Certamen N1 Procesos Hidrometalrgicos

1. Teora La lixiviacin en un proceso en el cual se extrae uno o varios solutos de un

slido, mediante la utilizacin de un disolvente liquido. Ambas fases entran en contacto

intimo y el soluto o los solutos pueden difundirse desde el slido a la fase liquida, lo que

produce una separacin de los componentes originales del slido. En los yacimientos de

cobre de minerales oxidados, el proceso de obtencin de cobre se realiza en 3 etapas que

trabajan como una cadena productiva, totalmente sincronizadas:

Lixiviacin en pilas Extraccin por solvente Electroobtencin.

Haga una descripcin detallada de cada una de estas tres etapas, incluyendo:

a) Para que se usa el acido sulfrico

b) Cul es el objetivo de la lixiviacin?

c) Cmo se realiza el proceso de lixiviacin? Chancado, formacin de la pila, sistema de

riego.

d) Que se obtiene del proceso de lixiviacin?

La Lixiviacin es un proceso de carcter hidrometalrgico, el cual consiste en la obtencin de cobre que se encuentra en minerales oxidados, los cuales son separados a travs de la aplicacin de una disolucin de cido sulfrico y agua. Los subprocesos que se realizan en la lixiviacin son: Primera etapa: Lixiviacin en pilas

Chancado: El material que se extrae de la mina, principalmente a rajo abierto, que

contiene minerales oxidados de cobre, es fragmentado mediante el chancado primario

y secundario, y cuyo objetivo es obtener un material mineralizado de un tamao

mximo de 1,5 a 0,75 pulgadas. Este tamao es suficiente para dejar expuestos los

minerales oxidados de cobre a la infiltracin de la solucin cida.

Formacin de la pila: el material chancado es llevado mediante correas

transportadoras hacia el lugar donde se efectuara la formacin de la pila. En este

trayecto el material es sometido a una primera irrigacin con una solucin de agua y

cido sulfrico, conocido como proceso de curado, de manera de iniciar ya en el

camino el proceso de sulfatacin del cobre contenido en los minerales oxidados. En su

destino, el mineral es descargado mediante un equipo esparcidor gigantesco, que lo

va depositando ordenadamente formando un terrapln continuo de 6 a 8 m de altura:

la pila de lixiviacin. Sobre esta pila se instala un sistema de riego por goteo y

aspersores que van cubriendo toda el rea expuesta.

Bajo las pilas de material a lixiviar se instala previamente una membrana impermeable

sobre la cual se dispone un sistema de drenes (tuberas ranuradas) que permiten

recoger las soluciones que se infiltran a travs del material.

Sistema de riego: A travs del sistema de riego por goteo y de los aspersores, se

vierte lentamente una solucin cida de agua con cido sulfrico en la superficie de

las pilas, la cual se infiltra en la pila hasta su base, actuando rpidamente. La solucin

disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solucin de

sulfato de cobre, que es recogida por el sistema de drenaje y llevada fuera del sector

de las pilas en canaletas impermeabilizadas.

De este proceso se llegar a obtener soluciones de sulfato de cobre

con concentraciones de hasta 9 gramos por litro (gpl) denominadas PLS, las cuales

sern llevadas a diversos tanques donde se realizar una purificacin de stas,

eliminando las partculas slidas que pudiese contener.

Segunda etapa: Extraccin por solvente En esta etapa la solucin que procede de las pilas de lixiviacin, se libera de residuos o impurezas y se concentra su contenido de cobre, pasando de 9gpl a 45gpl, mediante una extraccin inica. Para extraer el cobre de la solucin PLS, sta se mezcla con una solucin de parafina y resina orgnica. La resina atrapa los iones de cobre (CU+2) en forma selectiva, obtenindose por un lado un complejo resina-cobre y por otro una solucin empobrecida en cobre que se denomina refino, la cual es reutilizada en el proceso de lixiviacin y es recuperada en las soluciones que se obtienen del proceso. El compuesto de resina-cobre es tratado en forma independiente con una solucin electrolito rica en cido, el que provoca la descarga del cobre desde la resina hacia el electrolito, mejorando la concentracin del cobre en esta solucin llegando hasta los 45gpl. Esta es la solucin que se lleva a la planta de electro-obtencin.

