trabajo de hidrometalurgi 1
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CAPITULO I
CEMENTACION O PRECIPITACION DEL
COBRE
INTRODUCCION
La cementación de un metal a partir de una solución, depende de una reacción de desplazamiento en la cual un metal menos noble reduce a los iones del metal por precipitar al estado metálico. Entonces, éste sale de la solución, y los iones del metal menos noble entran en la solución para substituirlos.
Por ejemplo:
Cu2+ + Zn => Cu + Zn2+
El metal utilizado debe tener un potencial de electrodo inferior al potencial del metal que se desea precipitar.
La reacción se produce a la superficie del metal, que se agrega habitualmente en forma de polvo a la solución impura (Fig. 4.3). Para alcanzar velocidades de reacción aceptables con impurezas que se encuentran en bajas concentraciones, se tiene que agregar un exceso de metal, lo que conduce a la obtención de cementos impuros. Ademas, estos cementos contienen todos los metales de potencial superior al metal agregado.
La cementación consiste en la reducción del metal a forma metálica elemental
mediante el empleo de otro metal con mayor potencial de oxidación que él.
La cementación consiste en la reducción del metal a forma metálica elemental
mediante el empleo de otro metal con mayor potencial de oxidación que él.
La cementación es un tratamiento termoquímico que se aplica en piezas de
acero luego del templado{esta información es incorrecta, el proceso se realiza
en piezas sin temple ya que al llevarlo a la temperatura de cementación se
pierde todo los beneficios del temple por lo cual no tiene sentido templar antes.
El proceso aporta carbono a la superficie mediante difusión, que se impregna
modificando su composición.
OBJETIVOS
El cementado se obtiene con una pureza del 85-90% Cu, por lo cual
requiere después un procesado de purificación que suele consistir
en:
Fusión y conversión para conseguir un 99% de pureza, o Nueva lixiviación y precipitación
Analizar la manera de cómo obtener el cobre metálico; en
este caso analizamos el proceso de cementación con
fierro.
Predecir las posibilidades técnicas de una reacción de
cementación.
Recuperar valores metálicos por procesos de
cementación.
Enumerar los parámetros de importancia de los procesos
experimentales en cimentación.
1.1CEMENTACION
La cementación consiste en la reducción del metal a forma metálica elemental
mediante el empleo de otro metal con mayor potencial de oxidación que él.
Se llama cementación porque el metal que se reduce suele aparecer
adherido sobre el reactivo que se añade.
¨El metal más noble es el que se cementa¨
Cuanto mayor es la diferencia de potencial entre ambos metales más
favorecida está la reacción (∆G es menor).
Lo que se forma es una pila galvánica, donde el cátodo es el metal que se
cementa y el ánodo el que se disuelve.
La cinética de la reacción depende de la diferencia de potencial y de la
concentración de la disolución.
El mecanismo redox que ocurre es el de una pila galvánica: Las partículas
del metal cementante presentan en zonas localizadas un potencial menor
que en otras zonas (límites de grano, fases,.....). Las zonas de menor potencial
actúan como ánodos frente al resto de la partícula, que actúa como cátodo.
Así, el metal que se reduce se deposita en las zonas catódicas mientras que el
metal cementante se oxida y disuelve a través de las zonas anódicas.
1.1.1 PROCESO DE CEMENTACIÓN DEL COBRE
La cementación es un proceso de precipitación química que permite retirar
iones en solución agregando un reactivo precipitante. En el caso de iones
metálicos disueltos la reacción se favorece agregando un metal más activo,
según la serie electroquímica, como reactivo para formar un precipitado
conocido como cemento. Este proceso es aplica en el tratamiento de efluentes
de operaciones metalúrgicas (Puente, 2002), (Calvo,1983)
1.1.2 Reacciones de Cementación
Mostramos las siguientes reacciones de cementación en los sistemas
Clorurante y Sulfatante:
2 CuCl2 + 2 FeCl3 + 3 Fe° 2Cu°+ 5 Fe Cl2 (1.0)
CuS04 + Fe Cu + FeSO4 (2.0)
a) El cemento de cobre de alta calidad tiene la ventaja de oxidarse
rápidamente, mediante la formación de una película de óxido de cobre en la
superficie, favorable para su disolución en medio acido.
b) La presencia de iones Fe++ y aire producen iones Fe+++ que ayudan a
disolver el cobre metálico.
c) La cinética de lixiviación de Cu° es incrementada sustancialmente con el
aumento de temperatura.
1.1.3 Modelo Cinético de Cementación
La ecuación cinética del proceso de cementación es de la forma:
-dC/dt = K C ………(Eq. 1)
Donde: K= Constante Cinética del sistema.
