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5. RESULTADOS
5.1. CARACTERIZACIÓN MINERALÓGICA INICIAL
5.1.1. Calcopirita (CuFeS2)
Las muestras en roca de mineral fueron montadas en resina epóxica. La observación de los
pulidos de calcopirita, Fig. 9 y 10, al microscopio óptico arrojó los siguientes resultados: los
principales minerales observados fueron calcopirita (CuFeS2), covelita (CuS), molibdenita (MoS2),
pirita (FeS2) y minerales de la ganga. Los minerales observados son angulosos e irregulares.
En algunos casos se pudo observar minerales de la ganga con inclusiones de molibdenita
(Fig. 10a), así como cristales de pirita incluidos en calcopirita (Fig. 9a). La covelita se encuentra
rellenando fracturas de calcopirita (Figs. 9a y 11). La molibdenita y los minerales de la ganga se
encuentran frecuentemente intercedidos con calcopirita. Además se puede identificar pequeñas
inclusiones de esfalerita en una matriz de calcopirita (Fig. 10c).
Figura 9. Imágenes MOLP. a) Pirita (amarillo claro), covelita (tonalidad azulosa rellenando fracturas) y mineral de la ganga (gris
oscuro) en matriz de calcopirita. b) Centro, Calcopirita (amarillo) con grano de ganga (gris) y c) gran cantidad de ganga (gris)
incluida en Calcopirita. Donde CPy: calcopirita, Py: pirita, Cv: covelita y Qz: minerales de la ganga.
Figura 10. Imágenes MOLP. a) Molibdenita (gris clara) incluida en la ganga. b) Centro, Granos de molibdenita (gris) en incluidos en
Calcopirita (amarilla) y c), Pequeñas inclusiones de Esfalerita (gris). Donde CPy: calcopirita, Py: pirita, Mo: molibdenita y Qz:
minerales de la ganga.
Figura 11. Imágenes MOLP. Covelita rellenando fracturas en la matriz de calcopirita. CPy: calcopirita, Cv: covelita y Qz: minerales
de la ganga.
Las observaciones realizadas en microscopio electrónico de barrido (SEM/EDS) sobre calcopirita,
evidencian la presencia de seis minerales en forma de inclusiones. Al igual que en el microscopio de luz
reflejada fue posible identificar molibdenita, covelita (Fig. 12), esfalerita (Fig.12) y gran cantidad de ganga
la cual posiblemente se trata de feldespatos y cuarzo.
a) b) c)
a) b) c)
CPy
Py
Cv Qz
Qz CPy
Qz
CPy
Qz CPy
Mo Mo
CPy
Qz
CPy Cv
Qz
23
Figura 12.Micrografias de SEM de varios granos de calcopirita. Donde: a) Covelita, la cual proviene de la oxidación de la
calcopirita, b) centro, covelita rellenando fracturas en la muestra de calcopirita y c), grano de calcopirita con inclusión de
molibdenita. Donde CPy: calcopirita, Cv: Covelita y Mo: Molibdenita. EDS de granos de: a) calcopirita, b) covelita y c) molibdenita
Figura 13. Micrografias de SEM de varios granos de calcopirita. Donde: a) Grano de molibdenita liberado y b) Grano de esfalerita
con alto contenido de cadmio incluido en calcopirita. Donde CP: calcopirita, Cv: Covelita, SPy: esfalerita y Mo: Molibdenita. EDS
de grano de esfalerita.
Por otro lado, se encontró la presencia de sulfosales, teluros y galena (Fig. 14 y 15), sulfuro de
cadmio y óxido de titanio (Fig. 15), los cuales no fueron detectados en las observaciones realizadas con el
microscopio de luz reflejada.
a) b) c)
a) b)
a) b) c)
24
Figura 14. a) sulfosales de Cu, Se, Ag y Te, b) centro, sulfosal de Bi, Pb, Ag, Fe y Cu y c), teluro de Ag y Cu incluido en la muestra
de calcopirita.
Figura 15. a) Inclusión de galena (Gn) en grano de calcopirita y sulfosal presente en el borde de grano de la calcopirita, b) centro,
grano euedral de sulfuro de cadmio, intercedida con un pequeño grano de una sulfosal de Ag, Pb, Bi, Cu y Fe. Y c) oxido de titanio
intercedido con grano euedral de cuarzo.
Al realizar microanálisis químicos puntuales usando el detector EDS (Energy Dispersion
Spectrometer) sobre los diferentes minerales encontrados, se determino su composición, en el caso de la
calcopirita se encontraron los siguientes porcentajes en peso: S: 33.56, Fe: 31.51 y Cu 34.94, lo cual
concuerda con los porcentajes estequiométricos de este mineral (Fig. 12a).
Los porcentajes en peso de la molibdenita fue: Mo: 55,13 y S: 44,85 (Figura 12c), para el caso de la
covelita: S: 27, Fe: 2,66, Cu: 67,82 y Ag: 1,76 (Fig. 12 b), esfalerita: S: 30,96 Zn: 62,45, Fe: 0,85 y Cd: 6,64
(Fig. 13), oxido de titanio: O: 32,25, Ti: 66,20, Fe: 1,56, sulfosales: S: 16,69, Cu: 14,53, As: 5,34, Se: 3,48,
Ag: 58,24, Te: 1,71 y del teluro fue: S: 4,66, Cu:6,32, Se: 2,87, Ag: 64,58, Te: 21,57.
5.5.2. Galena (PbS) La observación de los pulidos de galena (Fig. 16 y 17) al microscopio óptico arrojó los siguientes
resultados: los principales minerales observados fueron galena, esfalerita, calcopirita y minerales de la
ganga. Los granos minerales observados son angulosos e irregulares. Se puedo observar el intercrecimiento
de la pirita (FeS2) con galena. Fue posible esfalerita en forma de pequeñas inclusiones. Además fue
observado mineral de la ganga intercrecido con la galena. En toda la muestra se pudo observar pits de clivaje
característicos de la galena, Fig. 16.
Figura 16. Imágenes MOLP. Pirita (amarillo claro) y mineral de la ganga (gris oscuro) en matriz de galena. Donde Gn: Galena, Py:
Pirita y Qz: Cuarzo.
a) b) c)
a) b)
Py Gn
Qz
Py
Gn
a) b) c)
25
Figura 17. Imágenes MOLP. a) matriz de galena (gris claro), con inclusiones de pirita (amarillo claro) y esfalerita (gris azuloso). b)
Grano de galena con pits característicos de clivaje.
Las observaciones realizadas sobre galena usando SEM, evidencian la presencia de tres minerales
acompañantes y dos en forma de inclusiones. Al igual que en el microscopio de luz reflejada fue posible
identificar pirita, esfalerita y cuarzo (Fig. 18), y gran cantidad de ganga la cual posiblemente se trata de
feldespatos y cuarzo
Figura 18. Imágenes de SEM para galena. a) galena con gran presencia de pits de clivaje, intercedida con esfalerita (gris oscuro). b)
galena intercedido con pirita euedaral y esfalerita. c) esfalerita con grano de galena intercedida. Donde Gn:galena, SPy: esfalerita, Py
es pirita. Análisis de EDX a) galena, b) pirita y c) esfalerita.
Por otro lado, se encontró la presencia de teluros de plata en forma de pequeñas inclusiones (Fig. 19),
el cual no fue detectado en las observaciones realizadas con el microscopio de luz reflejada. El porcentaje en
peso fue S: 12.02 Ag: 54,5 Sn: 8,76 Te: 19.52 (Fig. 19).
a) b) c)
26
Figura 19. Análisis microquímico EDS sobre teluro de plata incluido en pirita.
Al realizar microanálisis químicos puntuales usando el detector EDS sobre los diferentes minerales
encontrados, se determino su composición, en el caso de galena se encontraron los siguientes porcentajes en
peso: S: 13,18 y Pb: 86,82, lo cual concuerda con los porcentajes estequiométricos de este mineral (Fig. 18a).
Para la pirita fue: S: 49,42 y Fe: 50,8 (Fig. 18b) y finalmente la esfalerita contenía los siguientes porcentajes
en peso S: 28,73, Fe: 7,34, Zn: 62,43 y Cd: 1,5 (Fig. 18c)
5.1.3. Esfalerita (ZnS) En el análisis petrográfico mediante microscopía óptica de luz reflejada, se observó que los
principales minerales observados fueron: esfalerita, calcopirita, pirita y minerales de la ganga. Fue común
observar que los cristales de esfalerita presentan finas inclusiones de calcopirita, principalmente en forma de
pequeñas gotículas, mostrando una textura disease, además de finas lamelas de exsolución, muchas veces
orientadas de formas más o menos paralelas (Figs. 20 y 21), siguiendo planos de orientación cristalográficos;
adicionalmente fue posible observar finas inclusiones de galena (Fig. 22). Se observa en grandes
proporciones un mineral con una coloración amarillo claro intercedida con esfalerita, por su tonalidad y falta
de anisotropía se pude concluir que se trata de pirita (FeS2). Además de observarse en una tonalidad gris
oscura minerales de la ganga.
Figura 20. Imágenes MOLP. a) Pirita (amarillo claro) intercedida con esfalerita desease (gris oscuro con puntos amarillos
correspondientes a calcopirita), la pirita presenta un pequeña inclusión de galena (gris claro). b) Calcopirita en forma de lamelas y
como gotículas incluida en esfalerita intercedida con pirita. Donde SPy: esfalerita, CPy: calcopirita, Py: pirita, Gn galena y Qz:
cuarzo.
Figura 21. Imágenes MOLP. a) Pirita (amarillo claro) intercedida con esfalerita desease (gris oscuro con puntos amarillos
correspondientes a calcopirita. b) Granos euedrales de pirita intercedida en mineral de la ganga y esfalerita, la calcopirita se presenta
en forma de lamelas y como gotículas. Donde SPy: esfalerita, Py: pirita, Gn galena y Qz: cuarzo.
a) b)
a) b)
Py
SPy
Gn
SPy
Py
Qz
CPy
SPy
Py
Qz
Py
SPy
Qz
27
Figura 22. Imágenes MOLP. Esfalerita con pequeñas inclusiones de calcopirita, y lamelas de exsolución orientadas en forma
paralela entre sí.
Las observaciones de SEM realizadas sobre esfalerita evidencian la presencia de seis minerales,
calcopirita, esfalerita galena, pirita, cuarzo y calcita. La galena se encuentra incluida en granos de pirita,
calcita y rellenando fracturas de esfalerita (Fig. 23, 24 y 25), es importante anotar que mediante
observaciones de microscopia óptica no fue posible evidenciar la presencia de carbonatos. Tanto la pirita,
cuarzo y calcita se encuentran intercedidos con la esfalerita y la calcopirita se muestra como pequeñas
inclusiones en forma de goticulas sobre la matriz de esfalerita, confirmando de este modo lo observado por
MOLP. Es posible observar además granos euedrales de pirita (Fig. 23, 24, 25).
De acuerdo a los análisis microquímicos realizados con SEM/EDX, las proporciones Fe en la
esfalerita es aproximadamente de 1,92% en peso; estos resultados indican que las esfaleritas provenientes de
la zona de estudio no pertenecen a la variedad marmatita, para la cual el contenido de hierro está por encima
del 15% en peso. No se evidenció el contenido de Cd en el mineral.
Por otra parte, el carbonato encontrado es un carbonato de calcio con pequeñas cantidades de
magnesio con la siguiente composición química: C: 10,41, O: 42,59 Ca: 43,23, Mn: 3,77.
