Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 2, N." 1, 1982

Obtención de Cobre por Hidrometalurgia de Sulfuros

Jorge Avella Salcedo y Clemente Retamoso RodríguezCentro de Investigaciones Mineras y Facultad de Ciencias Físico Químicas, Universidad Industrial de SantanderApartado Aéreo 678, Bucaramanga, Colombia.' ,

En este trabajo se estudiaron experimentalmente los faclores que alectan la obtención del cobre de la calcopirita por hidrome-talurgia. Los resultados experimentales parecen indicar que el proceso se puede describir, hasta una relación en peso decloruro férrico a calcopirita de 3.1, por medio de un mecanismo combinado de transferencia de masa y pérdida de volumen dela partícula que se está lixiviando.

Production of Copper by Hydrometallurgical Process of SulphldesExperimental study on the lactors which affect the obtention 01copper Irom the chalcopyrite by hydrometallurgical orocess hasbeen carried out. The experimental results 01 the process could be described in terms 01 a combined mechanism 01 masstransler and volume 105s 01 the particlas being leached, up to the weight ratio 01 3.1 between the lerric chloride and thechalcopyrite.

1. INTRODUCCION

El cobre se ha obtenido de sus minerales tradicional-mente por métodos pirometalúrgicos que presentan elinconveniente de la contaminación ambiental ocasio-nada por el desprendimiento de gases sulfurosos.

Las condiciones tecnológicas de un país de medianodesarrollo económico hacen que el estudio de procesosaplicables directamente al sector industrial sea una desus necesidades más apremiantes.

Los procesos de obtención del cobre de la calcopiri-ta por medio de hidrometalurgia pueden resultar máseconómicos que los basados en pirometalurgia porqueson, en general, menos exigentes energéticamente ydejan una mayor gama de subproductos aprovecha-bles.

Las razones anteriormente expuestas condujeron aformular un trabajo de estudio de los factores queafectan la obtención del cobre de la calcopirita por hi-drometalurgia.

La parte de este estudio que se presenta en este in-forme trata la determinación experimental de las rela-ciones que existen entre los diferentes parámetros queafectan la disolución de los concentrados de calcopiritaexistentes en Colombia provenientes de las regiones deAntioquía, Tolima, Nariño y Santander, en un medioparticularmente fuerte como el formado por las solu-ciones de cloruro férrico concentrados.

El objetivo final de estos trabajos es conseguir unainformación que permita el diseño de procesos de be-neficio adaptables a las calcopiritas colombianas.

2. MODELO MATEMA TICODE LA LIXIVIACION DE UN LOTEDE CALCOPIRIT A

En la presentación que sigue se entiende por lixivia-ción de un lote de calcopirita el proceso mediante elcual una masa conocida de mineral se pone en contac-to. durante cierto tiempo, con una solución que contie-ne un agente que extrae preferentemente alguno o al-gunos de los componentes del mineral.

La lixiviación de un mineral por medio de una solu-ción es un problema que se puede representar mate-máticamente después de hacer una serie de suposicio-nes que en principio, pueden parecer muy restrictivas,pero que al final, brindan una buena posibilidad depredecir el proceso de extracción.

La variación de la masa de mineral sometida a lixi-

xiviación con respecto al tiempo dM , generalmen-dt

te se relaciona con otras variables del proceso en lasiguiente forma:

dMdt (2.1)

En la ecuación (2.1) M es la masa total de mineralsólido que se está extrayendo en el lote o cachada; t esel tiempo, Ap, es la superficie geométrica del sólidodonde se suponen actúan los centros activos para lareacción, (FeCl3) es la concentración del agente lixi-vi ante y k es un factor que representa la mayor o me-nor resistencia a la disolución. Cuando la reacción nodeja un residuo sólido resistente a la difusión de reacti-vos y productos k es constante, si la temperatura per-manece constante; cuando la reacción deja un residuosólido resistente a la difusión k puede resultar inversa-mente proporcional al espesor de la costra sólida for-mada. En este trabajo se va a desarrollar el modelo dela lixiviación considerando k relacionada con el espe-sor de la costra sólida residual en la siguiente forma:

(2.2)

Donde r., es el radio inicial de la partícula y r es elradio del núcleo de la partícula que aún no ha reaccio- .nado en un tiempo t.