La Extraccin por Solventes es una Operacin Unitaria usada en Hidrometalurgia

para la Separacin, Purificacin y Recuperacin de metales de Soluciones.

Introduccin: La extraccin por solventes aplicada a la Hidrometalrgia es una operacin

unitaria para la purificacin y concentracin de una amplia variedad de metales. Esta consiste en el contacto de una fase orgnica que contiene un extrayente con una fase acuosa que contiene el metal de inters. El extrayente reacciona qumicamente con el metal para formar un complejo organo-metal el cual es soluble en la fase orgnica. Las impurezas por lo general no reaccionan con el extrayente y se quedan en la fase acuosa. La fase orgnica que contiene el complejo organo -metal es separada de la fase acuosa.

El metal es recuperado y concentrado en otra fase acuosa por la reaccin qumica inversa. La extraccin por solventes fue primeramente aplicada a metales de alto valor, pero en la actualidad la tecnologa es aplicada a metales de menor valor dada la disponibilidad de nuevos extrayentes con mejor selectividad, cintica ms rpida y tiempos de liberacin de las fases ms cortos y tambin al reciente desarrollo de equipos ms eficientes.

Extraccin: Es la operacin de transferir el metal de inters de la fase acuosa

(Alimentacin S/X) a la fase orgnica. El circuito de extraccin produce una fase orgnica

cargada que contiene el metal de valor y una fase acuosa agotada del metal conocido

como refinado. El refinado es enviado para un tratamiento posterior o como efluente.

Lavado: Es al remocin selectiva de impurezas de metales de la fase orgnica cargada

por tratamiento con solucin de lavado fresca o con una sangra del licor de re-extraccin. La solucin de lavado agotada es generalmente combinada con la alimentacin. La fase orgnica lavada con el metal de inters es enviada al proceso de re-extraccin Re-extraccin: Es el proceso de remocin del metal de valor de la fase orgnica lavada

mediante la reaccin qumica inversa de la extraccin. Normalmente se realiza en condiciones dadas para producir un licor de re-extraccin con una alta concentracin del metal de valor. El licor de re-extraccin es el producto del circuito de la extraccin por solventes (SX).

Regeneracin: Es el tratamiento de la fase orgnica re-extrada para la remocin de los

metales que no fueron lavados o re-extrados o para la remocin de productos de la fase

orgnica degradada. La operacin de regeneracin produce una fase orgnica

regenerada para su recirculacin a la operacin de extraccin como alimentacin de

orgnica.

Electro Obtencin

La electro obtencin, tiene por objeto realizar una precipitacin, selectiva, o colectiva, por medio de Electrolisis de algn (nos) elemento(s) desde una solucin. La precipitacin por reduccin electroltica es actualmente uno de los procedimientos ms sencillos para recuperar metales en forma pura y selectiva, respecto a las impurezas existentes en solucin. Su caracterstica principal radica en que el metal ya est en la solucin y solamente se trata de recuperarlo depositndolo en el ctodo, mientras el nodo es esencialmente insoluble. En la actualidad tiene una gran importancia econmica, al permitir el beneficio de recursos lixiviables, tanto en oro, como cobre, plata, etc., cuyo tratamiento por otras vas resultara econmicamente inviable. Algunos de los metales que se recuperan por electro obtencin son:

Metal Electrolito Ctodo

Antimonio Soda y slfuro de sodio Acero

Cadmio Solucin de sulfato Aluminio

Cromo Solucin de sulfato Hastelloy

Cobalto Solucin de sulfato Acero inoxidable

Cobre Solucin de sulfato Cobre o acero inoxidable.

