ha hecho que este tipo de lixiviación haya ido perdiendo

importancia relativa. Al extremo que las faenas actualmente en operación, que lixivian en

bateas, lo hacen solamente porque disponen del equipamiento, es decir la inversión ya

está hecha, y operan con ellas aplicando procedimientos de lixiviación más simples que

los del diseño original. En particular y es el caso de Minera Mantos Blancos S.A., se

abandonó el antiguo proceso es serie y se sigue un proceso en paralelo.



Figura 2-7: Bateas de lixiviación de la empresa minera Mantos Blancos.

2.5.3.- Lixiviación por pilas.

2.5.3.1. Descripción de las pilas (29), (30)

Esta es una tecnología que ha experimentado un gran desarrollo en los últimos

años y en la Región se utiliza extensamente en el tratamiento de minerales de cobre, de

oro y en la recuperación del yodo contenido en los caliches. El mineral después de

sucesivas etapas de trituración se deposita por capas sobre una carpeta impermeable

formando una pila de altura variable entre 6 a 8 metros. La pila se irriga con solución de

lixiviación en su superficie y la solución percolada se retira por la parte inferior.



Entre las pilas pueden distinguirse dos tipos: las pilas permanentes y las pilas

renovables. En las primeras el piso es desechable y una vez completada la lixiviación el

ripio no se remueve. En las segundas, una vez completado el ciclo de lixiviación se retira

el ripio y se envía a botaderos para cargar nuevamente la carpeta con mineral fresco. La

elección de algún tipo particular de pilas dependerá de factores económicos entre los que

destacarán los costos asociados al manejo de materiales, a la fabricación de la carpeta y

al comportamiento metalúrgico de la mena. En las tablas siguientes, tomadas de la

literatura, se indican algunas diferencias respecto de sus características y campo de

aplicación.

TABLA 2-2

Campo de aplicación y características de pilas permanentes y renovables

PILAS PERMANENTES PILAS RENOVABLES

Minerales de baja ley. Minerales de mayor ley que el

caso anterior.

Campo de Minerales de baja recuperación. Minerales de alta recuperación

Aplicación Cinética de disolución lenta. Cinética de disolución rápida.

Buena disponibilidad de espacio

en el terreno de la planta.

Pilas altas para lograr una alta

densidad de carga por metro

cuadrado de superficie.

Generalmente de 5 o más

metros..

Pilas bajas para permitir una

rápida carga y descarga del

material. Generalmente de 2 a 6

metros.

Características Granulometría relativamente

gruesa. (Chancado secundario)

Granulometría relativamente fina.

(Chancado terciario)

La altura queda determinada

por la compactación del lecho y

por las necesidades de oxígeno

en el interior de la pila.

La altura se define por el sistema

de carga y por la concentración

de las soluciones a obtener.

Las partículas deben de tener

una buena resistencia mecánica



Otra de las distinciones que pueden hacerse con las pilas es respecto a su

configuración. En esa idea se distinguen pilas unitarias y pilas dinámicas12

(31), (32). En

las primeras todo el material pasa simultáneamente por las distintas etapas del ciclo de

tratamiento. En las segundas en cambio en una misma pila coexisten materiales que

están en distintas etapas del ciclo de tratamiento. Una comparación de ambos métodos

se muestra en la tabla siguiente:

TABLA 2-3

COMPARACION ENTRE PILAS UNITARIAS Y DINAMICAS

PILAS UNITARIAS PILAS DINAMICAS

Carga de una vez la totalidad del

mineral en la pila y una vez terminado

el ciclo descarga la totalidad de los

ripios.

La pila está estructurada en módulos y

en cada período se carga y descarga

un módulo.

Ventajosa para plantas de baja

capacidad.

Menor inversión unitaria por mejor

aprovechamiento del piso.

Operación más simple y flexible Ciclos de operación muy regulares

Concentración de las soluciones de

proceso regulables.

2.5.3.2. Aspectos constructivos13

.

En los aspectos constructivos de la pila es conveniente indicar lo siguiente:

a.- Sustrato: Corresponde a un terreno con pendiente, del orden de 3 a 4 %, con una

dirección hacia la canalete recolectora de solución.