Figura 23. Imágenes de SEM. a) Granos euedarales de pirita intercedidos con esfalerita disease, además se observa la presencia de
pequeñas inclusiones de galena. b) Matriz de esfalerita con finas inclusiones de calcopirita en forma de gotículas, además de galena
rellenando fractura. Donde SPy: esfalerita, CPy: calcopirita, Py: pirita, Gn galena y Qz: cuarzo.
Figura 24. Imágenes de SEM. a) Grano individual de pirita con pequeñas inclusiones de esfalerita, incluido en matriz de esfalerita.
b) Intercrecimiento de esfalerita disease cuarzo, calcita y galena. Donde SPy: esfalerita, CPy: calcopirita, Py: pirita, Gn galena, Ca:
calcita y Qz: cuarzo.
a) b)
a) b)
a) b)
b) a)
Py
SPy
Gn
SPy
Gn
CPy
Py
SPy
Py
SPy
Ca
Qz
Gn
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Figura 25. Imágenes de SEM. a) Granos de euedarales de pirita con pequeñas inclusiones de calcopirita, intercedido con esfalerita y
calcita. b) Calcita con inclusión de galena. Donde SPy: esfalerita, CPy: calcopirita, Py: pirita, Gn galena y Ca: calcita.
5.1.4. Proceso de concentración El procesamiento de minerales se basa en las de propiedades físicas y químicas de minerales y rocas.
La diferencia en su comportamiento entre el mineral valioso y los minerales no valiosos (ganga),
proporcionan métodos para la concentración de éstos. Las propiedades físicas y químicas de interés en la
concentración de minerales son principalmente: gravedad, dureza, peso específico y densidad, entre otros.
Debido a que los minerales se encontraban diseminados e íntimamente ligados entre sí y con la ganga,
se procedió a liberarlos. Para esto se utilizó un proceso de conminución, en el cual el mineral es
paulatinamente reducido hasta que las partículas de mineral útil puedan ser separadas por los métodos
existentes.
En primer lugar se limpio totalmente el sitio de la molienda para evitar contaminación, se lavó y
limpió paredes, máquinas trituradoras y herramientas manuales, como martillos o cinceles. Los bloques de
mineral no debían tener un diámetro superior a 5 centímetros, lo cual permitió su ingreso en los
alimentadores de la trituradora de quijadas, esta reducción se realizó usando, almádanas. La primera fase de
fragmentación se realizó en una trituradora de mandíbulas simple (Fig. 26), con el fin de reducir el tamaño
del mineral de 1/2 a 1/6 de su tamaño original. Debido a que, en este proceso, se obtienen diferentes tamaños
de partícula se hizo necesaria una clasificación del mismo para evitar así una sobre molienda, esta
clasificación se realizó por medio del uso de una serie de mallas bien conocida a escala de laboratorio “Tyler
Mesh”. El material grueso fue sometido a trituración secundaria, y el fino fue separado, la serie utilizada se
muestra en la siguiente tabla.
Tabla4. Relación del tamaño del tamiz con el número de malla.
I II III IV V VI VII
Número de Malla 20 40 60 80 100 200 325
Tamaño del Tamiz (µm) 0.853 0.422 0.251 0.178 0.152 0.076 0.044
En la malla número 20 se agregó el mineral, el cual no debía tener un peso mayor a 500 gramos para
evitar de este modo el deterioro de los mismos, la serie de tamices fue montada en un rotap, (Fig. 26), por un
periodo de 30 minutos con el fin de garantizar el paso de las partículas más finas. Las partículas retenidas en
las mallas 20, 40, 60 y 80 fueron llevadas a un proceso de trituración secundaria en una trituradora de
rodillos, Fig. 24, y nuevamente sometido al proceso de tamizado explicado anteriormente.
Figura 26. De izquierda a derecha: Esquema de una trituradora de mandíbulas, esquema de una trituradora de rodillos y proceso de
tamizado.
Py
SPy
Ca
Py
Ca
Gn
29
Con el fin de someter el mineral al proceso de concentración gravimétrica, fue indispensable que se
encontrara entre las mallas -100, +200, por lo tanto el mineral que no presentó estas características se
sometió a un proceso de molienda en un molino orbital con cuerpos moledores de zirconio estabilizado con
itrio. Seguido de concentración gravimétrica en mesa Wilfley con el fin de lograr un concentrado rico en
cada mineral, en este caso se separaron los sulfuros de la ganga, cuarzo principalmente (Fig. 27), el mineral
se termino de purificar mediante el uso de un estéreo, con el fin de realizar una separación manual de las
impurezas que acompañaban a la muestra. Para el caso de la esfalerita fue necesario realizar un proceso de
flotación espumante. Para el caso de la esfalerita fue necesario emplear la flotación como método de
concentración, debido a que se encontraba asociada a grandes cantidades de pirita, estos dos sulfuros tienen
una densidad muy similar por lo que es difícil su separación usando métodos gravimétricos. El concentrado
fue molido en mortero de ágata y tamizado, para asegurar dos distribuciones de tamaños de partícula, -mallas
200 y -malla 325 de la serie Tyler de tamices.
Figura 27. a) Molino orbital con cuerpos moledores de zirconio estabilizados con itrio y b) Mesa wilfley para concentración
gravimétrica.
La flotación espumante de la esfalerita fue realizada en Celda Denver, en este caso el mineral
obtenido en la etapa de conminución debía presentar un tamaño de partícula pasante malla 200 Tyler. Las
condiciones empleadas para los ensayos de flotación fueron las siguientes:
Porcentaje de sólidos: 30%
Reactivos: Activador: 200 g CuSO4/ton mineral. Colector: 45.36 g Ditiofosfato / ton mineral.
Espumante: 90.72 g MIBC / ton mineral. Ajustador de pH: Cal, hasta ajustar al valor deseado.
Agitación: 1200 rpm.
pH: 11-12
Tiempo de acondicionamiento: 8 minutos
Tiempo de recolección: 10 minutos
La pulpa fue preparada mezclando el mineral con agua en la celda de flotación, el cual fue sometido a
agitación y acondicionado el pH con cal alrededor de 11. Posteriormente se agregaron los reactivos en el
siguiente orden: sulfato de cobre, CuSO4, ditiofosfato y finalmente el espumante MIBC. El tiempo de
acondicionamiento fue de ocho minutos, luego de esto se procedió a airear y recolectar la espuma resultante
durante diez minutos.
De los concentrados de mineral obtenidos se tomó una muestra para realizar un montaje de granos en
resina epóxica, el cual fue desbastado utilizando carburo de silicio, malla 200, 400, 600, 1000, 1200 y 1500
para finalmente ser pulido utilizando alúmina de granulometría 3µm, 1µm y 0.05µm. La sección pulida fue
analizada mediante microscopía óptica de luz plana polarizada, modo luz reflejada, utilizando un
microscopio óptico marca Leitz Laborolux 11POL, con objetivos de aumento de 10X y 20X, con el fin de
determinar las fases minerales presentes. El método empleado para esto fue conteo de puntos, según la
norma ASTM D2799 2009 con pequeñas variaciones. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 5. Se
pudo observar que el grado de liberación de los sulfuros es alto (< 90%), evidenciado por la observación de
granos individuales de mineral, dando indicios de una molienda eficiente.
a) b)
30
Tabla 5. Composición mineralogica de los concentrados
Concentrados (%Peso) esfalerita calcopirita pirita galena covelita molibdenita ganga
Esfalerita -200 Tyler 80 10 4 - - - 6
Esfalerita -325 Tyler 85,5 8,2 2 - - - 4,3
Galena -200 Tyler 7,5 o,7 - 90 - - 1,8
Galena -325 Tyler 6,2 0,5 - 93,3 - - -
Calcopirita -200 Tyler 2,53 85,23 5,9 - 1,69 3,37 1,27
Calcopirita -325 Tyler 1,77 88,45 3,94 - 1,45 2,8 1,59
Mediante el análisis por difracción de rayos X, se pudo confirmar que las fases predominantes
concordaban con las encontradas por la técnica de conteo de punto, Fig. 28, 29 y 30. Los picos
correspondientes a la esfalerita se traslapan con los de la pirita es por esto que solo se muestran los picos de
esfalerita.
Figura 28. Difractogramas de rayos X (DRX) para las muestras de calcopirita (CuFeS2) sin tratamiento pasante malla 200 (a) y
325(b). Donde Cl: Clorita, W: Wollastonita, Coy: Calcopirita, CuS: covelita, Mo: Molibdenita y Qz: cuarzo.
a) b)
31
Figura 29. Difractogramas de rayos X (DRX) para las muestras de galena (PbS) sin tratamiento pasante malla 200 (a) y 325 (b).
Donde: Gn: galena, Qz: cuarzo, SPy: esfalerita y Arg: aragonito.
Figura 30. Difratogramas de rayos X (DRX) para las muestras de esfalerita (ZnS) sin tratamiento pasante malla 200 (a) y 325 (b).
Donde Qz: cuarzo, SPy: esfalerita, CPy: calcopirta, y Ca: calcita.
a) b)
a)
b)
32
Artículo I
33
Adaptación de Acidithiobacillus ferrooxidans sobre concentrados de
calcopirita (CuFeS2), esfalerita (ZnS) y galena (PbS)
Mejía E. R..1,a
, Ospina J. D 2,b
, Osorno B. L.
3,c, Márquez M. A.
4,d, Morales A. L.
5,e
1, 2, 3, 4, Escuela de Ingeniería de Materiales, Grupo de Mineralogía Aplicada y Bioprocesos, Universidad Nacional de
Colombia, Medellín AA 1027, Colombia. 5 Grupo de Estado Sólido, Sede de Investigación Universitaria, Universidad de Antioquia, Medellín AA 1226, Colombia.
a [email protected] b [email protected] [email protected] d [email protected] e
RESUMEN
En este estudio se evaluó la adaptación de Acidithiobacillus ferrooxidans a altas concentraciones de
calcopirita, esfalerita y galena, con dos distribuciones de tamaño de partícula, -200 y -325 malla Tyler.
Los microorganismos fueron adaptados mediante la disminución gradual de la fuente principal de
energía (sulfato ferroso) y el aumento en el contenido de mineral, para finalmente hacer un subcultivo
sin la adición de fuente de energía externa. El uso de subcultivos en serie resultó ser una estrategia muy
eficaz para la adaptación de Acidithiobacillus ferrooxidans a altas concentraciones de concentrados de
esfalerita, calcopirita y galena indicando que el protocolo empleado fue adecuado. Los resultados
muestran que Acidithiobacillus ferrooxidans es más resistente a altas concentraciones de esfalerita,
seguido por calcopirita y finalmente a galena. El tamaño de partícula juega un papel fundamental en la
adaptación de los microorganismos al mineral.
Palabras claves: Esfalerita, calcopirita, galena, adaptación, Acidithiobacillus ferrooxidans,
biolixiviación
ABSTRACT
In this study the adaptation of Acidithiobacillus ferrooxidans to high concentrations of chalcopyrite,
sphalerite and galena were evaluated with two mineral-particle sizes: 200 and 325 Tyler mesh. The
strain was adapted using two simultaneous processes. The first one consisted in a gradual decreasing of
the main energy source, ferrous sulphate. The second one consisted in a gradual increasing of the
mineral content. Finally, a test was made without ferrous sulphate. The serial subculturing was found to
be a very efficient strategy to adapt Acidithiobacillus ferrooxidans to higher concentrations of
chalcopyrite, sphalerite and galena. This indicates that a suitable protocol was employed. The results
showed that Acidithiobacillus ferrooxidans is more resistant to high concentration of sphalerite,
chalcopyrite and galena in descendant order. The particle size played an important role in the adaption
of microorganism to the mineral.
