LIXIVIACION DE MINERALES OXIDADOS DE COBRE CON SOLUCIONESACIDAS DE ALTA CARGA IONICA (PERCOLACION)

RESUMEN

En las plantas de lixiviacin en pilas se recircula solucin que proviene de extraccin por solventes. Esta solucin posee una alta carga inica (200 gr/lt de sulfato) debido a que los iones distintos del cobre permanecen y se acumulan en el circuito. Realizando pruebas de lixiviacin en lecho fijo inundado se demostr que estas altas concentraciones de iones en solucin tienen efectos perjudiciales en la recuperacin de cobre, ya que al lixiviar un mineral oxidado de cobre con soluciones de 15 gr/lt de H2SO4 durante 175 horas con una solucin que tiene una alta carga inica, la recuperacin de cobre es de 60%, en cambio con una solucin diluida la recuperacin fue de 76%. Se comprob asimismo que el control en la velocidad de lixiviacin es por difusin del ion cprico a travs del material reaccionado tanto en soluciones cidas diluidas como en altas concentraciones de iones. Se demostr adems que la velocidad de lixiviacin decrece en soluciones de alta carga inica debido a una disminucin del coeficiente de difusin del ion cprico. Se encontr que la velocidad de disolucin de cobre es independiente de la concentracin de cido sulfrico en el rango de15 a 30 [gr/lt].

INTRODUCCIN

En los circuitos de lixiviacin industrial las soluciones lixiviantes son recirculadas continuamente entre etapas o ciclos de lixiviacin y extraccin por solventes. En la extraccin por solventes se extrae selectivamente el cobre, mientras los dems iones permanecen en solucin acuosa. Como consecuencia los iones metlicos diferentes del cobre y los aniones que los acompaan llegan a un estado estacionario donde su concentracin puede ser muy alta (Rojas

1998). La concentracin de los iones acumulados en el proceso de lixiviacin (fierro, aluminio, magnesio, manganeso, etc.), proviene de la disolucin de las especies que contienen el metal de inters(cobre) y de la ganga. Esta disolucin depende del consumo de

cido del mineral, tiempo de residencia del mineral en la pila y concentracin de cido en las soluciones lixiviantes.

La informacin bibliogrfica disponible sobre lixiviacin de minerales de cobre con soluciones con alta carga inica es escasa. El proceso de lixiviacin de minerales oxidados de cobre es estudiado normalmente de acuerdo a la tasa de irrigacin y concentracin del agente reactante (Roman et al 1974, Benner et al 1974, Canterford 1985), sin analizar la naturaleza de la solucin lixiviante.

OBJETIVOS

El objetivo central de este trabajo es poder evaluar y describir el efecto de la carga inica de la solucin de lixiviacin sobre la cintica de disolucin de cobre y el consumo de cido en la lixiviacin de minerales oxidados de cobre. Adems se desea evaluar el efecto que presenta el aumento de la concentracin decido en el consumo de cido y la disolucin de cobre.

MATERIALES Y METODOS

Se realiz un trabajo experimental para determinar el efecto de una solucin de alta carga inica sobre la lixiviacin de un mineral oxidado de cobre.

Para ello se compar los resultados de pruebas de lixiviacin utilizando una solucin de planta de alta carga inica y una solucin diluida de cido sulfrico. En ambos casos se determin la velocidad de disolucin de cobre y la velocidad de consumo de

cido. Para conseguir lo anterior, se efectuaron experimentos de lixiviacin en lecho inundado en escala laboratorio usando dos reactores como los esquematizados en la figura 1. En un reactor se us solucin de refino con alta carga inica proveniente de El

Soldado que en ste trabajo se denomina solucin concentrada. En contraposicin a la solucin de refino, en el segundo reactor se lixivi el mineral con una solucin preparada en laboratorio con baja carga inica, llamada solucin diluida.Los reactores donde se realizaron las pruebas experimentales tienen un volumen de 2 litros, con una altura de 35[cm] y un dimetro de 20[cm]. La masa del mineral a lixiviar en cada reactor se fij en 1100[gr] y el volumen de solucin lixiviante en 1.3[lt].

SolucinSolucinDiluida Concentrada

Mineral

Figura 1: Diagrama del diseo experimenta

Caracterizacin qumica y mineralgica del mineral

Se analiz la composicin qumica del mineral por disolucin total mediante ataque cido seguido de absorcin atmica. En la tabla 1 se muestra el anlisis qumico del mineral.