La ecuación (2.1) es la base del modelo de la lixivia-ción después de ser modificada en una forma que seaintegrable lo cual se logra por medio de consideracio-

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nes estiquiométricas y geométricas. Para refinar la es-tequiometría, la reacción Cu FeS2 + 3FeCI3 = CuCl +4FeCl2 + 2 S, se puede hacer consistente con la com-posición del mineral empleado en este trabajo.

CuFe 690 SI'561 + 2.38 FeCl3 =

CuCI + 3.07 FeCl~ + 1.561 S

Las relaciones gravimétricas implícitas en la ecua-ción anterior son respectivamente:

(151.37) + (386.08) = (99.00) + (389.17) + (49.28)

Las cantidades en paréntesis representan las relacio-nes gravimétricas resultantes de la reacción adaptada(2.3).

Para usar variables con significado en el proceso delixiviación se emplea el término fracción de cobre re-cuperado, que bajo el supuesto que toda la cantidadde mineral disuelto es Caicopirita y teniendo en cuentala fracción de ganga que en el mineral estudiado es el20 %, se puede definir en concordancia con la ecua-ción (2.3) así:

x = -,M,?o;,..-~Mc-=-0.8 Mo

Diferenciando la ecuación (2.4) con respecto altiempo resulta:

dx0.8 Mo dt =

dM---dt

La superficie Ap que aparece en la ecuación (2.1) sepuede suponer que es la superficie correspondiente alnúcleo no afectado por la reacción de la partícula demineral multiplicada por el número de partículas. Laspartículas de mineral se consideran esféricas y de igualdiámetro. Así:

Número de partículas, Np:

MNp = o4 3 P3ro M

En la ecuación (2.6) [o es el radio promedio de laspartículas inicialmente y PM es la densidad del mine-ral.

En cualquier momento t el radio de una partículaserá:

(3M ) 1/3r = N

4 No PM

Donde MN, la masa del núcleo sin reaccionar, es:MN = M¿ (1 - x) ó , empleando la definición de frac-ción de cobre recuperada:

I/gr = ~=:-3-,:M~o,-- (1 - x)I/.'

4 No PM

r = r., (l - x) 1/3 (2.8)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

Por consiguiente:

Ap = No 4 r~ (1 - x)2/3

A = A (1 - X)2/3p p" (2.9)

También sabiendo que:

ro - r = ro - ro (1 - x)1/3

j ¡,r¿ - r = r¿ [1 - (1 - x) l.']

Se encuentra lo siguientes:

k =. k¡k] + k3 [1 - (1 - x) 1/3]

(2.10)

(2.11)

De acuerdo con la ecuación (2.3) resulta que la Cal-copirita y el cloruro férrico reaccionan en la propor-ción 151.37 : 386.08, aplicando esta proporción al pro-ceso de lixiviación se obtiene:

151.37386.08

~(2.12)2.55

Como la masa de líquido aumenta en la cantidadCMo - M) x 102.08 el volumen de la solución lixi-

151.37vi ante cambia con respecto al volumen inicial Vo en lasiguiente forma:

v = V + (Mo - M) 102.08o 1"0 151.37 (2.13)

En la ecuación (2.13) Po es un parámetro relaciona-do con la densidad de la solución y con los cambios devolumen de la mezcla con la composición. En este casono se consideró necesario desarrollar más esta ecua-ción y se tomó Po constante, en primera instancia. To-mando la ecuación (2.12) e introduciendo x en ella re-sulta:

(FeCl3) Vo -2.55 x 0.8 x (2.14)

Yo + 0.539 ~o xo

Con los resultados obtenidos en (2.5), (2.9), (2.11) Y

(2.15) en (2.1) y llamando R, a la relación (F;~13~: o

se obtiene:

donde k' I = 0.8 M, k ,La ecuación (2.15) es, hipotéticarnente , representa-

tiva de la lixiviación de un lote de Calcopirita en cloru-ro férrico concentrado.