Resolviendo la Ecuación (1) obtenemos el Modelo Cinético de la cementación
que nos permitirá hacer el tratamiento de los datos experimentales.
C = CO Exp (- Kt) (Eq. 2)
Aplicando la Ecuación de Nernst para correlacionar el potencial de electrodo
con la concentración podemos tener la siguiente expresión para hacer las
transformaciones del potencial en Concentraciones de los iones:
ΔV= K * log C (Eq. 3)
1.1.4 Efecto de las Variables Fundamentales
La Constante cinética de Cementación K se ve afectada por la modificación de
los variables fundamentales tales como: Agitación, dosificación de Hierro,
Temperatura, pH, así como la presencia de otros iones presentes.
La constante K Global de cementación es el resultado de los aportes de las
contribuciones de las variables fundamentales como lo podemos apreciar en
las expresiones siguientes:
K = KT*KRPM*KFe*KpH …………………(Eq. 4)
KT = K0 Exp(-EAC/RT) ………………..(Eq. 5) n
KRPM = K1 (RPM) ………….………….(Eq. 6) p
KFe= K2 (mFe ) …………….…………...(Eq. 7) q
KpH= K3 (pH) …………..……………….(Eq. 8)
Reemplazando las expresiones (4), (5), (6), (7) y (8) en (2) se tiene:
C = CO Exp (- K4* KT* KRPM* KFe* KpH * t) (Eq. 9)
La elección del cementante:
Se realiza en primer lugar según el potencial redox del par entre los dos
metales. La gráfica siguiente muestra una serie de potenciales electromotrices
entre varios pares
Pero la elección final depende del precio y de la aplicación a la que se destine
la cementación
1.1.5 DIFERENCIAS: CEMENTACIÓN Y ELECTRÓLISIS
Las cementaciones conducen a la precipitación de un metal con
un elevado grado de impureza ya que precipitan sobre otro metal y
por tanto quedan restos del mismo en el metal cementado.
Ello hace que el metal producido requiera después un proceso
adicional.
La parte positiva es que son muy baratas de realizar.
La electrólisis permite la precipitación de metales con un elevado grado
de pureza.
Pero el consumo energético es elevado.
Para rentabilizarlo deben emplearse lixiviados muy concentrados y
libres de posibles interferencias.
En estas condiciones son muy rentables ya que su productividad
puede ser muy grande.
1.1.6 CUANDO SE EMPLEA LA CEMENTACIÓN
Las cementaciones suelen emplearse en dos tipos de situaciones:
1. Obtención del metal: Prácticamente sólo se emplea en lixiviados de
Cobre, muy diluidos y/o con impurezas elevadas, por lo cual no es
rentable procesarlos por electrólisis.
2. Cuando tenemos lixiviados concentrados con cationes que interferirían
en la electrólisis: Todos aquellos cationes presentes en un lixiviado, que
tengan un potencial de reducción superior al del metal que queremos
recuperar interferirán en la electrólisis, ya que precipitarán
conjuntamente con él. La limpieza de estos cationes se suele
realizar por cementación, dejando al lixiviado libre de ellos.
1.1.7 CEMENTACIÓN PARA OBTENCIÓN DE METAL
La cementación más habitual es la del Cu (en forma de sulfato de
Cu+2
en el lixiviado) con chatarra de Fe.
El Fe se oxida mientras que el cobre se reduce a Cu metálico,
precipitando.
Esta cementación es utilizada aun extensamente hoy en día en
muchas plantas.
1.1.8 CEMENTACIÓN PARA PURIFICACIÓN DE LIXIVIADOS
En principio, todas las impurezas disueltas en el lixiviado (cationes), que
presenten un potencial de reducción superior al del metal que se quiere
recuperar, pueden eliminarse del lixiviado mediante una cementación selectiva:
Lo habitual es emplear como metal cementante el mismo que queremos
recuperar en el lixiviado, y así no se añaden impurezas adicionales:
Para extracción electrolítica de Cu: Para limpiar de plata las disoluciones
de Cu, se realiza la cementación de los cationes Ag+
con Cu metálico.
La plata cementada se procesa después para su recuperación.
1.1.9 INTERFERENCIAS DE LA CEMENTACION
EL OXIGENO: Ya que su potencial de reducción es +1,2 V, superior al de la
mayoría de metales, debe ser eliminado en lo posible de la disolución.
LOS IONES H+: Pueden reducirse y formar H2, en vez de reducir el metal
(excepto en el caso de Au y Ag, en el resto de metales es una interferencia real).
Para prevenir este fenómeno lo que se hace es disminuir la concentración de
protones, es decir, aumentar el pH, aunque ello conduce a formación de
hidróxidos y con ello a la disminución de la velocidad de reducción.