El valor obtenido para el consumo mximo de cido del mineral fue de 73 [kg cido/ton mineral].

El anlisis de microscopa identific las especies oxidadas de cobre malaquita y crisocola.

Tabla 1: Anlisis qumico del mineral

ElementoPorcentaje

Cobre total1.14

Cobre soluble0.96

Fierro total3.38

Aluminio0.90

Magnesio0.85

Manganeso0.20

Anlisis qumico de la solucin concentrada

La solucin de refino (solucin concentrada) de lixiviacin fue analizada por absorcin atmica para conocer las concentraciones de los iones ms abundantes presentes. En la tabla 2 se presentan los resultados del anlisis qumico.

Tabla 2: Anlisis qumico de la solucin de refino

ElementoExperimento 1

[ppm]

Cu+2734

Fe +222321

Fe +311529

Fe total33850

Aluminio12000

SO4-2219000

Magnesio7000

Calcio2900

Manganeso1655

Zinc174

Sodio120

Arsnico99.95

Cobalto40.9

Potasio10

Para determinar la concentracin de cido en la solucin concentrada se aplic un mtodo de titulacin potenciomtrico utilizado en plantas de lixiviacin como El Soldado para soluciones que poseen altas concentraciones de iones. La concentracin decido en la solucin concentrada es de 15[gr/lt] y fue utilizada con este valor en el experimento 1. Para el experimento 2 la concentracin de cido se aument a 30 [gr/lt].

Tabla 3: Condiciones iniciales en cada experimento

Exp. 1Exp. 2

Masa mineral[gr]11001100

Volumen solucin[lt]1.31.3

cido en solucin[gr/lt]1530

Granulometra[]-9/16 +3/8-9/16 +3/8

La concentracin de cido sulfrico en ambas soluciones lixiviantes (diluidas y concentradas) debe ser la misma durante el transcurso del experimento. En la tabla 3 se resumen las condiciones iniciales que se aplicaron en cada experimento.

Toma de datos experimentales

Durante las pruebas de lixiviacin se tomaron muestras de las soluciones en los reactores, despus de cada muestreo se repuso el volumen de solucin lixiviante en cada reactor para mantener el volumen de solucin lixiviante y acidez inicial de cada experimento. Por lo anterior, los anlisis qumicos de las muestras extradas fueron corregidos por volumen extrado y concentracin inicial de los iones presentes en la solucin de lixiviacin.

RESULTADOS

Se llevaron a cabo dos experimentos con diferente cantidad de cido en solucin, el experimento 1 con 15 [gr/lt] de H2SO4 y el experimento 2 con 30 [gr/lt] de H2SO4. Adems cada experimento consta de una lixiviacin del mineral con una solucin de baja carga inica (diluida) y una lixiviacin con alta carga inica (concentrada o de refino).

Cintica de disolucin de cobreEn la figura 2 se presentan los resultados de la cintica de lixiviacin de cobre con las soluciones lixiviantes diluida y concentrada.

De acuerdo a la figura 2, al trmino del experimento 1 (175 [hr]) la lixiviacin realizada con solucin diluida la recuperacin de cobre alcanz un 76%, mientras que la recuperacin de cobre efectuada con solucin concentrada fue de 60%. En cambio al trmino del experimento 2 (131[hr]) la recuperacin de cobre alcanz un 66% en la solucin de lixiviacin diluida, mientras que en la solucin concentrada la recuperacin de cobre fue de 44%. Se puede observar que con una concentracin de cido de 30 [gr/lt] en ambas soluciones lixiviantes (diluida y concentrada) la recuperacin de cobre es muy similar a la obtenida con una concentracin inicial decido de 15 [gr/lt].

80

70

[%]60

Recuperacin50

40

30Dil exp 1Conc exp 1

20

Dil exp 2Conc exp 2

10

0

0,050,0100,0150,0200,0

Tiempo [hr]

Figura 2: Cintica de lixiviacin de cobre

Estos resultados muestran que la presencia de una alta carga inica resulta en un efecto inhibidor de la velocidad de reaccin. Adems no se observa una mayor recuperacin de cobre al aumentar la concentracin de cido.

Cintica del consumo de cido del mineral

La figura 3 muestra los resultados para el consumo de cido acumulado por el mineral durante su lixiviacin con soluciones lixiviantes diluida y concentrada. El consumo de cido del mineral al trmino del experimento 1 fue de 34 y 26 [kg de cido/Ton mineral] en la solucin lixiviante diluida y concentrada, respectivamente y el consumo de cido acumulado del mineral con una concentracin de cido de 30[gr/lt] al trmino del experimento

(131[hr]) fue de 45 y 33 kilos de cido por tonelada de mineral en la solucin diluida y concentrada respectivamente.