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En aquellos casos en que se puede considerar

Ro »2.55 x y Yo » 0.539 ( Mo ) x.Po

Entonces:

(2.16)

que es el conocido comportamiento parabólico. Final-mente si k2 » k3, entonces:

dxdt

que es el comportamiento lineal.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se hicieron estudios de mineral concentrado, prove-niente de las zonas mineras de Ibagué y Medellín y delas regiones de Vélez, concentrado en la UIS.

Para cada ensayo se tomaron muestras de 10 g demineral. Cada uno de estos se llevaron al reactor expe-rimental donde se pusieron en contacto con la soluciónlixiviante, compuesta por 30 cc de agua y el resto decomponentes necesarios para la reacción.

El reactor experimental fue un balón de vidrio detres bocas. En la abertura central se colocó un conden-sador con refrigerante para evitar la evaporación de lasolución lixiviante. En una de las salidas laterales seintrodujo un termómetro; éste sirvió para observar íasvariaciones de temperatura que ocurrían en el reactor,y ordenar los ajustes necesarios para su control en elnivel deseado.

La otra salida se usó para extraer el volumen de so-lución, que se sometió a análisis para hallar la cantidadde cobre disuelto hasta el momento de tomar la mues-tra. Para el análisis se utilizó el método de yodo me tríacuantitativo [6].

Este método es ampliamente usado y recomendadopara este tipo de pruebas.

La agitación se realizó por medio de un agitadormagnético, el cual posee una placa de calentamiento.Cada muestra fue sometida a lixiviación y durante eltranscurso de la prueba se siguió el comportamiento delas variables que de antemano se supuso tienen unefecto más marcado en la rata de disolución de con-centrado de calcopirita. Las variables estudiadas fue-ron:

La relación en peso de cloruro férrico a calcopirita,la temperatura, el tiempo y el PM de la solución.

Para el control de temperatura se usó un reguladorque permitió mantener esta variable en un valor acep-table fijo.

Se consideró que la granulometría después de la flo-tación era adecuada para caracterizar mejor la lixivia-ción por lo cual se siguieron las técnicas que indica lagranulometría para estos casos.

El concentrado usado presentó una composiciónpromedio que en elementos se puede expresar comoCu, 33 %; Fe, 20 %; S, 26 %; Mo, 0.29 %; Ag. 2.5 %g/Ton , y Am, 0.4 % g/Ton y en minerales principalescomo calcopirita (60 %, Bornita (10 %), sílice (12 %)

y Pirita (10 %). Estos promedios son representativostanto de los minerales concentrados de Santander co-mo de los de Antioquia.

4. RESULTADOS EXPERIMENTALESy DISCUSION

4.1. Relación de peso

De acuerdo con la estequiometría de la reacción quecontrola el proceso de lixiviación, ya presentada antes,entre la calcopirita y el cloruro de hierro, se requierecomo mínimo 2.7 partes de cloruro férrico en peso porcada parte de calcopirita. Sin embargo, para hacer unbalance real de esta variable, se hicieron varias prue-bas con diferentes relaciones. Los resultados se mues-tran en la tabla l.

TABLA 1

Porcentaje de recuperación de cobre para diferentesrelaciones en peso de cloruro de hierro a calcopirita

a 1090 C

Relación(FeCh) O mino 30 mino 60 mino 120 mino Máx.

(CuFeS2)

l.6 O 54 55 56 0.592.1 O 65 66 68 0.782.7 O 70 81 96 l.003.1 O 75 86 99 1.004.l. O 77 90 99 1.00

Estos resultados se muestran también en la figura 1.Un análisis de los resultados permite concluir que noes necesario agregar reactivo en exceso para compen-sar el consumo extra ocasionado por otras reaccionesdiferentes a la principal. Resulta evidente, analizandola gráfica que la relación 4.1 permite mejores recupe-raciones a tiempo más corto, pero a un mayor costopor exceso de reactivo. Este hecho, no es justificableeconómicamente si se tiene en cuenta que la relaciónde 3.1 permite alcanzar valores relativamente idénti-cos, a los obtenidos en la relación mayor.