REACCIONES DE “PASIVACIÓN”: Esto es habitual en el aluminio, quien a
pesar de tener muy altas diferencias de potencial con muchos metales, su
oxidación conduce a la formación de una capa de alúmina (óxido de
aluminio) en su superficie impidiendo el progreso de la reacción de
oxidación.
1.1.10 CINETICA DE LA CEMENTACION
La velocidad de la cementación depende de los siguientes factores:
Los más importantes son los dos primeros:
1) La diferencia de potencial del par galvánico.
2) La concentración del catión a cementar.
3) La cantidad de oxígeno disuelta en el lixiviado.
4) El PH.
5) La superficie específica del cementante empleado.
1. La velocidad de reducción depende de la diferencia de potencial del par
galvánico elegido:
Cuanto mayor es la diferencia de potencial del par galvánico, más
rápido es el proceso.
2. Por tanto, también depende de la concentración del metal a cementar:
Cuanto mayor es la concentración del metal a cementar más
rápido es el proceso.
En la cementación del Cu con Fe habitualmente ¾del material cementa
en el primer ¼del tiempo de proceso. Mientras que en el tiempo restante
(3/4) cementa el ¼que quedaba disuelto. Ello es debido a la reducción
de la concentración en la disolución
3. Al inicio del proceso, la reducción efectiva que perseguimos obtener no
se inicia hasta que no se consume todo el oxígeno disuelto. Por ello, la
agitación debe ser cuidadosa para no incorporar burbujas de aire que
incorporen oxígeno, ya que este consumiría una elevada cantidad de
cementante.
4. Si el PH es alto la formación de hidróxidos conduce a bajas velocidades de
reducción ya que los hidróxidos deben descomponerse antes para que el
catión se reduzca. Es una etapa y reacción más a realizar. Por otro lado,
si el pH es bajo tenemos un elevado consumo de cementante, ya que
además del metal, también el H+
se reducirá, y la cementación se
ralentizará.
5. La superficie específica del cementante empleado:
La velocidad de cualquier proceso está controlada por la etapa
más lenta del mismo.
En este tipo de procesos la etapa más lenta es la deposición de las
primeras partículas sobre las zonas catódicas.
Por ello, una vez iniciada la cementación de un metal sobre el otro, la
velocidad del proceso aumenta debido al aumento continuo de superficie
catódica.
El resto de etapas son muy rápidas y no determinan la velocidad del
proceso.
El metal cementante debe añadirse en forma de polvo, virutas, o incluso
pletinas.
En el caso del Fe se emplean chatarras de todo tipo, incluso botes de
hojalata (libres de Sn y sin recubrimientos).
La condición prioritaria de un buen cementante es tener una buena superficie
específica, y además estar machacados y troceados a un tamaño uniforme
para permitir una buena manipulación y ejecución del proceso.
1.2 CEMENTACIÓN DEL COBRE CON Fe
1.2.1 CEMENTACIÓN DIRECTA DE CU+2
Las disoluciones de sulfato de cobre se cementan con Fe troceado de
chatarras. Es la cementación más extendida a nivel industrial.
El consumo aproximado es de: 1,5-2 Kg Fe por 1 Kg de Cu.
La reacción química indica que el consumo debería ser de 0,85Kg de Fe
por cada Kg de Cu, pero las reacciones secundarias de reducción de H+
y O2
conducen a este elevado consumo.
El cementado se obtiene con una pureza del 85-90% Cu, por lo cual requiere
después un procesado de purificación que suele consistir en:
Fusión y conversión para conseguir un 99% de pureza, o
Nueva lixiviación y precipitación con H2, para obtener cobre en polvo
del 99,7% de pureza.
1.2.2 PRECIPITACIÓN CON BATEAS O CANALETAS GRAVITACIONALES
Este es el sistema más antiguo para la cementación de cobre y se basa en
el uso de recipientes o bateas hechas de hormigón con fondo de madera.
La base de estas bateas tiene una pendiente de 2%, lo que permite el
escurrimiento de las soluciones desde una punta hacia la otra.
En cada una de las bateas se adiciona permanentemente chatarra de hierro, y
desde el extremo de mayor altura, se alimentan en forma continua las
soluciones ricas en cobre.
De esta forma y por efecto de la pendiente de la batea, las soluciones
escurren hacia el extremo de menor altura, manteniendo un contacto
permanente con la chatarra, logrando que se produzca la cementación.
Cabe recordar que por efectos de eficiencia del sistema, se requiere un flujo
continuo y una velocidad de escurrimiento suficiente para que el consumo de
chatarra no aumente, ya que a mayor tiempo de cementación, aumenta
considerablemente los requerimientos de chatarra.