Keywords: sphalerite, chalcopyrite, galena, adapting, Acidithiobacillus ferrooxidans, bioleaching.
1. Introducción.
La biolixiviación de sulfuros metálicos ha presentado gran interés en las últimas décadas debido al
agotamiento de menas de alto grado, lo cual hace necesario encontrar nuevas tecnologías
―ambientalmente más amigables‖ que permitan el beneficio de menas de bajo tenor (Brierley &
Luinstra 1993, Marsden & House, 1992, Watling, 2006)
34
Los sulfuros utilizados en este trabajo presentan gran importancia industrial ya que: la esfalerita
(ZnxFe1_xS) es la fuente primaria de zinc en el mundo, presentando gran interés en aplicaciones
industriales como la galvanización de aceros, obtención de latón y en fabricación de pinturas (Harmer
et al., 2006, Haghshenas et al., 2009 a y b).
La calcopirita (CuFeS2) es la fuente primaria de cobre, representando el 70% de las reservas de
cobre en el mundo. Su beneficio se hace generalmente por pirometalurgía, sin embargo esta tecnología
genera contaminaciones de SO2, principal causante de las lluvias ácidas. La investigación se ha
centrado por lo tanto en la hidrometalurgia donde la extracción de cobre se ve limitada por el carácter
refractario de este mineral (Dutrizac 1981, Rivadeneira 2006).
La galena es un mineral de gran importancia desde dos puntos de vista: como fuente primaria de
plomo y como material semiconductor con un bandgap aproximado de 0,4 eV (Muscat et al., 2003).
Además este mineral es importante desde el punto de vista ambiental ya que frecuentemente es
responsable de aumentar la acidificación de las aguas luego de la explotación minera (Muscat & Gale
2003)
La adaptación de animales, plantas y microorganismos al ambiente es un fenómeno natural. Los
organismos adaptados a ambientes específicos por largos períodos de tiempo presentan mejores
resultados (Elzety & Attia, 1995). En los procesos de lixiviación se realizan generalmente varias etapas
de adaptación del microorganismo con el fin de obtener una mejor velocidad de disolución del metal de
interés (Shahverdi et al., 2001, Shi & Fang 2005, Xia et al., 2008). En los procesos
biohidrometalurgicos la adaptación a iones metálicos llevada a cabo en cultivos selectivos es el método
más popular para lograr una buena actividad de las cepas (Haghshenas et al., 2009b).
Los microorganismos comúnmente usados en la lixiviación de sulfuros metálicos son los llamados
Acidithiobacillus ferrooxidans y Acidithiobacillus thiooxidans. Estos microorganismos son mesófilos
(20 y 30ºC), acidófilos, debido a su capacidad para vivir en ambientes cuya acidez puede bajar hasta
pH < 1; y quimiolitótrofos, ya que derivan la energía para llevar a cabo sus procesos metabólicos de
compuestos inorgánicos (Bozdemir et al., 1996, Rawling et al., 1999, Daoud & Karamanev 2006).
Éstos obtienen la energía necesaria de la oxidación de compuestos reducidos del azufre y del ión
ferroso a ion férrico. La diferencia entre estos dos microorganismos es que Acidithiobacillus
thiooxidans no es capaz de utilizar la oxidación del ion ferroso como fuente de energía (Cabrera et al.,
2005, Daoud & Karamanev, 2006; Rawling et al., 1999, Bozdemir et al., 1996).
La exposición de cultivos mesófilos a concentrados de sulfuros metálicos genera inhibición o
disminución en su actividad, especialmente a altas densidades de pulpa. Este fenómeno se debe a varios
factores: menor cantidad de oxígeno disuelto, daño a la pared celular como resultado de la fricción
entre las partículas minerales y los microorganismos y efecto nocivo de los iones metálicos como Pb2+,
Cu2+
y Zn2+
(Akcil et al., 2007, Cabrera et al., 2005). Sin embargo, estas bacterias pueden ser adaptadas
para tolerar estos factores inhibitorios (Cabrera et al, 2004, Xia et al., 2008). El método generalmente
usado para adaptar los microorganismos al mineral, consiste en cultivos sucesivos en los cuales se
incrementa la densidad de pulpa y se disminuye la fuente de energía adicional (Haghshenas et al.,
2009).
En la biolixiviación de concentrados de esfalerita, calcopirita y galena, un factor que retarda e inhibe
la actividad bacteriana es la toxicidad de las altas concentraciones de Zn2+,
Cu2+
y Pb2+
que se
encuentran en la solución (Rawling et al., 1999, Xia et al., 2008). Xia et al (2008) y Haghshenas et al
(2009 a y b), encontraron que se daba una mejor lixiviación del Cu2+
en la cepas de Acidithiobacillus
ferrooxidans adaptadas.
El propósito de este trabajo fue comparar la adaptación de Acidithiobacillus ferrooxidans a altas
concentraciones de calcopirita, esfalerita y galena; aumentando gradualmente el porcentaje de pulpa y
35
disminuyendo la fuente adicional de energía (sulfato ferroso) usando dos distribuciones de tamaño de
partícula: -200 y -325 malla Tyler.
2. Materiales y métodos.
2.1. Mineral
Los experimentos se hicieron usando muestras naturales de mineral tomadas en varias minas del
departamento de Antioquia-Colombia: esfalerita mina El Centeno (Buriticá), galena empresa minera
Frontino Gold Mine (Segovia) y calcopirita mina La Chorrera (Cisneros). Los minerales fueron
sometidos individualmente a un proceso de conminución y luego a concentración gravimétrica en mesa
Wilfley, con el fin de lograr un concentrado rico en cada mineral. Para el caso de la esfalerita fue
necesario realizar un proceso de flotación espumante. El concentrado fue molido en mortero de ágata y
tamizado con el fin de asegurar dos distribuciones de tamaños de partícula: mallas -200 y -325 de
acuerdo a la serieTyler. El mineral se esterilizó en autoclave a 18psi y 120ºC por 20 minutos. Mediante
el uso del microscopio óptico de luz plana polarizada, modo luz reflejada, se confirmó por conteo de
puntos que para el caso del concentrado de esfalerita la fase mineral principal fué esfalerita (ZnS) en un
80%, con cantidades menores de pirita (FeS2) (4%), calcopirita (CuFeS2) (10%) y ganga (6%). La
composición del concentrado de calcopirita fue 88 % de calcopirita (CuFeS2), 9% de ganga, 1% de
covelita (CuS) y 2% de molibdenita (MoS2). Finalmente, para el caso del concentrado de galena la
concentración fue 93,3% de galena (PbS), 6,2% de esfalerita (ZnS) y 0,5% de calcopirita (CuFeS2).
2.2. Microorganismos
Se utilizó una cepa compatible con Acidithiobacillus ferrooxidans, cedida por el laboratorio de
Biomineralogia, Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín (Cardona, 2008). La cepa es
proveniente de la mina de carbón ―La Angostura‖ manto ―El Vampiro II‖ ubicada en el municipio de
Morales, Cauca, Colombia. Los microorganismos fueron previamente crecidos en medio T&K con el
fin de aumentar su concentracion y obtener una población idónea para inocular los ensayos ~ 108
células por mililitro.
2.3. Ensayos de adaptación
Los microorganismos fueron independientemente adaptados a calcopirita, esfalerita y galena, en
medio T&K, con remplazo sucesivo de sulfato ferroso por concentrado de mineral. La primera etapa
consistió en 2,5%(p/v) de mineral y 10% (v/v) de sulfato ferroso, el segundo subcultivo 5% (p/v) de
mineral y 7,5% (v/v) de sulfato ferroso, el tercer subcultivo 7,5%(p/v) de mineral y 5% (v/v) de sulfato
ferroso, el penúltimo subcultivo constó de 10% (p/v) de mineral y 2,5% (v/v) de sulfato ferroso y el
último periodo de adaptación se hizo con 10%(p/v) de mineral y sin adición de sulfato ferroso. Los
medios fueron acidificados a pH 1,8 con ácido sulfúrico. Los experimentos se inocularon con 10%(v/v)
y una población de 108 células por mililitro. Los ensayos de biolixiviación se llevaron a cabo por 14
días en erlenmeyers de 250 ml, utilizando un volumen de trabajo de 100ml, incubadas a 180 ± 2rpm y
30 ± 1 ºC. Todas las condiciones fueron replicadas y se incluyó el respectivo control abiótico.
2.4. Medidas de Eh y pH
Cada dos días se hizo un seguimiento de la cinética del proceso mediante medidas de pH (HACH
HQ40d multi PHC30103) y potenciales de óxido reducción (Shot Handylab 1 Pt 6880) in situ, usando
un electrodo de referencia Ag0/AgCl. En los ensayos realizados con concentrado de galena (tanto para
los ensayos inoculados como los controles abióticos), fue necesario acidificar el sistema con ácido
sulfúrico (H2SO4) con el fin de evitar efectos nocivos en los microorganismos ya que la galena
consume protones aumentando el pH hasta valores superiores a 5.
36
3. Resultados
3.1. Calcopirita
3.1.1. Potencial de óxido reducción (Eh)
En general, todos los subcultivos presentaron una fase de adaptación seguida de una fase
estacionaria para finalmente estabilizarse hacia el final de proceso (Fig. 1 a, c, e y g).
Sin embargo, se presentaron pequeñas variaciones en los subcultivos. En la primera etapa la fase de
adaptación o fase lag, duro 6 días para el tamaño de partícula más grueso, mientras que para el tamaño
de partícula más fino duro sólo 2 días (Fig. 1a).
En la segunda etapa el tamaño de partícula más fino presentó un comportamiento similar que en la
etapa anterior, siendo un poco más larga la fase lag (alrededor de 8 días), mientras que la malla más
gruesa mostró un crecimiento exponencial desde el inicio del proceso (Fig. 1 c).
En el tercer subcultivo, los dos tamaños de partícula presentaron fase lag hasta el día 4, seguido de
una fase exponencial para finalmente estabilizarse. El ensayo realizado con tamaño de partícula más
fino presentó un mayor Eh (620 mV). (Fig. 1 e).
En el último periodo de adaptación el comportamiento fue similar. Sin embargo, la fase de
adaptación fue mayor para el tamaño de partícula más fino, mientras que el tamaño más grueso duro 2
días (Fig. 1g).
Es importante anotar que, los ensayos no inoculados no presentan cambios aparentes en ninguno de
los subcultivos (Fig. 1 a, c, e y g).
3.1.2. pH
El comportamiento del pH para todos los subcultivos, mostró que al aumentar el contendido de
pulpa se observó un leve incremento en el pH (Fig. 1b, d, f y h). En el caso del segundo y cuarto
subcultivo el pH disminuye y se estabiliza al final de proceso, siendo más rápido este descenso para el
mayor porcentaje de pulpa (Fig. 1 d y h).
Los ensayos no inoculados fueron estables sólo en el primer subcultivo (Fig. 1 b). El segundo y
tercer subcultivo exhibieron un incremento progresivo en el tiempo (alrededor de 2,8) (Fig. 1 d y f). En
el último subcultivo el tamaño de partícula más grueso presentó un incremento a lo largo del proceso,
mientras que el tamaño más fino no mostró cambios aparentes (Fig. h).