Galio Solucin de Soda (NaOH) Acero inoxidable

Manganeso Solucin de sulfato Acero inoxidable

Nquel Solucin de sulfato Nquel o acero inoxidable

Oro Solucin de Cianuro Lana de acero

Plata Solucin de Nitrato Plata o grafito

Teluro Solucin de Soda (NaOH) Acero inoxidable

Zinc Solucin de sulfato Aluminio

Algunos de los metales que se recuperan por electroobtencin. Por otra parte, la refinacin electroltica (ER), constituye un paso obligado de refinacin para proceder a la comercializacin final de numerosos metales. Su caracterstica principal radica en que el metal llega como nodo (soluble) y se disuelve electrolticamente, mientras en el ctodo se deposita el metal refinado en forma simultnea. Las impurezas quedan disueltas en el electrolito, y tambin precipitan en los residuos o barros andicos.

Leyes de Faraday

Las leyes fundamentales que gobiernan las reacciones electroqumicas fueron formuladas, en 1831, por Michael Faraday, y describen lo siguiente:

La cantidad de cambio qumico producido por una corriente elctrica, es decir, la cantidad disuelta o depositada de una sustancia, es proporcional a la cantidad de electricidad pasada.

Las cantidades de diferentes sustancias, depositadas o disueltas por la misma cantidad de electricidad, son proporcionales a sus pesos qumicos equivalentes.

El postulado se concreta en la siguiente ecuacin:

][

fi

ctcellat CCQFz

tAiPmd

Donde:

md = Masa depositada [Masa/tiempo]

Pat = Peso molecular del elemento en estudio.

icell = densidad de corriente de la celda.

At = rea total expuesta a depositacin.

t = Tiempo de exposicin.

c = Eficiencia de la corriente (90 92 %). z = Numero de electrones intercambiados en la reaccin de depositacin.

F = Constante de Faraday (96.500 [c/g-eq].

Q = Flujo volumtrico de solucin.

[Ci - Cf]= Variacin de la concentracin del elemento de inters en la etapa de E.W.

Voltaje aplicado a la celda

A partir de la serie electro-qumica de los metales, se podra deducir con simpleza que para una reaccin electroqumica bastara con aplicar una FEM, equivalente a la suma de los voltajes requeridos por las reacciones andica y catdica, respectivamente. Sin embargo, en la prctica esto no es as. El valor calculado E0, es el valor de equilibrio de la celda en condiciones estndares, y por lo tanto, es el valor de la diferencia de potencial de una pila formada bajo concentraciones de 1 molar, por lo que no hay circulacin de corriente, slo existe equilibrio bajo condiciones estndares. Para considerar la situacin real, entre otras cosas se debe considerar las concentraciones efectivas de los reactantes. A continuacin se expondrn otros criterios de voltaje que deben tomarse en cuenta, estudiados para el caso del Cobre. Entre los tems que se deben tomar en cuenta tenemos:

1. Potencial de reaccin. 2. Sobre potencial en el ctodo. 3. Sobre potencial en el nodo. 4. Resistencia hmica en el electrolito. 5. Cada de voltaje en los contactos.

Potencial de reaccin

El potencial de la reaccin debe tomar en cuenta las condiciones reales en que ocurre el fenmeno, los cuales estn ligados con la temperatura y la concentracin de los iones en solucin. Esto se calcula a partir de la ecuacin de Nerst:

ac

od

A

ALn

Fz

TREE

Re

Pr

0

, donde:

E = Potencial de la reaccin. E0 = Potencial en condiciones estandares. R = Constante de los gases (8,314 [Jouls/molK]). T = Temperatura [kelvin]. Z = Numero de electrones de la reaccin. F = Constante de Faraday. Aprod = Actividad de los iones en el producto. Areac = Actividad de los iones en el reactivo. En el caso del Cobre tendremos