50

de H SO /kg de mineral]2445

Consumo de cido40

35

30

25

20

15

10

[grDil exp 1Conc exp 1

5

Dil exp 2Conc exp 2

0

0,050,0100,0150,0200,0

Tiempo [hr]

Figura 3: Cintica del consumo de cido del mineralDe lo anterior se desprende que al lixiviar un mineral oxidado de cobre con una solucin que tiene una alta carga inica, la velocidad de consumo de cido que experimenta el mineral se ve reducida en comparacin a la que se obtuvo con la solucin diluida.

Adems el consumo de cido del mineral lixiviado fue mayor cuando la concentracin del agente lixiviante fue 30 [gr/lt] en comparacin al consumo de cido que alcanz el mineral con una concentracin de 15 [gr/lt].

Razn entre el consumo de cido del mineral y el cobre disuelto

En la figura 4 se presenta la razn entre el cido consumido acumulado y la cantidad de cobre disuelto acumulado en el tiempo.

disuelto]8

7

6

de cobre

5

4

/kg43

H SO2

2Dil exp 1Conc exp 1

de1

[kgDil exp 2Conc exp 2

0

0,050,0100,0150,0200,0

Tiempo [hr]

Figura 4: Razn entre el consumo de cido del mineral y el cobre disuelto

Se observa que al utilizar una concentracin de cido de 15 [gr/lt] el consumo de cido del mineral por kg de cobre producido es de Analizando la tendencia, se desprende que a mayor concentracin de cido mayor es el consumo de cido para soluciones diluidas y concentradas, por lo que debiera existir una concentracin de cido que minimize el consumo de cido por cobre producido sin afectar su cintica.

4.4 kg de cido por kg de cobre para la solucin diluida y de 3.8 kg de cido por kg de cobre para la solucin concentrada, en cambio autilizar 30 [gr/lt] de cido, el consumo es de 7.2 kg de cido por kg de cobre para las soluciones diluida y concentrada.

ANALISIS Y DESARROLLO DE MODELOS

La cintica de disolucin de material particulado ha sido estudiada utilizando el modelo de ncleo sin reaccionar para control difusional y control por reaccin qumica (Levenspiel 1962). Este modelo se ha utilizado para estudiar la lixiviacin de minerales oxidados de cobre, encontrando que la velocidad de reaccin en minerales oxidados de cobre es mucho ms rpida que la velocidad de difusin de reactantes y productos (Bartlett 1992, Shafel 1979).

Se utiliz el modelo del ncleo sin reaccionar para control difusional de reactante para el ajuste de los resultados de la disolucin de cobre, encontrndose que para el caso de soluciones diluidas el modelo no era capaz de reproducir los resultados. Lo anterior se debe a que no existe un coeficiente estequiomtrico constante que relacione la cintica de disolucin de cobre y la cintica de consumo de cido. Este hecho es confirmado en la figura 4, ya que para la solucin diluida la razn entre el consumo de cido del mineral y el cobre disuelto no es constante sino creciente con el tiempo.

Debido a lo anterior fue necesario modificar el modelo del ncleo sin reaccionar para control difusional considerando la concentraci n de cobre en solucin.

Difusin de productos a travs de la capa de ceniza como etapa controlante

Cuando la velocidad de reaccin esta controlada por la difusin de los productos desde la superficie de reaccin a la solucin a travs de la capa de ceniza reaccionada, la expresin que relaciona la conversin con el tiempo y la concentracin en solucin es:

t

C 0 C sol dt DP 1 31 X 2 3 21 X ( 1 )

0

Donde X es la conversin o fraccin lixiviada del mineral, C0concentracin del producto en la superficie del mineral [gr/lt], Csol

concentracin del producto en el seno de la solucin [gr/lt] y DP es

el tiempo de conversin total para una diferencia de concentracin entre la superficie de reaccin y el seno de la solucin de 1 [gr/lt], definido como:

P0 R 2( 2 )

D

6 D ef

Donde 0 es la concentracin del producto en el slido y Def es el coeficiente de difusin efectivo del producto.