3.2. Esfalerita
3.2.1. Potencial de óxido reducción (Eh)
En general todos los subcultivos presentaron un comportamiento similar al concentrado de
calcopirita, mostrando una fase de adaptación seguido de una fase de crecimiento exponencial y
finalmente una fase estacionaria (Fig. 2 a, c, e y g).
Sin embargo, al igual que para el concentrado de calcopirita, se presentaron pequeñas variaciones en
los subcultivos. En la primera etapa, la fase lag duro 4 días para ambos tamaños de partícula, seguido
de un incremento exponencial hasta el final de proceso (Fig. 2 a).
En el segundo subcultivo se observó un crecimiento exponencial desde el inicio del proceso para
ambos tamaños de partícula (Fig. 2 c).
El tercer subcultivo presentó una fase de adaptación de cuatro días para ambos tamaños de partícula,
seguido de un crecimiento exponencial para finalmente estabilizarse en el tiempo (Fig. 2 e).
El cuarto subcultivo evidenció una fase lag mayor para el tamaño de partícula más fino (6 días),
seguido de un crecimiento exponencial hasta el final de proceso. Mientras que, el tamaño de partícula
más grueso mostró una fase lag de dos días seguida de un crecimiento exponencial para finalmente
estabilizarse (Fig. 2. g).
37
Los ensayos no inoculados, no presentaron cambios aparentes en ninguno de los subcultivos de
adaptación (Fig. 2 a, b, e y g).
3.2.2. pH
El comportamiento del pH en general para todos los subcultivos, presentó un incremento en los
primeros días proceso para finalmente descender y estabilizarse (Fig. 2 b, d, f y h). Este aumento
inicial en el pH fue más marcado en el último subcultivo (Fig. 2 g). Los ensayos no inoculados
mostraron un aumento progresivo del pH hasta estabilizase en todos los subcultivos, alcanzando mayor
acidez a mayor porcentaje de pulpa (Fig. 2 b, d, f y h).
3.3. Galena
3.3.1. Potencial de óxido reducción (Eh)
Al igual que para el concentrado de calcopirita y esfalerita, se observó la presencia de tres fases
características en la curvas de Eh: fase de adaptación o fase lag, fase de crecimiento exponencial y fase
estacionaria (Fig. 3 a, c, e y g).
Para los dos primeros subcultivos el comportamiento es muy similar, presentando una fase de
adaptación de 4 días para el primero y de 2 días para el segundo, seguido de una fase de crecimiento
exponencial hasta el final de proceso (alcanzando valores alrededor de 600 mV) (Fig. 3 a y c).
Los dos últimos subcultivos presentaron fases de adaptación más largas (6 y 8 días
respectivamente), seguido de una fase de crecimiento exponencial. Los valores de Eh alcanzados son
menores, alrededor de 550 mV (Fig. 3 e y g).
3.2.2. pH
En general se observó un aumento generalizado del pH en todas las etapas de adaptación, a pesar de
la acidificación del sistema con ácido sulfúrico (hasta el día 6), sin embargo a partir del día sexto el pH
decae y se estabiliza en el tiempo (Fig. 3 b, d, f y h).
Los ensayos no inoculados presentaron un comportamiento creciente para todos los subcultivos (Fig.
3 b, d, f y h). Sin embargo, en el tercer y el cuarto subcultivo se observa un descenso a partir del día 8
(Fig. 3 f y h)
38
Figura 1. Curvas de Eh y pH para el proceso de biolixiviación de calcopirita a) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 2.5% de
pulpa (p/v) y 10% de sulfato ferrroso (v/v). b) Curva de pH para el proceso de biolixiviación a 2.5% de pulpa (p/v) y 10% de sulfato
ferrroso (v/v). c) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 5% de pulpa (p/v) y 7,5% de sulfato ferrroso (v/v). d) Curva de pH para
el proceso de biolixiviación a 5% de pulpa (p/v) y 7,5% de sulfato ferrroso (v/v). e) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 10%
de pulpa (p/v) y 2,5% de sulfato ferrroso (v/v). f) Curva de pH para el proceso de biolixiviación a 10% de pulpa (p/v) y 2,5% de sulfato
ferrroso (v/v). g) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 10% de pulpa (p/v), sin adición de sulfato ferrroso. h) Curva de pH para
el proceso de biolixiviación a 10 de pulpa (p/v) sin adición de sulfato ferrroso (v/v). Donde ♦: Calcopirita (CuFeS2) pasante malla -200
Tyler, ◊: Calcopirita (CuFeS2) pasante malla -325 Tyler, ●: Control Calcopirita (CuFeS2) pasante malla -200 Tyler y ○: Control
Calcopirita (CuFeS2) pasante malla -325 Tyler.
39
Figura 2. Curvas de Eh y pH para el proceso de biolixiviación de esfalerita. a) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 2.5% de
pulpa (p/v) y 10% de sulfato ferrroso (v/v). b) Curva de pH para el proceso de biolixiviación a 2.5% de pulpa (p/v) y 10% de sulfato
ferrroso (v/v). c) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 5% de pulpa (p/v) y 7,5% de sulfato ferrroso (v/v). d) Curva de pH para
el proceso de biolixiviación a 5% de pulpa (p/v) y 7,5% de sulfato ferrroso (v/v). e) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 10%
de pulpa (p/v) y 2,5% de sulfato ferrroso (v/v). f) Curva de pH para el proceso de biolixiviación a 10% de pulpa (p/v) y 2,5% de sulfato
ferrroso (v/v). f) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 10% de pulpa (p/v), sin adición de sulfato ferrroso. h) Curva de pH para
el proceso de biolixiviación a 10 de pulpa (p/v) sin adición de sulfato ferrroso (v/v). Donde ■: Esfalerita (ZnS) pasante malla -200 Tyler,
□: Esfalerita (ZnS) pasante malla -325 Tyler, ●: Control Esfalerita (CuFeS2) pasante malla -200 Tyler y ○: Control Esfalerita (CuFeS2)
pasante malla -325 Tyler.
40
Figura 3. Curvas de Eh y pH para el proceso de biolixiviación de galena. a) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 2.5% de
pulpa (p/v) y 10% de sulfato ferrroso (v/v). b) Curva de pH para el proceso de biolixiviación a 2.5% de pulpa (p/v) y 10% de sulfato
ferrroso (v/v). c) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 5% de pulpa (p/v) y 7,5% de sulfato ferrroso (v/v). d) Curva de pH para
el proceso de biolixiviación a 5% de pulpa (p/v) y 7,5% de sulfato ferrroso (v/v). e) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 10%
de pulpa (p/v) y 2,5% de sulfato ferrroso (v/v). f) Curva de pH para el proceso de biolixiviación a 10% de pulpa (p/v) y 2,5% de sulfato
ferrroso (v/v). g) Curva de Eh para el proceso de biolixiviación a 10% de pulpa (p/v), sin adición de sulfato ferrroso. h) Curva de pH para
el proceso de biolixiviación a 10 de pulpa (p/v) sin adición de sulfato ferrroso (v/v). Donde ▲: Galena (PbS) pasante malla -200 Tyler, □:
galena (PbS) pasante malla -325 Tyler, ●: Control Galena (CuFeS2) pasante malla -200 Tyler y ○: Control galena (CuFeS2) pasante malla
-325 Tyler.
41
4. Discusión y conclusiones.
4.1. pH
A continuación se discuten los comportamientos obtenidos por los concentrados de esfalerita,
calcopirita y galena durante el período de adaptación.
El pH es un factor determinante en el proceso de adaptación de los microorganismos a los
diferentes minerales e influye de forma significativa en la velocidad de crecimiento de los
microorganismos, debido a que afecta a los grupos ionizables presentes en las enzimas, situadas en el
citoplasma y periplasma de la célula (Das et al., 1999, Gómez & Cantero, 2005).
El aumento inicial en el pH puede deberse a varios factores como: 1) La presencia de carbonatos y
fases silicatadas en contacto con la solución lixiviante genera consumo de ácido (Sampson et al., 2005,
Arroyave 2007), 2) El consumo de protones generado principalmente en los monosulfuro como
calcopirita, esfalerita y galena (Garcia et al., 1995, Da Silva 2004, Ballester 2005) y 3) A la oxidación
del Fe2+
(Bevilaqua et al., 2002, Meruane 2003).
El aumento inicial de pH en todos los subcultivos de adaptación para el caso de la esfalerita es
aparentemente debido a la presencia de carbonatos en el concentrado, ya que éste contenía gran
cantidad de ganga (alrededor del 6%). El aumento pudo inhibir el adecuado crecimiento de los
microorganismos y por tanto retardar la adaptación (Das et al., 1999). Sin embargo, en todos los
subcultivos se observa estabilidad en el pH hacia el final de proceso (Fig. 2 b, d, f y h), lo cual sugiere
una neutralización de los carbonatos, ya que este mineral en presencia de ácido sulfúrico se neutraliza
formando yeso y otro tipo de sulfatos dependiendo de la composición química del carbonato (Márquez
1999). En general, el incremento en el pH fue mayor para las muestras más finas, lo cual pudo deberse
a que un menor tamaño de partícula se traduce en mayor área superficial y, por lo tanto, una mayor
reactividad, generando un consumo de protones más elevado. Además, a menor tamaño de partícula se
aumenta el estrés hidrodinámico para los microorganismos, lo cual pudo evitar que estos favorecieran
la neutralización de carbonatos más rápidamente como ocurrió para el mayor tamaño de partícula, (fig.
2 b, d, f y h). Éstos resultados están de acuerdo con lo observado por Silverman, (1961), Deveci, (2004)
y Haghshenas et al. (2009 a y b). Por otra parte, Deveci, (2002), encontró que a menor tamaño de
partícula hay mayor posibilidad de colisiones, las cuales son las responsables del daño celular o incluso
la muerte de los microorganismos. El consumo de ácido también puede ser atribuido a la oxidación del
Fe2+
; sin embargo, la acidificación debida al paso de Fe2+
a Fe3+
genera una aumento menor en el pH
(~3), según lo reportado por Bevilaqua et al. (2002) y Meruane & Vargas (2003).
El aumento generalizado del pH inicial en todas las etapas de adaptación para el caso de la galena
es interpretado como consumo de protones debido a su carácter de monosulfuro. El consumo de
protones para este mineral es mucho mayor que para la calcopirita y esfalerita (Garcia et al., 1995, Da
Silva 2004, Mejía et al., 2007), lo cual hizo necesario acidificar el sistema hasta agotar la demanda de
protones, hasta aproximadamente el día sexto, a partir del cual se observo una paulatina disminución en
los valores de pH. Esto es debido a que la disolución de galena en ambientes ácidos ocurre como
resultado de la protonación en la superficie del mineral, donde el único mecanismo de protonación en
solución acuosa energéticamente favorable se genera por la unión de tres H+ en los tres átomos
superficiales de azufre, los cuales rodean un átomo de plomo sustituido por un cuarto ion H+ (Gerson &
O‘Dea 2003, Acero et al., 2007). Estas teorías explican el decrecimiento en el valor del pH alrededor
del sexto día para estabilizarse alrededor de 2,0 y más bajos en la última etapa de adaptación 1.8, (Fig.