La recuperación de cobre mediante este sistema alcanza alrededor de un
80 – 85%, obteniéndose un producto bastante sucio, debido a la
contaminación con chatarra
1.2.3 PRECIPITACIÓN CON EQUIPOS ROTATORIOS DISCONTINUOS
Estos equipos fueron desarrollados en Alemania en la década del 60, y se
les conoce como "fall-trommels". En Chile, fueron utilizados en la Mina La
Cascada entre los años 1972 y 2000, y en Mantos Blancos desde 1991 a
1996. Cada reactor de estos equipos está formado por una botella de
acero cilíndrica, cerrada y con un extremo semi-esférico. Su capacidad
alcanza a los 33 metros cúbicos y tiene un eje inclinado a unos 25
grados por encima de la horizontal. A su vez, el reactor cuenta con los
mecanismos necesarios para rotar lentamente sobre el eje a unas 0,3 rpm,
similar a la rotación que mantienen los camiones que transportan cemento.
La gran ventaja de estos reactores en relación al uso de las bateas, es que
logran mantener la chatarra en movimiento permanente, con lo que el cobre
depositado se despega continuamente, generando nuevas superficies de
precipitación y pudiendo así alcanzar grandes rendimientos.
1.2.4 PRECIPITACIÓN CON EQUIPOS ROTATORIOS
CONTINUOS
A partir de los diseños originales de los alemanes, en los años 60 se
desarrolló en Chile una serie de reactores cilíndricos, pero horizontales, de
diversas dimensiones, inicialmente hechos de madera y con sistemas de
movimiento similares a los de un molino de bolas, que giran sobre su eje a
una frecuencia muy baja, correspondiente a una vuelta por cada 3 a 5
minutos.
En su interior, los cilindros presentan un sistema de protección basado
en tacos de madera de fibra larga, similar a la del
eucaliptus, colocados uno al lado del otro, con el sentido de la
fibra orientada hacia el interior del reactor.
Al humedecerse, la madera se hincha, generando un sello
perfecto para el líquido contenido. En el manto del cilindro se
ubica una compuerta para efectuar el relleno de chatarra cada vez
que se inicia un nuevo turno.
1.3 PRUEBAS EXPERIMENTALES
1.3.1 Caracterización de Mineral Sulfurado
Se trabajo con un mineral de calcopirita sulfurada del Complejo Marañón. El
análisis químico del mineral se
muestra a continuación:
Tabla N° I: Análisis Químico del Mineral de Cabeza
% Cu Ag ( oz/TM) Au ( oz/TM
4,27 1316 0,19
La muestra de producto metalúrgico se ha analizado mediante el método de la
microscopía óptica de luz reflejada, para lo cual previamente se preparo una
briqueta pulida, sobre la cual se hizo en primer término las caracterización
mineralógica, sobre la base de ésta a continuación se procedió a hacer el
análisis modal, cuyo resultado se da a continuación.
La calcopirita ocupa el 33.66 % del volumen total de la muestra, de este
volumen el 32.97% se halla libre, quedando aún entrelazada el 0.69 %
restante, siendo el motivo de su no liberación total el tipo geométrico de
entrelazamiento en el cual está inmerso.
1.3.2 Procedimiento Experimental
Las pruebas experimentales de desarrollaron siguiendo el diagrama de flujo
propuesto por Fathi Habashi. Con equipos y reactivos del Laboratorio de Piro
metalurgia de la Escuela de Ingeniería Metalúrgica se efectuaron las corridas
experimentales.
1.3.3 Operación de Cementación
En laboratorio se probó la cementación de cobre con chatarra ligera de hierro.
La solución conteniendo cobre disuelto proviene de la lixiviación acida de la
muestra mineral sulfurado de cobre proveniente del Marañón. Para obtener
mejores resultados previamente las muestras fueron tostadas a baja
temperatura (400 C) por doce horas y luego se procedió con una lixiviación por
agitación de 4 horas (Figura 5). La solución lixiviada se purifico mediante
Extracción por solventes (Figura 6) para después agregar chatarra ligera de
hierro en forma de partículas laminares con amplio exceso del necesario
teórico. La agitación fue constante y para la cinética del proceso se procedió a
retirar muestras de la solución cada cierto tiempo como se muestra en las
figuras 8, 9 y 10.
Figura 7. Curva de Recuperación de Cobre ( +2) en la Lixiviación del Mineral
Sulfurado
1.3.4 Caracterización del Cemento Obtenido
El monitoreo de los productos obtenidos empleando técnicas combinadas de
caracterización tales como difracción de rayos X (DRX), fluorescencia de rayos
X (FRX), espectroscopia Mössbauer (EM) nos permite tener una mejor
información de las especies participantes y además nos ayuda a controlar y
optimizar mejor los procesos metalúrgicos.