La ecuacin 1 describe el comportamiento de la fraccin de material que ya ha reaccionado para un tiempo y una concentracin en solucin dadas

En la figura 5 se observa el ajuste del modelo del ncleo sin reaccionar para la difusin de los productos (cobre) para la conversin de cobre en los experimentos 1 y 2 utilizando la ecuacin 2.

0,35

0,3

-XB)0,25

+2(10,2

(2/3)

-3(1-XB)0,15

0,1

1

0,05Dil exp 1Conc exp 1

0Dil exp 2Conc exp 2

0100200300400500600

Tiempo por concentracin [grhr/lt]

Figura 5: Ajuste del modelo del nucleo sin reaccionar para la conversin del cobre

Al ajustar el modelo a los resultados experimentales se determin que C0 tiene un valor de 7 gr/lt de cobre, que corresponde a la mxima concentracin que se puede obtener en la solucin dada las condiciones de operacin.

Tabla 4 : Resumen de los valores de ajuste

DiluidaConc.DiluidaConc.

Exp 1Exp 1Exp 2Exp 2

DP8,2110-43,6710-47,3310-42,6210-4

1/ DP1,221032,721031,361033,82103

R20,9970,9980,9940,992

En latabla 4se resumen los valores obtenidospara DPy la

correlacin obtenida. La correlacin de los datos al modelo propuesto es adecuada, por lo que el modelo con control por difusin representa bien al proceso que esta ocurriendo.

En la tabla 5 se presentan los resultados de la razon de los DP

obtenido para las soluciones diluidas y concentradas para as poder determinar la variacin que se produce sobre el coeficiente de difusin del cobre al variar la carga ionica del sistema.

Tabla 5 : Razn entre DPde solucin diluida y concentrada

Exp 1Exp 2

Razn entre Pde2.242.80

D

solucin diluida y

concentrada

Como la velocidad de lixiviacin de cobre no depende de la concentracin de cido, se deduce que la cintica no est controlada por difusin de protones al interior de la partcula, sino ms bien por la difusin de iones cobre desde el interior de la partcula .

Esto se confirm en base a mediciones electroqumicas de coeficientes de difusin de cobre, en que se comprob que la razn de los valores del coeficiente de difusin en soluciones diluidas y

concentradas es igual a la observada en la razn de los DP en las soluciones.

CONCLUSIONES

La velocidad de disolucin de cobre est limitada por la difusin del ion cprico a travs de la capa de residuo de la lixiviacin desde la zona de reaccin hacia la solucin, tanto para soluciones diluidas como concentradas.

La velocidad de disolucin de cobre es mayor en soluciones diluidas que en soluciones concentradas dado que el coeficiente de difusin del ion cuprico disminuye en un 60 % al utilizar soluciones concentradas.

La velocidad de disolucin de cobre es independiente de la concentracin de cido sulfrico en el rango de 15 a 30 [gr/lt].

El consumo de cido por cobre producido aumenta al aumentar la concentracin de cido en solucin sin aumentar la velocidad de disolucin del cobre ni su recuperacin. Basado en este resultado debera existir una concentracin de cido menor a 15 [gr/lt] que mantenga la velocidad de disolucin de cobre minimizando el consumo de cido. Debido a lo anterior es necesario efectuar pruebas adicionales de lixiviacin con menor cantidad de cido para asi poder encontrar el ptimo en el consumo de cido por cobre producido.

REFERENCIAS

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Mining, Cap. 5, pp. 88 107, (1992).

Benner, B.R.yRoman, R.J.. Determination of the effective

diffusivityof+

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Mining, AIME. Vol. 256, pp. 103 105, (1974).

Canterford, J.H., Davey, P.T. y Tsambourakis, G. Gangue mineral dissolution and jarosite formation in copper solution mining.

Hydrometallurgy, Vol. 13. pp. 327-343 (1985).

Canterford, J.H., Davey, P.T. y Tsambourakis, G. The influence of ferric iron on the dissolution of copper from lump oxide ore.

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Levenspiel, O., Ingeniera de las Reacciones Qumicas, JohnWilley & Sons, pp. 393 409 (1962).

Rojas, E. (1998). Comunicacin personal. Planta lixiviacin dexidos rea El Soldado Disputada de las Condes.

Roman, R.J., Benner, B.R. Y Becker, G.W.. Diffusion model of heap leaching and its application to scale -up. Transaction Society of Mining, AIME. Vol. 256, pp. 247-256 (1974).

Shafel J.L., White, M.L. y Caenepeel, C.L.. Application of the shrinking core model for copper oxide leaching. Min. Eng. Vol