3 b, d, f y h), indicando de este modo un incremento en la concentración de H+ producido por la
actividad bacteriana. En este caso al igual que en la esfalerita, el aumento del pH fue mayor para la
malla 325 indicando el efecto adverso del menor tamaño de partícula sobre los microorganismos.
Para el caso de la calcopirita, el comportamiento en el pH fue muy estable en todo el proceso de
adaptación, presentando un ligero incremento al inicio de todas las etapas explicado como consumo de
42
ácido por la oxidación del Fe2+
a Fe3+
, el cual se estabiliza rápidamente (Bevilaqua et al., 2002,
Meruane & Vargas 2003). Este comportamiento da indicios de una buena adaptación y actividad
bacteriana (Cox et al., 1977, Tekeuchi & Susuki, 1994).
4.2. Potencial de óxido reducción (Eh)
El potencial de óxido reducción puede relacionarse con el crecimiento y la actividad bacteriana. Un
rápido incremento en éste se puede deber a una buena adaptación de los microorganismos al mineral,
indicando indirectamente que los iones solubilizados aparentemente no inhiben la capacidad bacteriana
de oxidar el ion ferroso (Xia et al., 2008). Además, todos los concentrados de minerales empleados
presentaron tres fases características en las curvas de crecimiento bacteriano: fase de adaptación o fase
lag, fase de crecimiento exponencial y fase estacionaria. A continuación se discuten los
comportamientos obtenidos por la esfalerita, calcopirita y galena en todos los periodos de adaptación.
El tamaño de partícula más fino presento un mejor desempeño del Eh para el caso de concentrados
de esfalerita y galena, en el caso de la calcopirita el tamaño de partícula más pequeño mostró un
mejor comportamiento. Esto puede explicarse debido a que el ion Cu2+
a bajas concentraciones no es
tan tóxico para los microorganismos, por lo tanto a menor tamaño de partícula el mineral posee un área
superficial mayor y su reactividad aumenta. Al haber una mayor fuente de Fe2+
para los
microorganismos, se da una rápida transformación de Fe2+
a Fe3+
, obteniéndose de este modo altos
valores de potencial. Además a bajas concentraciones de pulpa los daños debidos a las colisiones en las
partículas, son menores (Deveci 2002). Sin embargo, para el caso del concentrado de esfalerita, aunque
el ion Zn2+
es menos tóxico que el Cu2+
en solución, la presencia de carbonatos aparentemente afectó el
buen desarrollo de los microorganismos, siendo menos evidente para el tamaño de partícula -200 malla
Tyler. Esto también podría estar relacionado con la reactividad del mineral en función del tamaño de
partícula. El comportamiento del Eh para el concentrado de galena es debido a la gran toxicidad del
plomo para los microorganismos, donde el tamaño de partícula juega un papel fundamental, ya que
nuevamente, a menor tamaño de partícula, se tenía mayor concentración de Pb2+
en solución.
En el subcultivo realizado para 5%(p/v) de mineral y 7,5 %(v/v) de sulfato ferroso, la fase lag fue
menor, alrededor de 2 días, mostrando de forma indirecta una buena adaptación de los
microorganismos al mineral. El crecimiento del potencial de óxido reducción es mejor, al igual que en
la etapa anterior, para el tamaño de partícula más grueso en el caso de la esfalerita y galena. En esta
etapa la calcopirita mostró un mejor comportamiento para el tamaño de partícula más grueso, lo cual da
indicios que a mayor concentración de Cu2+
los microorganismos son afectados por la toxicidad de este
ion, lo cual dificulta su etapa de adaptación (Rawling et al., 1999 y Rawling 2005). Para el ensayo de
adaptación realizado con 7,5%(p/v) y 5% (v/v) de sulfato ferroso, datos no mostrados, el
comportamiento fue muy similar al obtenido en la segunda etapa de adaptación.
Para el caso de 10% (p/v) de pulpa y 2,5% (v/v) de sulfato ferroso (Fig. 1e, 2e y 3e), el crecimiento
del potencial redox fue muy similar para todos los minerales. No se observo una fase estacionaria. Sin
embargo, el crecimiento aunque es constante es lento hasta aproximadamente el día sexto del proceso.
Este comportamiento indica que los microorganismos se van adaptando a las condiciones del sistema
paulatinamente, usando su energía para tolerar las condiciones adversas y no para generar una rápida
oxidación del Fe2+
a Fe3+
. Finalmente, se logró una buena adaptación luego del día sexto, donde se
presenta un fuerte incremento en el Eh, indicando que los iones dejados en solución no afectaron
aparentemente la actividad oxidativa de los microorganismos, lo que está de acuerdo con lo observado
por Xia et al. (2008).
Al disminuir totalmente la fuente de energía (Fig. 1g, 2g y 3g), el crecimiento del Eh fue constante
pero más lento que en la etapa anterior, indicando que aunque los microorganismos se adaptaron al
sistema, les costó más tiempo tolerar las condiciones adversas. Además, como los microorganismos no
43
contaban con fuente de energía extra, se vieron obligados a tomar la fuente de energía de los iones de
Fe2+
provenientes de la disolución en medio ácido de los minerales, proceso que tiene una cinética más
lenta (Zapata et al.; 2007). Alrededor del día 8 se dio un marcado incremento, indicando, en principio
una buena actividad bacteriana para la oxidación del ion ferroso.
De acuerdo con Touvinen et al., (1971) la tolerancia que adquiere el microorganismo al mineral es
adquirida durante la fase lag, lo cual puede ser observado en la fase estacionaria de crecimiento del Eh
y al aumento inicial del pH
La evolución del potencial de oxido reducción se relaciona con la tasa de crecimiento bacteriano y
su capacidad de oxidar el Fe2+
(Acevedo & Gentina, 2005). Esta capacidad oxidativa aumentó a través
del tiempo en las cuatro etapas de adaptación, donde las bacterias alcanzaron valores de Eh alrededor
de 600 mV en corto tiempo y los mantuvieron hasta el final de proceso, especialmente en las primeras
etapas de adaptación, en las que aún tenían fuente de energía adicional. En la última fase de adaptación,
sin adición de fuente de energía, el crecimiento de la curva de Eh para los sulfuros es más lento, sin
embargo el valor aumenta paulatinamente, lo que sugiere que los microorganismos toman la fuente de
energía necesaria para su crecimiento del la oxidación del Fe2+
proveniente del mineral (Prayuenyong,
2002). Lo cual da indicios de una buena actividad oxidativa y que las bacterias respondieron
favorablemente a las etapas de adaptación, llevándose a cabo el mecanismos indirecto (Prayuenyong,
2002; Ballester, 2005). El aumento del Eh sugiere que en presencia de bacterias hay un transporte
constante de electrones en el sistema, como la trasformación de Fe2+
a Fe3+
, función principal de A.
ferrooxidans (Rossi, 1990; Kodali et al., 2004).
La presencia de iones metálicos afecta la evolución del crecimiento bacteriano y la oxidación del ion
ferroso. Acidithiobacillus ferrooxidans mostró más tolerancia a los iones de zinc, cobre y plomo en el
caso de la malla 200 Tyler. Para la malla 325 Tyler el microorganismo presentó más tolerancia al Cu2+
,
seguido por el Zn2+
y finalmente al Pb2+
, esto debido al efecto del tamaño del partícula y a la presencia
de carbonatos en la esfalerita, lo cual esta de acuerdo con lo encontrado por Cabrera et al., (2005) y
Rawling (2005).
Además de los ensayos de adaptación para Acidithiobacillus ferrooxidans, se realizaron ensayos
alternos de adaptación para Acidithiobacillus thiooxidans (datos no mostrados). Cuando se adicionó
azufre elemental como fuente de energía extra, los ensayos mostraron producción de ácido,
evidenciado por la disminución del pH (0,6), y los valores de potencial aumentaron hasta
aproximadamente 460 mV para todos los ensayos. Sin embargo al ir disminuyendo la fuente externa de
energía, éste microorganismo, fue perdiendo la habilidad de producir ácido. Al suprimir totalmente la
fuente de energía los valores de pH obtenidos fueron similares que en los controles abióticos lo cual da
indicios de que este microorganismo no fue capaz de obtener energía del mineral (Bevilaqua et al.,
2002).
Agradecimientos.
Los autores agradecen al Programa de Biotecnología de COLCIENCIAS, a los laboratorios de
Biomineralogía, CIMEX, Preparación de Rocas y Carbones de la Universidad Nacional de Colombia,
sede Medellín, al laboratorio de INGEOMINAS, Medellín, I.C. Cardona de la Universidad de West
Virgina, USA, por sus comentarios. ALM agradece al CODI, de la Universidad de Antioquia.
44
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47
Artículo II
48
Caracterización mineralógica por microscopía electrónica de barrido y
difracción de rayos X de los productos de biolixiviación de calcopirita
(CuFeS2), esfalerita (ZnS) y galena (PbS)
Mejía E. R.1,a
, Ospina J. D. 2,b
, Márquez M. A.3,c
, Morales A. L.
4,d
1, 2, 3 Escuela de Ingeniería de Materiales, Grupo de Mineralogía Aplicada y Bioprocesos, Universidad
Nacional de Colombia, Medellín AA 1027, Colombia. 4
Grupo de Estado Sólido, Sede de Investigación Universitaria, Universidad de Antioquia, Medellín AA
1226, Colombia. [email protected] b [email protected] c [email protected] d [email protected]
RESUMEN
La biolixiviación de concentrados de calcopirita, esfalerita y galena fue evaluada a nivel de agitador
orbital, utilizando una cepa compatible con Acidithiobacillus ferrooxidans, consorcio de cepas
compatibles con Acidithiobacillus ferrooxidans y Acidithiobacillus thiooxidans y dos distribuciones de
tamaño de partícula, -malla 200 y –malla 325 serie Tyler. Análisis por microscopía electrónica de
barrido (SEM) evidenciaron morfologías y mecanismos de oxidación diferentes para los tres sulfuros.
Las muestras de calcopirita presentan formación de capas discontinuas de jarosita (Fe3(OH)6(SO4)2)
recubriendo granos, además, se observan golfos de corrosión. La jarosita se puede apreciar también en
forma de aglomerados aciculares agrupando pequeños granos de calcopirita. Por otra parte, la
lixiviación de la galena presenta películas de anglesita (PbSO4) que bordean núcleos remanentes,
además de granos con golfos de corrosión. Para el caso de la esfalerita no se observó formación de
películas de jarosita ni de azufre elemental. La oxidación se vio reflejada en la formación de golfos y
pits de corrosión en los granos. Las nuevas fases formadas fueron confirmadas mediante análisis de
difracción de rayos X (DRX). Se pudo apreciar la formación secuencial de las nuevas fases.
Palabras claves: Biolixiviación, mineralogía del proceso, Acidithiobacillus ferrooxidans,
Acidithiobacillus thioxidans, esfalerita, calcopirita y galena.
ABSTRACT
A biolixiviation study of chalcopyrite, sphalerite and galena concentrates was made in shaker
experiments using Acidithiobacillus ferrooxidans-like bacteria and a mixed culture of Acidithiobacillus
ferrooxidans-like bacteria and Acidithiobacillus thiooxidans-like. Two mineral-particle sizes were
evaluated, 200 and 325 Tyler meshes. The analysis of scanning electron microscopy with energy
dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDX) showed morphologies with evident differences in the
oxidation products for the three sulfides. After bioleaching, the chalcopyrite showed a partial jarosite
(Fe3(OH)6(SO4)2) layer on chalcopyrite grains, which also showed corrosion gulfs and pits. Moreover,
jarosite aggregate was observed containing small grains of chalcopyrite. On the other hand, the
bioleaching of galena presented an anglesite (PbSO4) layer coating remaining core of galena in addition
to the pits and gulfs on the surface of the galena grains. Sphalerite crystals displayed embayment and
pits of corrosion, without layers of jarosite and sulphur. Furthermore, X-ray analysis confirmed these
new solid phases. The sequential formation of these mineral phases became evident.