12

Herreros,O., Quiroz, R. y Gutierrez, M., “ Dimensionamiento de pilas unitarias o dinámicas con apoyo

computacional”, Innovación, Año 3, Nº1, 1990, pp. 15-22. 13

Avendaño, C., “Aspectos constructivos de un sistema de lixiviación en pilas”, Seminario de Lixiviación en Pilas, VIII Congreso Chileno de Ingeniería Química, Universidad de Antofagasta, 1986.



b.- Finos de protección: Es una capa de áridos finos, normalmente arena, que se

encuentra bajo la carpeta impermeable. Su propósito es acomodar la carpeta y protegerla

de piedras. Su espesor es del orden de 10 a 20 cm.

c.- Base impermeable: Están confeccionadas de plásticos que deben ser inertes a la

acción de los agentes químicos de la solución lixiviante, debe de tener la resistencia

mecánica apropiada para resistir los esfuerzos a que será sometida; tracción y torque

durante la carga y descarga y compresión una vez que se encuentre la pila cargada.

Deberá, además, poseer propiedades físico química que le permitan resistir la radiación y

la temperatura ambiental, sobre todo cuando se utilizan en condiciones extremas. En el

mercado existe una buena disponibilidad de materiales con las características indicadas.

d.- Tuberías de drenaje: Son tuberías corrugadas y perforadas que se ubican en la base

de la pila espaciadas longitudinalmente. Su propósito es el de permitir una rápida

evacuación de las soluciones una vez que estas alcanzan el fondo evitando con ellos la

inundación de la pila y la aparición de capas freáticas. Como un factor adicional, permiten

airear la pulpa en las zonas inferiores, lo cual puede ser de gran utilidad en sistemas que

requieren de la presencia de oxígeno (Oro, plata, sulfuros de cobre).

e.- Ripio de protección: Es una capa de ripio de unos veinte centímetros de espesor

que se ubica sobre la carpeta impermeable cubriendo a las tuberías de drenaje. Es de un

material de apariencia diferente al del mineral en proceso y define el piso sobre el cual se

carga dicho mineral. Su granulometría es del orden de 100 % + 1 1/2 “ y en algunos

casos esta carpeta de ripio tiene una permeabilidad tal que no hace necesario el uso de

tuberías de drenaje.

f.- Pila de mineral: Es el apilamiento de material que se lixiviará. En su construcción

debe cuidarse el disponer el material por capas a fin de evitar problemas de

compactación y disgregación mecánica.

g.- Sacos de relleno: Se ubican en los bordes de las pilas y antes de las canaletas. Su

propósito es el de servir de contención a los finos arrastrados por la solución y a las

diferentes capas de áridos que conforman la base de la pila.



h.- Canaletas de recolección: Permiten la recuperación de las soluciones de lixiviación

y está integrada al revestimiento impermeable. En las pilas unitarias es común para toda

la pila, en cambio en las pilas dinámicas está sectorizada y con salidas para cada uno de

los sectores.

i.- Anclajes: Corresponde a la fijación de la carpeta impermeable.

j.- Sistemas de riego: El sistema de riego es quien permite mojar a la pila con el flujo de

solución de lixiviación medido en (litros/hora x metro cuadrado). El sistema es un

enramado de tuberías provisto de goteros, aspersores, jeringas, boquillas u otros

dispositivos dispersores de líquidos. Sus objetivos básicos son los siguientes:

I. Permitir un riego uniforme sobre la pila.

II. Generar un tamaño de gotas que no se vea afectado por las condiciones

ambientales, pérdidas por arrastres de viento y por evaporación.

III. Generar un tamaño de gotas que no afecte el aglomerado del material.

IV. Estar confeccionado de un materiales resistente a los agentes químicos y a las

condiciones particulares de operación.

Además de lo anterior, el sistema de riego debe ser lo suficientemente simple como

para no presentar dificultades durante las operaciones de armado y desarmado al

término e inicio de las faenas. En cuanto a la selección de aspersores versus sistemas de

goteo en la tabla siguiente, tomada de la literatura, se comparan algunos aspectos

prácticos de interés.

TABLA 2-4

COMPARACION DE SISTEMAS DE GOTEO Y DE ASPERSION

RIEGO POR GOTEO RIEGO POR ASPERSION

Recomendable cuando el agua es

escasa por las menores pérdidas de

evaporación.

Recomendable cuando no hay

limitaciones de agua.

No recomendable cuando existe riesgo Recomendable en sistemas que



de precipitación de sales o impurezas. pueden precipitar sales.

Recomendable en condiciones de baja

temperatura ambiental.

Recomendable en condiciones

climáticas favorables, temperatura

mayor que 0 ºC.

Recomendable bajo regímenes de

viento fuerte.

Recomendable en regímenes de viento

moderados.