Para la DRX se empleó radiación Cu-Kα ( λ=1.5406 Å), para la EM se empleó
una fuente radioactiva de 57Co/Rh de 25mCi y para los análisis de FRX se
empleó un equipo portátil de FRX con cátodo de Ag, voltaje de 20 kV y
corriente hasta de 100 μA
.
El proceso de cementación de cobre a partir del mineral de cabeza, tostación y
lixiviación se ha monitoreado por DRX y EM, como se muestra en las Figs. 10 y
11, respectivamente. Para determinar las fases cristalinas presentes se realizó
previamente un análisis elemental por FRX (no mostrado aquí) la cual mostró la
presencia de Si, S, Fe, Cu, Zn en el mineral de cabeza y de Cu (con restos de
Fe) en el cemento final de cobre, como es esperado.
Los resultados del análisis combinado de estas técnicas muestran que el
mineral inicial tiene presencia de calcopirita, esfalerita y cronstedtita entre
otros. Luego del proceso de tostación se forman hematita, marcasita y sulfuro
de Fe-Zn. Mientras que después del proceso de lixiviación se tiene óxido de
silicio, sulfuro de Fe-Zn, hematita y calcopirita. Finalmente, el proceso de
extracción por solventes y después de purificar la solución se obtiene un
cemento de Cobre y trazas de la aleación Cu-Fe. Además, el estudio por
espectroscopia Mössbauer confirma la presencia de hematita y marcasita
durante los procesos de tostación y lixiviación de la muestra.
Vale la pena mencionar que como producto final se puede obtener
alternativamente Sulfato de Cobre.
1.4 DISCUSION DE RESULTADOS
1.4.1 Resultados de Cementación del Cobre
Pruebas desarrolladas con la tecnología LIX – Resinas – Cementación en el
Laboratorio de Fisicoquímica nos permiten encontrar el patrón de
comportamiento del proceso de Cementación del Cobre. (Figura)
Figura 12: Data Experimental del proceso de Cementación de Cobre
1.4.2 Efecto de Otros Iones Presentes
Las pruebas experimentales de cementación de soluciones iónicas de cobre y
otros iones presentes de (Ag+1,Zn , Fe ) nos muestran los patrones de la
cementación del Cobre sin agitación de la solución.
1.4.3 Efecto de la Purificación de las Soluciones PLS
A partir de soluciones PLS obtenidas de procesos de Tostación, lixiviación y
Extracción con Solventes se han reaccionado con partículas de Hierro
obteniéndose cementos de cobre de alta calidad los cuales nos han permitido
encontrar mejores tendencias de Cementación.
1.4.5 Contribución de la Agitación en la Cinética
Pruebas desarrolladas para diversas condiciones de agitación de la solución al
ocurrir la cementación con hierro nos permiten inferir que a mayores RPM la
constante cinética de cementación decrece obteniéndose bajas recuperaciones
de cemento de cobre.
1.4.6 Contribución del pH en la Cinética
En el curso de la cementación de soluciones ricas de Cobre se puede apreciar
que el pH va incrementándose hasta finalizar el proceso de cementación, es
preciso acotar que a pH bajos alrededor de 0.5 en el curso de la cementación
se puede apreciar la liberación de gas Hidrógeno y un alto consumo de hierro.
1.4.7 Simulación del Proceso de Cementación
Modelo para la Cementación del Cobre purificado con el proceso de Extracción
por Solventes (SX):
C = CO Exp ( - K* KT* KRPM* t) ………...(Eq.10)
En la figura podemos apreciar la simulación de los datos experimentales) con el
modelo encontrado que tiene la siguiente configuración:
CAPITULO II
LIXIVIACION BACTERIANA
DE COBRE O
BIOLIXIVIACION DE
COBRE
RESUMEN
En los años ‘80 se aplicó por primera vez la tecnología de extracción por
solvente y electro obtención (SX/EW), cuya irrupción significó una revolución en
la producción del cobre, y en pocos años llegó a representar un porcentaje
importante de la producción total. Por otra parte, las tecnologías de
biolixiviación han permitido recuperar cobre en minerales de baja ley,
incrementando así los recursos disponibles. No obstante las tecnologías de
biolixiviación han sido aplicadas a la industria del cobre desde los años 80’, su
aplicación solo se ha dado a nivel de sulfuros secundarios, siendo el gran
CAPITULO II
LIXIVIACION BACTERIANA
DE COBRE O
BIOLIXIVIACION DE
COBRE
desafío pendiente su aplicación a escala industrial en los primarios, en
particular en la calcopirita.