Keywords: Bioleaching, process mineralogy, Acidithiobacillus ferrooxidans, Acidithiobacillus
thiooxidans, sphalerite, chalcopyrite, galena.
49
1. Introducción
Desde hace algunas décadas en la industria minera, a nivel internacional, se emplean
microorganismos para facilitar la extracción de metales base, como cobre y zinc, entre otros, a partir de
sulfuros metálicos (Rawlings, 2007). Esta práctica es denominada biolixiviación, término general
acuñado para describir cómo algunos microorganismos solubilizan estos metales, base de la economía
y desarrollo de los sectores mineros (Rawlings, 2007). El uso de microorganismos en la lixiviación de
minerales metálicos, especialmente de bajo grado, ha venido ganando en las últimas décadas un gran
auge, debido a sus bajos costos de capital, operación y versatilidad en cuanto a la adaptación a los
diferentes tipos de procesos mineros (Brierley & Luinstra, 1993; Watling, 2006). Además, estos
procesos presentan grandes ventajas desde el punto de vista ambiental, en comparación a otros métodos
usados rutinariamente en el beneficio de menas, como son la tostación y la oxidación bajo presión
(Gilbert et al., 1988; Marsden & House, 1992).
Los microorganismos comúnmente usados en la lixiviación de sulfuros metálicos son los mesófilos,
acidófilos y quimiolitótrofos, como Acidithiobacillus ferrooxidans y Acidithiobacillus thiooxidans
(Bozdemir et al., 1996, Rawlings et al., 1999, Rawlings 2001, Foucher et al., 2003, Vardanyan &
Akopyan, 2003, Mignone & Donati, 2004, Daoud & Karamanev 2005, Rawlings, 2005), los cuales
derivan la energía para llevar a cabo sus procesos metabólicos de la oxidación de compuestos reducidos
del azufre y del ion ferroso (Bozdemir et al., 1996, Rawling et al., 1999, Cabrera et al., 2004, Daoud &
Karamanev, 2005)
Actualmente se sabe que los microorganismos acidófilos aumentan la velocidad de disolución de los
sulfuros metálicos como: calcopirita, esfalerita y galena, sin embargo aunque los cambios ocurridos en
la superficie del mineral sometido a la acción bacteriana han sido ampliamente estudiados no se ha
llegado a un consenso sobre las causas de pasivación y disminución en las cinéticas de disolución. De
esta forma, es necesario realizar investigaciones que permitan un adecuado entendimiento de la
superficie de los minerales y sus trasformaciones.
Las técnicas de caracterización como microscopía electrónica de barrido (SEM), proporcionan
información importante sobre los cambios químicos y morfológicos que ocurren en la superficie
durante los procesos industriales como flotación, lixiviación y lixiviación asistida por bacterias (Molli
et al., 2001, Velásquez et al., 2005, Walting 2006). Estos análisis han sido usados frecuentemente para
caracterizar los minerales formados durante los procesos de lixiviación, así como cambios
morfológicos y texturales, golfos y pits de corrosión (Da silva et al., 2003, Rodríguez et al., 2003,
Deveci et al., 2004, Da Silva 2004, Pacholewska 2004, Harmer & Nesbitt., 2004, Xia et al., 2008,
Zapata et al., 2007, Mejía et al., 2007, Córdoba et al., 2008, Klauber 2008, Wang et al., 2007,
Haghshenas et al., 2009, Lei Jiang et al., 2008, Sasaki et al., 2009 ). Por todo lo anterior, los análisis
por SEM son útiles para caracterizar cambios mineralógicos en los procesos de biolixiviación de
sulfuros, permitiendo identificar nuevas fases formadas, así como evaluar los diferentes mecanismos de
lixiviación (Marsen & House, 1992).
Para el caso de la calcopirita, estudios sobre la superficie del mineral revelan la formación de una
película pasivante sobre las partículas, sin embargo no existe un consenso sobre la naturaleza de esta
película. Se ha postulado que debe ser de baja porosidad o un mal conductor eléctrico (Dutrizac 1981,
Yin et al., 1995, Hackl et al., 1995, Gómez et al., 1996, Bevilaqua et al., 2002, Parker et al., 2003,
Mikhlin et al., 2004, Harmer & Nesbitt., 2004, Córdoba et al., 2008, Klauber 2008, Sasaki et al., 2009).
Los análisis de SEM sobre la superficie de esfalerita sometida a procesos de biolixiviación, muestran
formación de capas de azufre elemental, además de agregados individuales de jarosita (Da silva et al.,
2003, Rodríguez et al., 2003, Deveci, 2004, Xia et al., 2008, Zapata et al., 2007, Wang et al., 2007,
Haghshenas et al., 2009). Por otra parte, los ensayos realizados por Shi et al., 2006a, 2006b, muestran
50
que el mecanismo directo juega un papel fundamental en la disolución de marmatita en relación con la
oxidación química generada por el Fe3+
.
La biolixiviación de la galena muestra la formación de una capa de anglesita (PbSO4) sobre la
superficie del mineral (Garcia et al., 1995, Da Silva 2004, Mejía et al., 2007), por otra parte varios
estudios (Da silva 2004, Pacholewska 2004 y Lei Jiang et al., 2008) encontraron además de la
formación de anglesita, la formación de películas de azufre elemental. Por otra parte, mediante análisis
de difracción de rayos X varios autores han confirmado la formación de nuevas fases durante los
procesos de biolixiviación (Bevilaqua et al., 2002, Parker et al., 2003, Christopher et al., 2004, Harmer
& Nesbitt., 2004, Lei Jiang et al., 2008, Haghshenas et al., 2009)
Sin embargo, los análisis realizados con estas técnicas en general, no han seguido la evolución del
proceso en el tiempo. La preparación de las muestras, posiblemente, no ha permitido observar los
mecanismos de formación de las nuevas fases formadas. Es por esto que el principal objetivo de este
trabajo fue analizar los productos formados en el proceso de biolixiviación, mediante SEM/EDS y
DRX, de concentrados de calcopirita, esfalerita y galena, con el fin de determinar las diferencias en
estos procesos, desde el punto de vista de los cambios morfológicos, texturales y composición química.
2. Materiales y métodos.
2.1. Mineral
Los experimentos se realizaron usando muestras naturales de mineral provenientes del departamento
de Antioquia (Colombia), obtenidas de la siguiente forma: esfalerita tomada en la mina El Centeno
(Buriticá), galena tomada en la mina El Silencio , propiedad de la empresa minera Frontino Gold Mine
(Segovia), y calcopirita obtenida de la mina La Chorrera (Cisneros). Los minerales fueron sometidos
individualmente a un proceso de conminución y concentración gravimétrica en mesa Wilfley, con el fin
de lograr un concentrado rico en cada mineral. Para el caso de la esfalerita fue necesario llevar a cabo
un proceso de flotación espumante. El concentrado fue molido en mortero de ágata y tamizado, para
asegurar dos distribuciones de tamaños de partícula: -malla 200 y -malla 325 de la serie de tamices
Tyler. Posteriormente, el mineral se esterilizó en autoclave a 18psi y 120ºC, por 20 minutos.
2.2. Microorganismos
Se utilizó una cepa compatible con Acidithiobacillus ferrooxidans, cedida por el laboratorio de
Biomineralogia, Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín (Cardona, 2008). La cepa es
proveniente de la mina de carbón ―La Angostura‖ manto ―El Vampiro II‖ ubicada en el municipio de
Morales, Cauca, Colombia. Los microorganismos fueron previamente crecidos en medio T&K, con el
fin de aumentar la concentración de microorganismos y obtener una población idónea para inocular los
ensayos (~ 108 células por mililitro).
2.3. Ensayos de biolixiviación
Los microorganismos fueron previamente adaptados al mineral en medio T&K, reemplazando
sucesivamente sulfato ferroso y azufre elemental, por concentrados de esfalerita, calcopirita y galena.
El medio fue acidificado a pH 1,8 con ácido sulfúrico. Los experimentos se inocularon con 10%(v/v)
de microorganismos. Los ensayos de biolixiviación se llevaron a cabo por 30 días, en erlenmeyers de
500ml, utilizando un volumen de trabajo de 300ml, conteniendo 10%(p/v) de concentrado de mineral,
incubados a 180 ± 2rpm y 30 ± 1 ºC. Todas las condiciones fueron replicadas y se incluyó el respectivo
control abiótico.
51
2.1. Microscopía electrónica de barrido (SEM)
Esta técnica se empleó con el fin de definir las relaciones texturales entre las fases presentes
producto de la biolixiviación. Las imágenes de SEM se tomaron en un equipo marca JEOL JSM 5910
LV, con detector de estado sólido tipo EDS marca OXFORD para los análisis microquímicos. En modo
de observación BSE (electrones retro-proyectados) y voltaje de aceleración de 20 kV y un tiempo de
colecta de 120 segundos. Las muestras sólidas fueron montadas en resina epóxica y posteriormente
pulidas con una serie de lijas de carburo de silicio y finalmente con alúmina de 3, 1 y 0.5µm, con el fin
de obtener una superficie con acabado espejo. El procedimiento se realizó bajo la norma ASTM D2797
2009 con pequeñas variaciones. Luego fueron metalizadas con oro.
2.2. Difracción de Rayos X (DRX)
Esta técnica se utilizó con el fin de determinar la presencia o formación de fases minerales
cristalinas producto de la oxidación bacteriana, durante diferentes periodos del proceso. Los análisis se
realizaron empleando un difractómetro marca Bruker D8ADVANCE Con barrido de 2 de 1 a 70° con
pasos de 0.03° y un tiempo por paso de 2 segundos y radiación Cu λ= 1.5406 Å, radiación generada
35kV y 30mA. Los espectros se analizaron por medio del software Diffrac Plus Eva, haciendo uso de la
base de datos PDF 2.0.
3. Resultados.
3.1. Análisis mineralógicos inicial
Con base en las observaciones de secciones delgadas pulidas, mediante el uso de microscopio de luz
plana polarizada, modo luz reflejada, se confirmó, por conteo de puntos la composición del
concentrado obtenido, según la norma ASTM D2799 2009, con pequeñas variaciones (tabla 1).
Tabla 1. Composición mineralogica de los concentrados
Concentrados (%) Esfalerita Calcopirita Pirita Galena Covelita Molibdenita ganga
Esfalerita -200 Tyler 80 10 4 - - - 6
Esfalerita -325 Tyler 85,5 8,2 2 - - - 4,3
Galena -200 Tyler 7,5 o,7 - 90 - - 1,8
Galena -325 Tyler 6,2 0,5 - 93,3 - - -
Calcopirita -200 Tyler 2,53 85,23 5,9 - 1,69 3,37 1,27
Calcopirita -325 Tyler 1,77 88,45 3,94 - 1,45 2,8 1,59
Las imágenes de SEM mostraron granos euedrales con caras regulares y bien definidas en todos los
concentrados minerales. En estas no se observó evidencias de oxidación (Fig. 1). Los análisis de
difracción de rayos X confirmaron los resultados obtenidos por conteo de puntos, mostrando para el
caso de la esfalerita la presencia de carbonatos en el concentrado (Fig. 2).