2.5.3.4. Manejo de materiales.

2.5.4.- Lixiviación de botaderos. (34)

Como consecuencia del tratamiento de minerales en las faenas se van

acumulando materiales de desecho: desmontes que no tienen la ley mínima de corte y

ripios o relaves producto de operaciones anteriores. Estos desechos, que se disponen en

botaderos, contienen alguna cantidad de material útil que puede ser recuperada

mediante lixiviación.

En el caso de lixiviación de desmontes o de materiales que se encuentran bajo lal

ley de corte, resulta de interés la experiencia de CODELCO -Chuquicamata en su

proyecto de lixiviación de sulfuros de baja ley (35). Al respecto, entre los factores de

mayor incidencia se encuentra el lugar físico donde se dispondrá el botadero, este debe

reunir las condiciones geológicas apropiadas que permitan la captación de las

soluciones enriquecidas de cobre, una vez que hayan estas percolado, y debe de estar

ubicado de a una distancia tal que resulte económico el transporte del material.

Asimismo, la construcción del botadero debe hacerse considerando una buena aireación

natural, para ello el material se dispone por capas a fin de evitar la segregación entre

finos y gruesos.

En el caso de la lixiviación de ripios antiguos en botaderos debe de tomarse la

misma precaución anterior en la selección del terreno, es decir, en el subsuelo debe

existir un estrato impermeable y la topografía del terreno debe permitir que las soluciones



escurran a través de dicho estrato hacia un lugar de captación. En caso que no se

cumpla con la condición anterior deberán transportarse los materiales hacia algún lugar

que cumpla con estos requisitos. En el caso de Chuquicamata (36) desde el año 1915,

fecha en que se inició la explotación de minerales oxidados, al año 1986 se estimaba que

se encontraban dispuestos en botaderos 450 millones de toneladas de ripios con una ley

media de 0,3 % de Cobre. Estos ripios son actualmente tratados irrigando las tortas con

soluciones ácidas, mediante un sistema de distribución por goteo, las soluciones

percolan a través de los ripios y gravas del subsuelo hasta encontrar un estrato

impermeable.

2.5.4.- Lixiviación in situ.

En este caso la lixiviación tiene lugar en el mismo yacimiento, para ello

deben cumplirse algunas condiciones geológicas apropiadas, en particular, que existan

estratos impermeables y facilidad para extraer soluciones desde el fondo del yacimiento.

Esta tecnología se ha utilizado en el caso de minas agotadas, se han inducido derrumbes

en las labores lo que ha fragmentado a los minerales. En el caso de Cobre en la literatura

se mencionan ejemplos con recuperaciones del orden de 30 a 40 % y en Chile se ha

utilizado en Andacollo. Esta tecnología, que puede aparecer actualmente como una

curiosidad, tiene grandes posibilidades futuras, sobre todo en el tratamiento de

minerales de baja ley que se encuentran con una alta sobrecarga de estéril.

2.6.- Circuitos de procesamiento

2.6.1.- Variables de rendimiento.

La variable de rendimiento más utilizada es el porcentaje de extracción que se define por

la relación:



%EMaterial ú

Contenido 100 x

til extraído por la solución

de material útil en alimentación (2-67)

En una planta de lixiviación lo corriente es tener mediciones del caudal de la solución

saliente y de su concentración en el componente útil, asimismo, se conoce la masa de

alimentación de mineral y su ley y se tiene una estimación de los ripios producidos. De

acuerdo a esto, el porcentaje de extracción se puede escribir como:

%E

Q C C t

L Mx f

i fi ii i

i

m

100 (2-68)

donde Qi representa los diferentes flujos volumétricos de las soluciones que participan en

el proceso y Cii y Cfi las concentraciones inicial y final respectivas, Lm y M son la ley del

mineral y su masa en base seca cargada al equipo de lixiviación, ti el tiempo en el cual

la solución considerada circula y f es un factor que permite compatibilizar las distintas

unidades utilizadas.

Alternativamente la extracción se puede definir mediante la relación:

%EL M L R

L Mxm r

m

100 (2-69)

o bien,

%EL R

L Mxr

m

1 100 (2-70)

donde Lr es la ley de los ripios y R su masa.