Puede concluirse que la relación 3.1 es la mejor y seajusta a las necesidades y objetivos del proceso. Losdatos cinéticos se adaptan bien al mecanismo propues-to anteriormente en el cual la transferencia de masa, lareacción o la adsorción superficial y la resistencia de lacostra formada son los factores más importantes .

. A nivel industrial probablemente la relación puedeajustarse dentro del rango 2.7 Y 3.1 dependiendo deléxito de la operación del control ejercido sobre las de-más variables.

4.2. Temperatura

La temperatura es una de las variables más impor-tantes en este tipo de lixiviaciones. Su control debeser estricto debido a que variaciones relativamente pe-queñas, ocasionan cambios fundamentales en la cinéti-ea del proceso. Se puede tener una .idea aceptable del

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FRACCION, EN PESO DE COBRE CONVERTIDO

l.

Ro~4.1

.9

.B

.7

.6

·5

.4

.3

.2

o

Re = 2.1

Re~1.6

T= 109 ecRe e " LA RELAClON ~. EN PESO

I N le 1A L Cu Fe Sz

.1LAS LlNEAS SOUDAS SIGU E N LA ECUACION:

dx = 0.02 (,- X fl3 (Re- 2.7X)dI

o 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 IZO

Fig. 1. Fracción de cobre recuperado contra tiempo.

efecto de la temperatura si se constata que la reacciónestudiada no produce rendimiento a bajas temperatu-ras o cercanas a la ambiental.

El efecto de temperatura se estudió lixiviando con-centrados con las relaciones cloruro de hierro a calco-pirita considerado como las más eficaces y variando elcontenido de MCl de la solución lixiviante.

De esta manera se logró determinar la mejor tempe-ratura para la reacción y por lo tanto la que permitealcanzar una mayor recuperación.

La tabla 2 que se presenta a continuación permiteconocer los factores que influyen en la temperaturaóptima de recuperación.

TABLA 2Efecto de la temperatura en la lixiviación para 120

mino de proceso

Relación % recup,( FeCb) % HCI rc 120 mino

CuFeS2

3,1 S SO LV3,1 10 75 SO2.7 S 104 863,1 S 106 932,7 10 109 953,1 10 109 99

El mejor porcentaje de recuperación. se halló a latemperatura de 1090 C, como puede apreciarse en latabla 3 en mayor detalle.

TIEMPO EN MINUTOS

La dependencia con la temperatura también pare-ce indicar que en esta lixiviación la transferencia demasa es la limitante del proceso. Si las relaciones su-perficiales fueran las dominantes se debería observarun aumento más pronunciado del porcentaje de recu-peración con la temperatura.

Tiempo de lixiviaciári

Esta es una de las variables muy importantes en to-do proceso que se desea llevar a la práctica, ya que desu control depende en gran parte el que un proceso deeste tipo sea económicamente viable.

De los resultados anteriormente reportados puedededucirse el efecto de esta variable, sin embargo, serealizaron otra serie de prácticas, aplicando las condi-ciones óptimas hasta aquí logradas. En la tabla 4 sedan los valores obtenidos en las lixiviaciones realizadasa 1090 C. Como puede apreciarse en la figura 1 el pro-ceso cinético parece ajustarse bastante bien a un meca-nismo de difusión con pérdida parcial de volumen dela partícula que se esté disolviendo. La ley de rata ob-tenida se puede expresar por medio de la ecuación.

~~ = 0,02 (min-I) (1 - x)2/3 (R¿ - 2,7 x). (4.1)

Las líneas sólidas de la figura 1 corresponden a laintegración numérica por el método de Srrnpson de laecuación anterior. La poca correspondencia de la líneaR¿ = 4.1 con los puntos experimentales parece indicarla influencia de otro proceso que aparenta competircon la transferencia de masa, posiblemente las etapas

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de adsorción-desorción. Aparentemente, la costra desólido formada no limita, para estos minerales, en granmedida la disolución del cobre.