52
Figura 1. Imágenes de SEM modo de electrones retro proyectados (BSE). a) concentrado de calcopirita sin tratamiento, pasante malla --
200 Tyler. b) concentrado de calcopirita sin tratamiento, pasante malla -325 Tyler. c) Concentrado de galena sin tratamiento, pasante
malla -200 Tyler. d) Concentrado de galena sin tratamiento, pasante malla -325 Tyler. e) Concentrado de esfalerita sin tratamiento,
pasante malla -200 Tyler y f) Concentrado de esfalerita sin tratamiento pasante, malla -325 Tyler, las flechas indican pequeños granos de
calcopirita incluidos en un grano de esfalerita.
Figura 2. Difractogramas de rayos X (DRX) para los concentrados minerales, sin tratamiento. Donde a). Concentrado de calcopirita,
pasante malla 200 Tyler. b) concentrado de calcopirita, pasante malla 325 Tyler. c). concentrado de galena pasante malla 200 Tyler d).
concentrado de galena, pasante malla 325 Tyler. e) concentrado de esfalerita, pasante malla 200 Tyler. f) concentrado de esfalerita,
pasante malla -325 Tyler. CPy: calcopirita, SPy: Esfalerita, Gn: Galena, Ca: Calcio, Arg: arganonito, Qz: cuarzo, Mo: molibdenita, W:
wollastonita, Cl: clorita, Ja: jarosita, CuS: covelita.
53
2.1. Análisis mineralógicos mediante SEM/EDS
A través de esta técnica se observaron cualitativamente los cambios morfológicos del sólido. La
figura 3, muestra las imágenes de SEM para la biolixiviación de calcopirita correspondiente al día
cinco, quince y treinta del proceso, para los tamaños de partícula malla -200 Tyler (izquierda) y malla -
325 Tyler (derecha). En la figura 3 A, B, G y H, correspondientes al día cinco, se aprecian granos de
calcopirita conservando algunos bordes definidos y evidencias de oxidación mostradas por golfos, pits
y surcos de corrosión (figura 3 A y H). Se puede ver también la formación insipiente de una película,
no continua, alrededor de granos de calcopirita, (figura 3 B, C y L). El tamaño de partícula -malla 325,
mostró las mismas características que -malla 200, además de la formación de pequeños aglomerados de
jarosita de forma y tamaño irregular (figura 3 G). Luego de quince días de proceso, los granos de
calcopirita mostraron mayor estado de deterioro (Figura 3 C, D, I e J), los aglomerados irregulares de
jarosita formados son de mayor tamaño y contienen pequeños granos de calcopirita (Figura 3 D y J),
además se observaron mayor cantidad de granos recubiertos parcialmente de una película no continua
de jarosita. Para el final del proceso el panorama es similar al observado en el día 15 (Figura 3 E, F, K
y L). La caracterización de EDX de los agregados formados arrojó S, O y Fe, donde el radio atómico
Fe:S fue 2,92:0,96 sugiriendo que estos agregados son principalmente jarositas con pequeños granos de
calcopirita. Los controles abióticos no presentaron cambios aparente a lo largo de todo el proceso,
como se puede apreciar en la figura 4.
Figura 3. Imágenes de SEM modo de electrones retro proyectados (BSE) para granos de calcopirita sometidos a la acción bacteriana,
izquierda: pasante malla -200 Tyler y derecha: pasante malla -325 Tyler para los días 5, 15 y 30 del proceso. Las flechas en las figuras B,
C y L indican formación de una película de jarosita y en las figuras D, J y K indican pequeños granos de calcopirita aglomerados en una
matriz de jarosita.
.
Figura 4. Imágenes de SEM modo de electrones retro proyectados (BSE) para los controles abióticos de calcopirita luego de 30 del
proceso.
54
La figura 5 muestra imágenes de SEM para los ensayos realizados con esfalerita correspondientes al
día cinco, quince y treinta del proceso, para los tamaños de partícula malla -200 (izquierda) y malla -
325 (derecha). A partir de los análisis microquímicos, se pudo constatar que el Fe en la esfalerita se
encuentra en promedio 1,92 % en peso. Para los cinco primeros días del proceso, se pudo observar que
en ambos tipos de sustrato la oxidación es aún muy insipiente pues, como puede verse en la figura 5
(A, B, G y H), sólo se observan algunos golfos de corrosión, estando la mayoría de los granos con sus
bordes bien definidos. Luego de 15 días del proceso, se empezó a ver algunos rasgos de oxidación un
poco más marcados, evidenciándose mediante la aparición de golfos de corrosión más pronunciados y
bordes más irregulares (Figura 5 C, D, I y J). Además se pudo observar la liberación de granos de
calcopirita contenidos en la esfalerita (figura 5 D e I). Al final del proceso se evidenció la oxidación de
los sulfuros, la presencia de más granos de esfalerita con surcos irregulares, desde los bordes hacia el
centro, y de bordes corroídos, figura 5 (E, F, K y L). Además, fue posible detectar un aumento en las
concentraciones de Zn en solución (datos no mostrados).
Los análisis realizados por SEM/EDS no evidencian la formación de películas alrededor de los
granos de esfalerita. Las imágenes muestran la oxidación activa y preferencial de la esfalerita en
relación a la calcopirita, ya que los granos de este mineral (calcopirita) contenidos en la esfalerita no
muestran cambios aparentes durante el proceso, figura 5 (D e I). En la figura 6, se pueden observar los
cambios en los controles abióticos, donde los granos de esfalerita muestran un pequeño deterioro,
evidenciado por pequeños pits y surcos de oxidación, a partir del día quince del proceso, los cuales se
mantienen sin alteración aparente hasta el día treinta.
Figura 5. Imágenes de SEM modo de electrones retro proyectados (BSE) para granos de esfalerita sometidos a la acción bacteriana,
izquierda: pasante malla -200 Tyler y derecha: pasante malla -325 Tyler para los días 5, 15 y 30 del proceso. Las flechas indican granos
de calcopirita en una matriz de esfalerita.
Figura 6. Imágenes de SEM modo de electrones retro proyectados (BSE) para los controles abióticos de esfalerita. Para el día 30 del
proceso.
55
En la figura 7, se pueden observar imágenes de SEM para la biolixiviación de galena,
correspondientes al día cinco, quince y treinta del proceso, para los tamaños de partícula malla -200
(izquierda) y malla -325 (derecha). Los análisis de SEM/EDS, para los cinco primeros días del proceso,
figura 7 (A, B, G y H), mostraron granos de galena con estado de oxidación incipiente para ambos
tamaños, evidenciado por pequeños pits y surcos de oxidación, además de la formación de precipitados
aciculares de anglesita (PbSO4). En el día quince se pudo observar, para ambos tipos de sustrato,
anglesita recubriendo granos anedrales y subedrales de galena, en forma de una película aparentemente
porosa, figura 7 (C e I). Además, se observó mayor cantidad de precipitados aciculares de anglesita, así
como granos individuales de cuarzo y pirita sin oxidación aparente. En la figura 7C y F, se apreció la
oxidación preferencial de la galena sobre la pirita, donde en ambos granos en contacto, la galena
mostró un grano subedrales recubierto por una capa porosa de anglesita, mientras que la pirita no
presentó indicios de oxidación. Al final de proceso el panorama fue muy similar al mostrado hacia el
día quince, sin embargo se apreciaron mayor cantidad de precipitados de anglesita, así como granos de
galena con mayor deterioro recubiertos por una película de anglesita, figura 7 (E, F, K y L). En la
figura 8, se observa que los granos de galena, correspondiente a los controles abióticos, presentan
oxidación incipiente desde el día 15 del proceso, la cual parece estar preferiblemente dada en los planos
de clivaje. Además se observan granos de pirita y cuarzo sin aparente estado de oxidación.
Figura 7. Imágenes de SEM modo de electrones retro proyectados (BSE) para granos de galena sometidos a la acción bacteriana,
izquierda: pasante malla 200 Tyler y derecha: pasante malla 325 Tyler para los días 5, 15 y 30 del proceso.
Figura 8. Imágenes de SEM modo de electrones retro proyectados (BSE) para los controles abióticos de galena.
Para el día 30 del proceso.
56
3.2. Análisis mineralógico mediante difracción de rayos X (DRX)
Los análisis de difracción de rayos X para el ensayo realizado con calcopirita se pueden observar en
la figura 9. El análisis fue netamente cualitativo, en general para todos los ensayos se observó una
disminución gradual en la intensidad de los picos de calcopirita, a expensas de la formación de jarosita
a lo largo del proceso.
Los análisis de difracción de rayos X para la biolixiviación de esfalerita, netamente cualitativos, para
los días 5, 15 y 30, mostraron la disminución gradual de la intensidad en los picos de esfalerita y la
formación de yeso, para todos los ensayos. Además se observó que la intensidad de los picos de
calcopirita es prácticamente invariante a lo largo del proceso, (figura 10).
Figura 9. Difractogramas de rayos X (DRX) luego del proceso de biolixiviación de calcopirita. Donde a). pasante malla 200 Tyler para
Acidithiobacillus ferrooxidans. b). pasante malla 325 Tyler para Acidithiobacillus ferrooxidans. c). pasante malla 200 Tyler para cultivo
mixto. d). pasante malla 325 Tyler para cultivo mixto. CPy: calcopirita, Qz: cuarzo, Mo: molibdenita, W: wollastonita, Cl: clorita, J:
jarosita, Cv: covelita.
57
Figura 10. Difractogramas de rayos X (DRX) luego del proceso de biolixiviación de esfalerita Donde a). pasante malla 200 Tyler para
Acidithiobacillus ferrooxidans. b). pasante malla 325 Tyler para Acidithiobacillus ferrooxidans. c). pasante malla 200 Tyler para cultivo
mixto. d). pasante malla 325 Tyler para cultivo mixto. CPy: calcopirita, ZnS: esfalerita, Gy: yeso, Qz: cuarzo, Th: toyleita.
Los análisis netamente cualitativos, de difracción de rayos X para las muestras obtenidas en los
ensayos de biolixiviación de galena (figura 11), evidenciaron la formación de anglesita a expensas de la
galena. Hacia el día cinco del proceso se observó pocas cantidades de anglesita. Para el día quince, la
intensidad de los picos de anglesita aumentó considerablemente y al final de proceso los picos de
galena presentaron baja intensidad. Es importante anotar que en los ensayos con tamaño de partícula
malla -325 Tyler se ve formación de anglesita desde el día cinco del proceso.
58
Figura 11. Difractogramas de rayos X (DRX) luego del proceso de biolixiviación de galena. Donde a) pasante malla 200 Tyler para
Acidithiobacillus ferrooxidans. b). pasante malla 325 Tyler para Acidithiobacillus ferrooxidans. c). pasante malla 200 Tyler para cultivo
mixto. d). pasante malla 325 Tyler para cultivo mixto. Gn: galena, Spy: esfalerita, Ang: anglesita, Qz: cuarzo.