Normalmente la masa de ripios o de relaves generados no puede medirse

directamente y es necesario estimarla a través de técnicas indirectas, por ejemplo en

lixiviación por pilas mediante mediciones topográficas y análisis de la información

utilizando la técnica de elementos finitos. Lo anterior limita el uso de la expresión (2-70) y

sólo es recomendable su aplicación cuando se tiene una estimación confiable de la masa

de ripios. No obstante, en algunos casos se puede hacer la consideración que la masa

de mena que se disuelve es prácticamente despreciable frente a la masa de mineral que

se carga al sistema, en base a ello R = M y la expresión (2-70) se simplifica a :

%EL

Lxr

m

1 100 (2-71)

Cuando se calcula la extracción utilizando la expresión (2-68), o alguna de

naturaleza similar, se indica que el cálculo se hace por “soluciones”. En el caso que se

utilice la expresión (2-71), u otra similar, el cálculo se hace por “tierras”. Estos cálculos,

en general, entregan valores que son diferentes entre sí pero ellos se pueden

compatibilizar mediante técnicas numéricas que establezcan una cuadratura en el

balance de sólidos y de soluciones. Al respecto Menacho (37) para el control de

columnas de lixiviación de laboratorio ha presentado un método que utiliza la técnica de

multiplicadores de Lagrange y que puede ser fácilmente implementado en una planilla de

cálculo.

2.6.2.- Circuitos de procesamiento.

2.6.2.1.- Etapas del proceso.

En la lixiviación industrial de minerales se busca obtener una solución de alguna

concentración determinada en la especie útil y con un nivel de extracción que aseguré

el éxito económico de la operación. La necesidad de conjugar estas dos variables,

calidad de la solución y extracción del componente útil, hace que la operación contemple



varias etapas y que se articulen circuitos más o menos complejos, dependiendo del tipo

de mineral que se trata, de sus características propias y de los resultados esperados.

En términos generales en una operación de lixiviación se identifican dos etapas

básicas: Lixiviación y Lavado. En la primera de ellas se pone en contacto el mineral con

la solución lixiviante y tiene lugar la disolución de la especie útil. Como producto se

obtienen una solución fuerte, que sigue a otras etapas del proceso, y ripios que

contienen el material estéril. En la segunda etapa, la de lavado, los ripios se ponen en

contacto con soluciones diluidas, o bien con agua pura, a fin de desimpregnar los sólidos

de la solución fuerte remanente.

2.6.2.2.- Lixiviación por percolación en bateas.

En términos generales los patrones de flujo que se utilizan en esta tecnología,

tanto en la etapa de lixiviación como en la de lavado, siguen el denominado patrón de

flujo en contracorriente. En él la solución se enriquece en el componente útil a medida

que avanza y los sólidos, a su vez, se empobrecen en dicho componente. El número de

etapas en este patrón depende de la calidad de la solución de cosecha, de los

procedimientos de operación (ej. recirculación) y de la lixiviabilidad del mineral, en

particular de sus cinética.

En este patrón una batea que haya sido cargada entra en proceso recibiendo

soluciones de la batea inmediatamente anterior, estas soluciones se recirculan hasta

alcanzar la concentración deseada en el componente útil y luego se cosechan y se

envían a las otras etapas del proceso. El número de cosechas de soluciones depende de

que ellas alcancen la concentración requerida. Cuando la batea ya no es capaz de

entregar soluciones finales pasa a una segunda etapa y las soluciones que obtiene

alimentan a la batea siguiente que ha entrado en proceso, a su vez ella continua siendo

alimentada por la batea inmediatamente anterior. De esta forma, la batea va cambiando



de posición en el circuito y, de acuerdo a la figura, se desplaza desde el número 1 hasta

el número n, que corresponde al momento en el cual se ha alcanzado la extracción

deseada y termina el proceso de lixiviación propiamente tal.

1 2 n m 1

Solución fuerte de

cosechaSolución de lavado

Ripios a

botadero

ETAPA DE LIXIVIACION ETAPA DE LAVADO

FIGURA 2-7

Esquema general de patron de lixiviacion

con patron de flujo en contracorriente

Circuito con : n etapas de lixiviación

m etapas de lavado.

Mineral

Una vez concluida la lixiviación la batea entra en la etapa de lavado que tiene un

patrón de flujo similar al de la lixiviación, la batea m que inicia su lavado recibe

soluciones de la batea que anteriormente ha entrado en lavado y las soluciones que

obtiene sirven para alimentar a la batea en proceso final de lixiviación. De acuerdo a la

eficiencia que se logre en el lavado las bateas se irán desplazando desde la etapa

número m hasta la etapa número 1, desde la cual se evacuan los ripios y se alimenta

con soluciones diluidas frescas o provenientes de otra parte del proceso.