TABLA 3

Efecto de la temperatura en la lixiviación paradiferentes tiempos de proceso

Relación

( FeCl~ )CuFeS2

rc Tiempo mino % de recup.

3.1 50 o306090

120O

306090

120

o13.515.518.520.0

O35.043.047.550.0

3.1 75

Relación( FeCI3 ) TO C Tiempo mino % de recup.

CuFeS2

2.7 104 O O30 69.060 78.090 83.0

120 85.0

Relación( FeCI3 ) TO C Tiempo mino % de ecup.

CuFeS2

3.1 109 O O30 78.060 89.090 95.0

120 99.0

TABLA 4

Efecto del tiempo en la Iixiviación manteniendo latemperatura a 1090 C

FeCl3 = 2.7CuFeSz

FeCl3 = 3.1CuFeSz

Tiempo minutos % recuperación % recuperación

o O20 6140 7360 8280 89

100 93120 96

O7586.692.094.997.099.0

La constante de rata representa el promedio obteni-do para las diferentes corridas efectuadas en este tra-bajo. En la figura 1 se puede notar que aparte del casomencionado para R¿ = 4. L la coincidencia entre laecuación propuesta y los resultados experimentales esbastante buena.

4.3. Variación de pH

La reacción debe realizarse en medio ácido para evi-tar la hidrólisis de las sales de hierro y la formación decompuestos de azufre.

Se estimó que un pH inicial de 3 era apropiado parala reacción necesitándose que la solución permanecieraácida durante el transcurso de ella.

Durante las experiencias ejecutadas el pH inicial dela solución fue de 3 descendiendo paulatinamente, has-ta llegar al tope mínimo de 1. Se consideró entoncesque un PM inicial de 3 es conveniente para el desarro-llo de la reacción.

4.4. Cementación del cobre con hierro

Para la cementación se utilizó el mismo reactor quese empleó en el ensayo de lixiviación. El reactor seintrodujo en un aparato al baño de maría para podercontrolar mejor la temperatura. Como elemento ce-mentante se utilizó viruta de hierro, proveniente delmaquinado de acero.

A la solución se le inyectó nitrógeno durante el cur-so del proceso para prevenir la oxidación del cobre ce-mentado.

Las reacciones principales que controlan la cementa-ción fueron dadas por Nadkarni [7] y se enunciaronanteriormente.

A continuación se enumeran las principales observa-ciones realizadas:

El consumo de hierro, está relacionado con la canti-dad de ion férrico en solución. La acidez de la soluciónse debe controlar debido a que influye en el exceso deconsumo de hierro.

El consumo de hierro ideal es aproximadamente 0.7partes por cada parte de cobre recuperado, pero gene-ralmente se consume un 30 % de exceso. Se hicieronensayos a temperaturas ambientes y 600 C Y los resul-tados obtenidos fueron casi idénticos tal como puedeobservar en la tabla 5. Recuperándose el 97 % de co-bre de las soluciones.

TABLA 5Efecto de la temperatura sobre la cernentacion

Tiempo % recuperación % recuperación

15 75 8030 89 9045 95 97

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5. CONCLUSIONES

Aspectos Técnicos

En los ensayos realizados se demostró que el proce-so propuesto es altamente factible. porque se logra unporcentaje de recuperación muy satisfactorio.

Se debe advertir que los reactivos utilizados son al-tamente corrosivos, lo cual obliga a tomar las precau-ciones necesarias utilizando materiales de trabajo queno sufran corrosión durante el proceso.

Es necesario advertir finalmente sobre la obligaciónde ampliar en detalles otros aspectos de este procesocomo son:

La recuperación de los metales preciosos por los mé-todos de cianuración; la recuperación del azufre ele-mental a partir de los residuos de lixiviación medianteun disolvente orgánico y la recuperación de las saleslixiviantes, para lograr que este proceso sea más llama-tivo desde el punto de vista económico.

Se deben realizar evaluaciones a escala piloto, parapoder apreciar mejor tanto la recuperación del cobre.como del oro, de la plata y de azufre.

BIBLlOGRAFIA

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