2. Discusión y conclusiones.
Los productos de oxidación generados en la lixiviación asistida por bacterias, sin adición de fuente
de energía, fueron diferentes para los tres sulfuros al igual que las fases formadas a raíz del proceso. En
el caso de la calcopirita, fueron encontrados básicamente sulfatos de hierro, principalmente jarosita. El
proceso de biolixiviación de esfalerita no presentó la formación de nuevas fases, sin embargo se pudo
observar la formación de yeso, debida a la neutralización de carbonatos presentes en el concentrado
inicial. Para el caso de la galena se encontró la formación de un sulfato de plomo, anglesita. Por otro
lado, cambios morfológicos y texturales tanto en el mineral como en las nuevas fases formadas fueron
evidenciados.
El aumento progresivo en las concentraciones de los metales de interés y del hierro total en solución
durante todo el proceso (datos no mostrados), se vio evidenciado en las partículas de los diferentes
sulfuros, figura. 1, 3, 5 con la generación de golfos y pits de corrosión.
59
La calcopirita mostró la formación de películas recubriendo parcialmente los granos, sin evitar por
ello la salida de cobre y hierro total, aunque disminuyendo en gran medida la velocidad de disolución
de estos iones. La formación de jarosita en el proceso de biolixiviación de calcopirita ha sido reportada
por varios autores, los cuales han encontrado que está directamente vinculada con la pasivación de la
calcopirita (Dutrizac 1981, Yin et al., 1995, Hackl et al., 1995, Gómez et al., 1996, Bevilaqua et al.,
2002, Parker et al., 2003, Mikhlin et al., 2004, Harmer & Nesbitt., 2006, Cordoba et al., 2008, Klauber
2008, Sasaki et al., 2009). La naturaleza pasivante de las jarositas está de acuerdo con los datos
termodinámicos reportados por Barón &Palmer (1996) para la disolución de jarosita a 25ºC, dada por
la ecuación (1), donde el producto de solubilidad, Kps, es igual 10-11
± 0.3 y la energía libre de
formación, ΔG°, es - 3309,8 ± 4 kJ mol-1
, estos valores indican la baja solubilidad y estabilidad de las
jarositas bajo estas condiciones.
2Fe3+
+ A+ + 2SO4
2- + Fe(OH)3 + 3H2O ↔ A[Fe3(SO4)2(OH)6] + 3H
+ (1)
Donde A puede ser NH4+, K
+, Mg
2+, H3O
+ entre otros, la formación de jarositas se inicia por la
presencia de un agente activador, en general Fe(OH)3, el cual es generado por la hidrólisis del hierro
férrico, como se puede ver en la ecuación 1 (Casas & Carrasco, 1999). Se ha encontrado además que la
velocidad de precipitación de jarositas de acuerdo con los cationes presentes en solución es: K+
> (Na+,
NH4+) >> H
+ (Casas & Carrasco, 1999). La formación de jarosita fue más marcada a partir del día 15,
la cual se debe a una alta concentración de Fe3+
en solución, mayor al límite de solubilidad del hierro
~6000 ppm (datos no mostrados), favoreciendo de este modo la hidrólisis del hierro férrico y
generando así la formación y precipitación de jarosita. Por otro lado, mediante análisis de SEM, se
observó la formación de películas que recubren parcialmente los granos, además aglomerados de
jarosita con inclusiones de pequeños granos de calcopirita, generando una barrera para el trasporte de
electrones y de iones al mineral. Los análisis de DRX permitieron confirmar que la nueva fase formada,
evidenciada desde el día cinco del proceso para los ensayos con tamaño de partícula malla -325, debido
a la mayor área superficial, y consecuentemente mayor reactividad de las partículas. Sin embargo, se ha
demostrado en diversos estudios (Zapata 2007) que la identificación de este tipo de compuestos es
complicado, debido a la similitud de los patrones, DRX, de amoniojarosita y potasiojarosita. La
preferencia del K+ por los otros iones en la formación de jarosita puede generar que la formación de
amoniojarosita en el sistema se dio posterior a la formación de potasiojarosita.
En investigaciones sobre lixiviación de esfalerita (Da silva et al., 2003, Rodríguez et al., 2003,
Deveci, 2004, Xia et al., 2008, Zapata et al., 2007, Wang et al., 2007, Haghshenas et al., 2009) han
encontrado que la formación de una capa de azufre elemental, sobre granos del mineral, es un factor
importante en la cinética de disolución, debido a que ésta genera una barrera que impide el contacto
entre la superficie del mineral y la solución lixiviante. Sin embargo, en este trabajo no se evidenció la
formación de películas de azufre elemental.
Es importante anotar que la biolixiviación de esfalerita, con adición de sulfato ferroso, genera
azufre elemental según las ecuaciones (2) a (4), donde se aprecia que la adición de sulfato ferroso
favorece su formación de azufre elemental (Boon et al., 1998, Lizama et al., 2003, Da Silva et al.,
2003, Sampson et al., 2005, Mousavi et al., 2006, Adelson et al., 2007).
2FeSO4 + H2SO4 + 1/2O2 bacteria
→ Fe2(SO4)3+ H2O (2)
ZnS + Fe2(SO4)3 →ZnSO4 + S° + 2FeSO4 (3)
S° + H2O + 3/2O2 bacteria
→ H2SO4 (4)
60
En este trabajo, la ausencia de películas de azufre sobre los granos de esfalerita y de agregados
individuales (figura 5), puede deberse a que sin la presencia de sulfato ferroso, no se favorece la
formación de éste. De otro lado, de la ecuación (4), se observa que las bacterias catalizan la formación
de ácido sulfúrico a partir de azufre elemental (Fowler & Crundwell, 1999, Crundwell, 2003, Souza et
al., 2007), lo cual puede disminuir la presencia de éste en el proceso. De otro lado, Zapata et al (2007)
encontró que largos periodos de adaptación favorecen la disminución en la formación de películas de
azufre elemental en los procesos de biolixiviación, indicando aparentemente la buena adaptación de los
microorganismo al mineral.
Por otra parte, la formación de jarosita fue solo evidenciada mediante análisis de SEM/EDS, en
pocas cantidades como pequeños agregados aislados. Esto puede deberse a que la cantidad de hierro en
solución no superó los 4000 ppm (datos no mostrados), por lo cual la hidrólisis de hierro no fue
favorecida (Xia et al., 2008).
Garcia et al, (1995) y Da Silva (2004) encontraron que la biolixiviación de galena se ve disminuida
por la formación de una capa porosa de sulfato de plomo y azufre elemental sobre la superficie del
mineral, estos resultados concuerdan con los encontrados en este estudio, donde la formación de una
película de anglesita es evidente a partir del día quince para todos los ensayos. Sin embargo, no se
observó la formación de azufre. También se pudo observar indicios de oxidación incipiente en los
ensayos no inoculados, lo cual puede explicarse ya que en medio ácido la galena se disuelve como
resultado de la protonación de la superficie del mineral, explicado según la siguiente ecuación
(Pashkov et al., 2002, Gerson & O‘Dea, 2003, Camma et al., 2005, Acero et al., 2007):
PbS + H+ → Pb
2+ + H2S (5)
Sin embargo, no se observaron la formación de precipitados de anglesita ni estados de oxidación
altos en los granos del mineral (figura. 8).
En los ensayos inoculados se pudo observar la formación de anglesita y avanzado estado de
oxidación en los granos del mineral, dando indicios de una buena actividad bacteriana ya que los
microorganismos tienen la habilidad de oxidar el H2S producido por la oxidación en medio ácido,
generando azufre elemental y agua el cual a su vez también es susceptible de la oxidación bacteriana
generando sulfatos y H+. De esta forma, el H
+ producido ataca nuevamente al mineral generando H2S,
mostrándose de este modo un ciclo, debido al cual la oxidación en los medios inoculados fue más
marcada.
2H2S + O2 bacteria
→ 2S + 2H2O (6)
2S + 2H2O +3O2 bacteria
→ 2SO42-
+ 4H+ (7)
De otro lado, los análisis mineralógicos mostraron el efecto pasivante que tiene la galena sobre la
pirita, figura 7 (J y F), debido a que cuando dos o más sulfuros entran en contacto forman una celda
galvánica donde la pirita con mayor potencial de reposo, 0,63 mV, actúa como cátodo, siendo
galvánicamente protegida mientras que la galena con menor potencial de reposo, 0,28 mV, actúa como
ánodo y su disolución es favorecida a través de la interacción. También se observó el efecto pasivante
de la esfalerita sobre la calcopirita, figura 5 (D e I), donde en este caso la calcopirita con un mayor
potencial de reposo (0,52 mV), se pasiva, mientras que para la esfalerita con potencial de reposo menor
(-0.24 mV), se ve favorecida la disolución (Holmes & Crundwell 1995, Das et al., 1999, Da silva et
al., 2003, Cruz et al., 2005, Urbano et al., 2007).
La presencia de patrones de oxidación en la superficie de los minerales en forma de surcos, canales
o caminos, no puede ser interpretada como el producto de reacciones que ocurren entre las células
61
adheridas y la superficie del sulfuro, ya que estos patrones, aunque en muy poca cantidad, también se
presentan en los controles abióticos (figuras 4, 6, 8). Dichos patrones de corrosión han sido
identificados sobre pirita, con formas y dimensiones celulares correlacionados con la actividad
bacteriana, en donde sustancias poliméricas extracelulares ―EPS‖ que recubren la bacteria, facilitan el
aumento de las reacciones de oxidación en la interface mineral-bacteria, generando los pits observados
(Tributsch Rojas-Chapana, 2004; Sand et al., 1995).
En este trabajo, las texturas de corrosión en forma de canales observadas en los sulfuros,
principalmente en la galena, se asemejan a aquellas reportadas por Bennet y Tributsch (1978) sobre
cristales sintéticos de pirita oxidados en presencia de Acidithiobacillus ferrooxidans, adaptados a este
mineral durante dos años. Tal y como lo explican estos autores, con base en las mediciones de los
diferentes estados de desarrollo de los pits, dichos surcos o canales inician con la formación de cadenas
conformadas por pequeños pits en forma de bastones y los canales son el producto de una oxidación
posterior, intensificada químicamente a lo largo de las cadenas. Algunos de los surcos de oxidación
presentes pueden coincidir con planos de clivaje en el mineral, lo que sería el resultado de la oxidación
a lo largo de zonas que son potencialmente más favorables, siendo químicamente más reactivas, al
tener una energía superficial más elevada y por lo tanto, son más fácilmente oxidadas.
El hecho de observar que dichos surcos presenten anchos que en general no superan las 2μm y que
sus contornos son suaves, ha llevado a muchos investigadores a pensar en un ataque directo por las
bacterias. Sin embargo, los resultados obtenidos por Katrina et al. (2001) mostraron que, aun en
controles abióticos y en presencia de Fe3+
, se dio la formación de pits de disolución con formas de
bastones y de medidas similares a las células de Acidithiobacillus ferrooxidans. Además, Bennet y
Tributsch (1978), concluyen que la formación de estos pits se debe a características intrínsecas o
heredadas del mineral y no necesariamente está relacionado con la actividad de las células adheridas, lo
que concuerda con lo observado en este trabajo.
Agradecimientos.
Los autores agradecen al Programa de Biotecnología de COLCIENCIAS, a los laboratorios de
Biomineralogía, CIMEX, Preparación de Rocas y Carbones de la Universidad Nacional de Colombia,
Sede Medellín, al laboratorio de INGEOMINAS, Medellín, I.C. Cardona de la Universidad de West
Virgina, USA, por sus comentarios. ALM agradece al CODI, de la Universidad de Antioquia.
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