En este sentido, la biolixiviación aplicada a la calcopirita constituye la próxima
revolución tecnológica en la producción de cobre. Por ello, en este estudio se
recopila la información sobre la tecnología de biolixiviación y su desarrollo, los
avances de la investigación y desarrollo en el país, y las perspectivas de su
alcance presente y futuro.
2. INTRODUCCIÓN
2.1.1 Minerales cupríferos
La complejidad de los procesos geológicos que ocurren en la corteza terrestre,
hacen que la distribución de los elementos químicos sea heterogénea,
generando su enriquecimiento o empobrecimiento. Estos fenómenos pueden
originar la concentración selectiva de ciertos elementos en determinadas
zonas, con valores que superan la media respecto a la distribución normal de
los elementos en la corteza terrestre. A estas zonas de concentración se les
conoce como yacimientos de mineral.
El origen de los yacimientos de cobre se asocia al magma que asciende
introduciéndose en las capas superiores de la corteza, en forma de intrusivos.
Este ascenso se relaciona a los diferentes fenómenos que han ocurrido en la
corteza desde millones de años atrás, como el fluido de aguas termales y el
movimiento de la placa oceánica –Nazca- bajo la continental –Sudamericana-.
A partir de estos procesos geológicos se irán formando dos tipos de material
mineralizado para los yacimientos de cobre: los sulfuros y los óxidos.
Inicialmente los minerales se encuentran como sulfuros en las capas profundas
de la corteza, al ascender, y debido a la acción del oxígeno atmosférico, se
produce una oxidación de estas especies, formando una capa de mineral
oxidado, lo que explica que este mineral se encuentre a un nivel más superficial
que los sulfurados.
Bajo la capa de mineral oxidado se encuentra una zona llamada secundaria o
supérgeno, donde los minerales sulfurados han sido alterados por efecto de la
circulación de aguas superficiales, lo que produce la disolución de algunos
minerales, generando a la vez el enriquecimiento de sulfuros y con ello el
aumento del contenido de cobre. La zona más profunda del yacimiento donde
se preservan las características de su formación original, se ubica por debajo
de la zona secundaria y se llama zona primaria de sulfuros o hipógena. Los
minerales asociados a estas zonas se llaman minerales secundarios y
primarios respectivamente (Ver ejemplos en Tabla 3, Anexo).
De este modo, el cobre se encuentra asociado mayoritariamente a minerales
sulfurados, y en una menor parte a minerales oxidados. Para su extracción
desde los minerales que lo contienen y, debido a que los minerales sulfurados
y oxidados tienen características distintas, se requieren procesos productivos
diferentes.
2.1.2 Recursos y reservas minerales de cobre
La explotación del cobre en Chile comenzó desde tiempos inmemorables, pero
siempre a pequeña escala. La explotación más industrial comenzó con la
llegada del siglo XIX, estimulada por la apertura de la economía nacional
debido a los avances de la Revolución Industrial. La explotación sólo se
limitaba a los minerales oxidados, por ser de 5 mayor ley y encontrarse en la
superficie, pero con la incorporación de los hornos de reverbero en 1831, que
permitieron el procesamiento de minerales sulfurados, la producción de cobre
ya se había triplicado para la segunda mitad del siglo (Gana J., 1988).
La producción de cobre se había basado hasta entonces, sólo en el
procesamiento de minerales con una alta la ley de corte, y los minerales bajo
esta ley eran acumulados cerca de los yacimientos, al igual que los residuos de
flotación o relaves. Estos recursos minerales1, debido a las grandes cantidades
acumuladas junto con su contenido de cobre, comenzaron a ser considerados
como una alternativa atractiva de reservas minerales2 las que podían ser
aprovechadas económicamente.
En el caso de los sulfuros de cobre, la existencia de importantes recursos de
baja ley, remanentes de la explotación de minerales más ricos, sumado a los
primeros indicios de agotamiento de las reservas minerales oxidadas, impulsó
a los investigadores a buscar técnicas rentables y eficientes de recuperación
del cobre. Esto los llevó a encontrar que ciertas bacterias catalizaban la
lixiviación de los minerales sulfurados, haciendo rentable su procesamiento.
La utilización de estas bacterias se justifica cuando el mineral sulfurado de un
yacimiento cuprífero es de baja ley o tiene menos de un 0,5% de cobre,
situación en la que el proceso productivo tradicional de pirometalurgia deja de
ser rentable, y se buscan nuevos procesos, más baratos y eficientes. (CIMM,
2005).