2

2

0

Re

Pr

0

2

0

2

2

2

22

1

Cu

H

ac

od

A

ALn

F

TRE

A

ALn

Fz

TREE

HOCuHCu

Si este valor es mayor que cero, nos estar indicando que la reaccin ocurre espontneamente en la direccin de izquierda a derecha de la ecuacin qumica planteada. Por el contrario, si el valor es negativo, significa que la reaccin ocurre espontneamente de derecha a izquierda. Para el cobre la reaccin de disolucin ocurre

espontneamente, por lo que la reaccin de depositacin deber ocurrir mediante el uso de alguna fuerza externa, que se le oponga que, en este caso, es la fuerza elctrica. Otra manera de calcular el potencial requerido en la reaccin qumica es aplicando la regla de Tohompson a la ecuacin de Gibbs-Helmholtz, quedando una relacin en funcin de la variacin de entalpa de la reaccin y el nmero de electrones de la reaccin. Esto se ve en la siguiente expresin:

][060.23

voltsn

H

Fjn

HE

Sobre-Potencial en el Ctodo

Los fenmenos electrolticos requieren de un cierto sobrevoltaje para su ocurrencia. En el caso de ctodo esto se explica ya que en la superficie de este hay una fuerte demanda de iones del metal, lo que hace que el gradiente de concentraciones se vea reducido en la capa lmite a valores extremadamente pequeos. La agitacin, en este punto, ayuda bastante a resolver el problema y a disminuir la capa lmite, proveyendo de nuevos iones con rapidez desde el seno del lquido. En el caso de EW de cobre, los valores son bastante pequeos, del orden de 0.05 a 0.1 volts.

Sobre-Potencial en el nodo

De manera similar en el nodo tambin se necesita un cierto sobrevoltaje, para la ocurrencia de la reaccin andica, que en el caso del cobre, es la disociacin del agua y liberacin irreversible de oxigeno. Aqu tambin la agitacin ayuda a resolver el problema parcialmente. Este sobrevoltaje depende del material del nodo. El nodo ms comn usado es el de Plomo, el cual tiene uno de los requerimientos ms altos de sobrevoltaje, llegando hasta 1 volt. Para este se pueden usar aditivos, como el sulfato de cobalto, que adems de disminuir la corrosin del plomo ayuda a bajar el sobre potencial en el nodo hasta en 0.1 volts.

Resistencia hmica en el electrlito

Como todo elemento, el electrlito ofrece una resistencia al paso de la corriente, la que est determinada por la ley de Ohm. Las conductividades especficas tpicas para varios electrlitos posibles de EW de cobre, son del orden de:

Solucin de lixiviacin de lata concentracin -> 0.2 [ohms-1cm-1].

Electrlito de extraccin por solventes, EW -> 0.6 [ohms-1cm-1].

Electrlito de refinacin electroltica, ER -> 0.7 [ohms-1cm-1]. La disminucin de resistencia en las actuales soluciones que transitan en EW y EO se deben a la mayor concentracin de cido, que favorece la conductividad del electrlito. Por otra parte, la conductividad del electrlito aumenta al aumentar la temperatura. Sin embargo, por el contrario, disminuye al aumentar la concentracin del metal, debido a la menor movilidad que se observa con estos iones en comparacin con los iones de hidrogeno. Es importante decir que la calidad del cobre depositado disminuye al bajar la concentracin del metal en solucin, as como otras importantes consideraciones, tanto de eficiencia de corriente como de corrosin qumica, que hacen

que los electrlitos de EW modernos el cobre se mantenga siempre por encima de los 30 [gpl], y el cido sulfrico entre 140 y 180 [gpl]. La resistencia hmica tambin depende de la geometra de la celda, en particular de la distancia entre los electrodos, y tambin del rea del electrodo. Esta resistencia se puede estimar segn la siguiente formula:

A

d

kR ac

1, por lo que el potencial ocupado ser RIV , donde

k = Conductividad [(ohmcm)-1]. dac = Distancia nodo-ctodo. [cm] A = rea superficial del ctodo [cm2] I = Densidad de corriente [Amper] En el caso del cobre el valor de potencial ocupado puede variar entre 0.15 y 0.25 volts, pudiendo llegar incluso hasta 0.50 volts.