Dependiendo de las características del mineral los ciclos de procesamiento,

incluyendo carga y descarga de bateas, duran entre 6 y 8 días. Esto obliga a tener un

cronograma rígido de operación que permita que en todo momento una batea se

encuentre entregando solución final, otra esté en proceso de carga y otra esté



descargando. El resto de las bateas estará en lixiviación, entregando soluciones

intermedias, o bien en etapa de lavado.

La operación de las bateas genera diferentes tipos de soluciones intermedias las

que deben ser almacenadas en estanques separados, asimismo, existen sistemas de

bombeo y de distribución de soluciones que permiten hacer los traspasos

correspondientes y recircular soluciones en las bateas.

En el caso del cobre y debido a la extracción por solventes este tipo de circuitos

está prácticamente obsoleto, en su defecto, se utilizan sistemas en paralelo, en el cual la

solución de refino, proveniente del circuito SX, se circula por la batea dando origen a una

solución PLS que alimenta al circuito de extracción. Cuando el mineral se ha agotado se

genera una solución intermedia.

2.6.2.3.- Lixiviación por agitación.

En esta tecnología el mineral molido se lixivia en estanques agitados, que pueden

ser accionados mediante dispositivos mecánicos o neumáticos. Se prefiere estos últimos

cuando por necesidad de la reacción de disolución debe de existir oxígeno disuelto en la

pulpa.

La granulometría de alimentación depende del grado de diseminación del material

útil en la matriz de ganga. El tiempo de operación depende de la cinética de disolución, lo

cual determina el flujo volumétrico de pulpa y el tamaño de los estanque a utilizar.

El lavado en circuitos de lixiviación por agitación se efectúa mediante una

cascada de espesadores dispuestos en contracorriente, del primer espesador de la

cascada se obtiene la solución fuerte que sigue a las etapas siguientes y del último de



ellos se evacuan los relaves. Asimismo, en este último espesador se adiciona la solución

de lavado. Este esquema en contracorriente se muestra en la Figura (2-8).

FIGURA 2-8

LAVADO EN ESPESADORES EN CONTRACORRIENTE

Espesador 1 Espesador 2 Espesador n

Relaves a

botadero o filtros

Pulpa alimentación

Solución

fuerte

Solución de

lavado

Dirección de flujo de sólidos

Dirección de flujo de solucionesReactor de

lixiviación

La concentración de salida del último espesador puede calcularse mediante

la relación de Page (38):

C

C C

RL RL RLCn

l w

n w

12

(2-72)

donde: n es el número de espesadores; Cn, Cl, Cw son, respectivamente, las

concentraciones en la especie útil de: salida del espesador n; solución de lixiviación y

agua de lavado; Qw y Ql los flujos volumétricos de solución de lavado y de solución de

lixiviación y R la relación de flujos Qw/Ql.



2.6.2.4.- Lixiviación en pilas.

El circuito de operación dependerá del tipo de pila que se utilice, unitaria o

dinámica, permanente o renovable, asimismo dependerá del tipo de material que se trate.

Por ejemplo, y como se indicó, en las operaciones de lixiviación bacteriana de sulfuros

existen etapas de reposo a fin de reconstituir la población de bacterias. No obstante, en

cualquier caso se identifican las operaciones de lixiviación y de lavado.

Cabe destacar que previo a disponer el mineral en la carpeta este pasa por un

aglomerado. En esta operación el mineral se contacta con ácido sulfúrico y agua en un

tambor aglomerador, u otro dispositivo de mezcla, alcanzando una humedad del orden de

8 a 10 %. El propósito de este mezclado es adherir las partículas pequeñas a las más

grandes y mejorar con ello la permeabilidad del lecho facilitando el escurrimiento de

soluciones y la rápida evacuación de gases. Además, con el aglomerado y “curado” ácido

se logra estabilizar la sílice presente en la crisocola mejorando la cinética de extracción

de cobre. (39), (40).

BIBILOGRAFIA GENERAL DEL CAPITULO

Domic Esteban., (2001), Hidrometalurgia: Fundamentos, Procesos y Aplicaciones.,

ANDROS, 2001, Chile.

Levenspiel O., (1974), Ingeniería de las Reacciones Químicas, Editorial Reverté,

Barcelona, España.

Sohn, H. Y. and Wadsworth, M. E., (1986), Cinética de los Procesos de la Metalurgia

Extractiva, Trillas, México, D. F.

Reghezza Andres, Hidrometalurgia del cobre, Curso Panamericano de Metalurgia

Extractiva, Universidad de Concepción, 1981

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