2.1.3 Proceso Productivo del cobre
De acuerdo con las características químicas de los minerales de cobre, las
empresas mineras desarrollan tecnologías y procesos diferenciados para la
recuperación de cobre a partir de minerales oxidados y sulfurados. Sin
embrago, entre ambos procesos productivos existen algunas etapas en común.
Los procesos productivos de ambos minerales, se resumen en la Figura 1.
Figura 1. Proceso Productivo según mineral
Fuente: Elaboración COCHILCO.
Proceso minerales oxidados
Los minerales oxidados son explotados principalmente a rajo abierto por
encontrarse más cercano a la superficie, y luego son triturados en varias
etapas de chancado (generalmente tres) con el objetivo de liberar la especie
mineral de interés, en este caso el óxido de cobre, y lograr un tamaño uniforme
de partícula de hasta ½ pulgada. En la etapa de aglomeración, una mezcla de
agua y ácido sulfúrico se aplica al mineral que puede estar en una correa
transportadora o en un tanque agitador, haciendo que los finos se adhieran a
los gruesos4. Las partículas de menor tamaño segregan y forman áreas ciegas
que disminuyen la percolación, aumentan el tiempo de lixiviación y con ello el
consumo de reactivos, razones por las que es importante preparar el material
mineralizado, a modo de asegurar su permeabilidad para la lixiviación. La
lixiviación es un proceso de la hidrometalurgia5, en el cual se aplica una
solución de ácido sulfúrico y agua al mineral, lo que cambia las condiciones de
acidez disolviendo rápida y selectivamente el cobre con lo cual se separa del
mineral. La solución de lixiviación que contiene el cobre disuelto como sulfato
de cobre o PLS –Pregnant Liquour Storage- es desarenada y conducida a una
planta de extracción por solvente o SX –Solvent Extraction-. Con la extracción
por solvente se logra la recuperación selectiva del cobre, su purificación y
concentración, mediante la extracción de los iones de cobre con un solvente
orgánico, que luego es tratado con una solución acida en la que se recupera el
metal. De este proceso se obtiene una solución pobre en cobre llamada refino,
que se recircula al proceso de lixiviación y una solución acida purificada y
concentrada de cobre que va al proceso de electroobtención o EW –
Electrowinning-. Esta última etapa recupera el cobre mediante un proceso
electrometalúrgico desde una solución electrolito concentrada, donde se
utilizan cátodos de acero inoxidable y ánodos de plomo reutilizables, para
producir cátodos de alta pureza de cobre, 99.99% (Víves, H., 2009).
Proceso minerales sulfurados
En el caso de minerales sulfurados se realiza explotación subterránea por la
profundidad de los yacimientos y también a rajo abierto para los minerales que
se encuentran más cercanos a la superficie. Al igual que para los minerales
oxidados, se hacen varias etapas de chancado y además la etapa de molienda
donde se reduce el tamaño de las partículas de mineral hasta un máximo de
0,18 mm. El menor tamaño de mineral para los sulfurados se debe a que las
partículas deben ser livianas para el proceso de flotación. En la flotación se
logra separar el cobre de la ganga8, al agregar reactivos que favorecen la
adherencia del cobre a burbujas de aire que emergen desde el fondo de una
piscina de flotación y la rebasan para luego ser recuperado y secado, antes de
ser llevado a la fundición.
La fundición es un proceso pirometalurgico9, en el que el concentrado de cobre
pasa del estado sólido al líquido en hornos a 1.200°C, provocando que los
elementos más livianos queden en la parte superior del fundido – llamado
escoria, y los pesados como el cobre, se concentren en la base. De la fundición
se obtienen ánodos de cobre, que son refinados o purificados por un proceso
de electrorrefinación en el que se aplica corriente eléctrica. Se utilizan ánodos
de cobre que son consumidos en la reacción, por lo que deben ser repuestos
constantemente y cátodos de cobre puro reutilizables, sobre los que se forman
los nuevos cátodos de alta pureza (Víves, H. 2009).
En la actualidad, la hidrometalurgia es aplicada a ambos minerales. El
inconveniente es que para los minerales sulfurados la cinética de disolución es
mucho más lenta que la de minerales oxidados. Por lo tanto, no basta sólo una
solución ácida para lograr su disolución, por fuerte que ésta sea, sino que
también se requiere un catalizador de la reacción, rol que asumen las bacterias
al aplicar la biotecnología para la extracción del cobre, en un proceso llamado
biolixiviación.
2.1.4 Biotecnología en el proceso productivo del cobre
El Convenio sobre la Diversidad Biológica de las Naciones Unidas (1992)
define biotecnología como “toda aplicación tecnológica que utilice sistemas
biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación
de productos o procesos, para usos específicos” (CNDBT, 2003b).