Cada de potencial en los contactos

Los contactos fsicos entre barras conductoras (bus bars), barras distribuidoras interceldas, apoyos de ctodos y nodos, contacto entre barra de cobre y la placa de acero del ctodo permanente (soldadura), etc. representan otra fuente de resistencia, que es posible disminuir con un adecuado aseo, inspeccin y mantencin de la nave electroltica, pero que no puede desaparecer. En plantas de un descuidado aseo este valor puede llegar a 0.3 volts, es difcil disminuirlo por debajo de un valor estimado de 0.15 volts. En resumen, del total de potencial externo que hay que suministrar a la salida de los rectificadores de corriente, para lograr efectuar el proceso de EW del cobre, es la sumatoria de los factores anteriores, llegando a tener un valor promedio del orden de 2.0 volts, o un intervalo posible 1.8 a 2.5 volts, variando por el manejo de la planta.

Diseo y configuracin de celdas

Aplicando la ecuacin de Faraday expuesta, generalmente, tenemos como datos la produccin de cobre fino, la densidad de corriente, que varia entre 250 a 300 [A/m2], y la eficiencia de corriente. Con esto calculamos un rea total que requerimos para que se produzca toda la depositacin del cobre. A travs de esta rea estimaremos las dimensiones de la celda y el tamao de la fuente de poder. Lo primero es estimar el nmero de celdas que se necesitan, estas dependern de nuestra configuracin de ctodos por celda, que puede ser la que queramos, pero se debe tomar en cuenta que las ms comunes en el mercado, y por ende ms econmicas, son de 30, 45, y 60 ctodos por celda.

2

c

t

AcN

AcellN , donde

Ncell = Numero de celdas en la nave. At = rea total de depositacin. Nc = Numero de ctodos por celda. Ac = rea por ctodo. Como la depositacin ocurre por ambos lados de cada ctodo, el rea expuesta se multiplica por 2. La configuracin geomtrica de estas celdas ptimas en la nave, viene dada por el siguiente esquema:

Configuracin geomtrica optima de las celdas en una nave electroltica.

Donde vemos que las celdas se distribuyen a lo largo de la nave en dos bancos paralelos de celdas conectadas en serie, con un pasillo por el medio para que pueda caminar el operador. Esto viene dado principalmente porque el ancho de la nave esta acotado por el ancho de un puente gra.

Largo de la nave

El largo de la nave viene dado por la multiplicacin de la mitad de las celdas y el ancho de cada una de estas. Donde el ancho de la celda esta compuesto por:

Ancho del electrodo (1 m).

Distancia del electrodo a la pared (0.1 m).

Ancho de la pared de la celda (0.1 m por lado).

][4.12

_

2

_arg m

celdasnceldaAncho

celdasnnaveoL

Ancho de la nave

El ancho de la nave sera igual a dos veces al largo de cada celda ms el ancho del pasillo central (2 m) ms una holgura en cada pared de la celda (1 m c/u). Donde el largo de la celda depender de:

Numero de ctodos ms 1 (debido a que existe un nodo ms que ctodo).

Numero de nodos

Ancho del ctodo (0.015 m).

Ancho del nodo (0.001 m).

Distancia entre nodos y ctodos (0.1 m).

Ancho de las paredes de la celda (0.1 m por lado).

7

6543

21

2.024_

accaacc dnAnnAnnnaveAncho , donde

1 = Ancho pasillo ms holguras laterales. 2 = Porque son dos celdas en la lnea transversal de la nave. 3 = Ancho total producto de los ctodos. 4 = Ancho total producto de los nodos. 5 = Ancho total producto de la separacin nodo-ctodo. 6 = Ancho de las paredes de la celda. 7 = Ancho total por celda. Tomando las configuraciones sealadas anteriormente, de 60, 45, 30 ctodos por celda, tenemos configuraciones de 18.5, 15, 11.5 metros de ancho de nave, respectivamente.

Voltaje, Amperaje totales y fuente de poder

Como las en cada celda tenemos una serie de electrodos conectados en paralelo, en toda la celda tendremos la misma cada de potencial que en la reaccin, o sea 2 volts. Luego como tenemos todas las celdas conectadas en serie el voltaje de la nave ser de:

][2 voltsceldasNVt

Como las celdas estn conectadas en serie, y solo estn conectados los electrodos en paralelo, la corriente total depender de la densidad de corriente aplicada por electrodo y el rea total por celda.

AANmAm

AiI catodocatodosceldat 2250][

2

2

Luego la potencia del rectificador debe ser ][ WVIP ttt

Consideraciones de dimensionamiento

En el dimensionamiento es importante considerar a priori estos conceptos:

Es importante agregar 5% de voltaje extra.

Conviene agregar corriente para operar a un 90% de esta.

Ampliaciones

Para el estudio de ampliaciones en una planta ya construida, se pueden estudiar 2 posibles soluciones:

1 Aumentar la densidad de corriente en la celda. Si tomamos en cuenta esto podremos establecer un mximo de 300 [A/m2], lo que nos genera un aumento aproximado de un 20 % en el consumo de corriente. Lo cual es mucho para el dimensionamiento establecido, y nos genera un cuello de botella con el rectificador.

2 Otra forma es aumentando al rea total de depositacin, donde esta depende

de el rea del ctodo, el nmero de ctodos, y el nmero de celdas. Tanto el primer como segundo tem no se pueden hacer ya que la planta esta construida, adems afectan directamente en el consumo de corriente. La tercera opcin no genera problemas en lo que corresponde a construccin ya que solo hay que alargar la nave, tampoco repercute en la corriente consumida ya que estas estn en serie, pero si repercute en el voltaje total del rectificador, donde topamos nuevamente en su dimensionamiento.

Por estas razones una ampliacin en la planta es conflictiva y debe tenerse en cuenta desde antes, ya que existe un gran cuello de botella en el rectificador dimensionado. Ejemplos de cuellos de botellas son:

Chancador Primario.

Correas principales.

Tambor aglomerador.

Sistema de carguo principal.

Bombas principales.

Canaletas principales.

Circuito de extraccin por solventes (SX).

Puente gra (EW).

Equipo despegador de ctodos.

En Chile, la base productiva la constituyen las fundiciones de cobre (93,7% de la

produccin 2011). A ello se agregan plantas integradas a la tostacin de molibdeno y

plantas quemadoras de azufre.

El cobre explica el 96,4% del consumo total de cido sulfrico del ao 2011. El resto es

consumido por la minera no metlica, la celulosa y otras industrias qumicas.

El consumo se concentra en las regiones del Norte, particularmente Antofagasta que

explica el 73,5%, ms Arica, Tarapac y Atacama que participan con el 20,5%. El

remanente se consume de Coquimbo al Sur.

La tasa de consumo unitario (TCU) de cido sulfrico en la minera del cobre vara segn

el tipo de operacin entre 1 a 13 toneladas de cido por cada tonelada de ctodo SxEw

producido. Ello incide directamente en los costos de produccin1.

Al respecto, es necesario destacar que la TCU promedio anual ha ido creciendo

sostenidamente debido al deterioro gradual de la calidad de los minerales a lixiviar. Es as

como, al ao 2002 se registraba una TCU promedio de 2,65 ton cido/ ton ct SxEw, la

cual fue subiendo hasta 4,0 el pasado ao 2011.

El mercado chileno se encuentra en situacin de dficit estructural a consecuencia de una

produccin insuficiente para satisfacer la demanda nacional. Por lo tanto, el pas depende

de las importaciones de cido sulfrico, siendo Mejillones el principal terminal de

recepcin de cido.

CONCLUSIN

En conclusin, la lixiviacin es un proceso en el cual se extrae uno o varios solutos de un

slido, mediante la utilizacin de un disolvente lquido. Ambas fases entran en contacto

ntimo y el soluto o los solutos pueden difundirse desde el slido a la fase lquida, lo que

produce una separacin de los componentes originales del slido.