La Biotecnología presenta la ventaja de ser una tecnología específica que
permite elegir el campo de aplicación más apropiado a las necesidades y
requerimientos del país. Así en el sector minero, la aplicación biotecnológica
con más inmediata utilidad es el trabajo con bacterias que participan en la
biolixiviación de minerales con contenido de cobre.
(CNDBT, 2003)
La rama de la biotecnología que busca el estudio y la aplicación del potencial
económico, de las interacciones entre el mundo microbiano y el reino mineral,
se llama biohidrometalurgia, un subcampo de la hidrometalurgia.
Esta disciplina se preocupa de dos temas, como son la recuperación de
metales por tecnologías de biolixiviación; y la neutralización y purificación de
aguas provenientes de los procesos mineros por medio de tecnologías de
bioremediación. El objeto de este estudio es el campo de la recuperación de
metales, por ello solo será analizada la tecnología de biolixiviación.
2.2 CARACTERÍSTICAS DE LA TECNOLOGÍA DE BIOLIXIVIACIÓN
2.2.1 Definición de biolixiviación
La biolixiviación es un proceso en el cual se emplean microorganismos para
disolver los minerales, liberando un metal de valor presente en un mineral o en
un concentrado, que con métodos convencionales sería muy difícil de extraer.
La biolixiviación es el proceso convencional de lixiviación, catalizado
biológicamente pero aplicado a los minerales sulfurados, ante la necesidad de
aumentar la cinética de su disolución. De esta manera la biolixiviación es un
proceso químico, mediado por el agua y oxígeno atmosférico y un proceso
biológico, mediado por microorganismos.
La biolixiviación generalmente se refiere a la tecnología de biominería aplicada
a metales base. Los metales base son los metales relativamente fáciles de
oxidar o corroer y en el área industrial se refiere a los metales no-ferrosos, que
incluye prácticamente a todos los metales a excepción del mismo hierro y su
aleación, el acero.
A escala comercial la biolixiviación es aplicada para la recuperación de cobre y
uranio por lixiviación y de oro mediante un pretratamiento de minerales
refractarios, que recibe el nombre de biooxidación. La tecnología de
biolixiviación también ha sido probada en laboratorios para sulfuros de cobalto,
galio, molibdeno, níquel, zinc y plomo.
2.2.2 Características de los microorganismos utilizados
a) Características de los microorganismos utilizados
Las bacterias que intervienen en los procesos de lixiviación son generalmente
autótrofas, aeróbicas y quimiosintéticas. Esta última característica, las hace
capaces de oxidar minerales para producir el ión férrico y ácido sulfúrico,
necesarios para las reacciones de biolixiviación. El ión férrico, es un agente
fuertemente oxidante, que permite oxidar los minerales de sulfuro de cobre a
sulfato de cobre que es soluble. Debido a esto, también se les llama
microorganismos sulfo y ferro-oxidantes.
Su capacidad autótrofa les permite sintetizar sus componentes celulares a
partir de compuestos inorgánicos, como la fijación del CO2 de la atmósfera. Se
alimentan de los minerales de los que obtienen energía y realizan esta tarea
como parte de sus procesos metabólicos. También se caracterizan por ser
organismos que viven en condiciones extremas (extremófilos), en este caso,
las normales de los minerales: pH ácido y altas concentraciones de metales.
Todas estas características les confieren la clasificación de bacterias y arqueas
quimilitoautotróficas ferro-sulfo oxidantes. Uno de sus principales exponentes
es la bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans, aislada por primera vez desde las
aguas de una mina de carbón, cuyo descubrimiento se dio a conocer en 1947).
Así fue como se encontró la primera bacteria identificada capaz de lixiviar el
cobre.
La Acidithiobacillus ferrooxidans, ha sido la bacteria más estudiada para
biolixiviación y por consiguiente de la que existe mayor información, sin
embargo existen otros microorganismos identificados que solubilizan minerales
sulfurados, como los que se encuentran en la Tabla 1 del Anexo, donde se
entrega una lista de microorganismos reconocidos con importancia comercial
en operaciones biohidrometalúrgicas como también aquellas que únicamente
pueden ser exploradas en pruebas de laboratorio pero que parecen ser
prometedoras a futuro.
2.2.3 Diversidad de microorganismos en un sistema de biolixiviación
En los ambientes naturales asociados a la minería, es posible encontrar una
variedad de microorganismos como bacterias y arqueas, pero en su mayoría
bacterias, cuya población se encuentra fuertemente influenciada por la
temperatura a la que están expuestas así como por los nutrientes presentes. La
temperatura en los sistemas industriales no supera los 45°C y en esta situación
es posible encontrar bacterias de las especies Acidithiobacillus ferroxidans
(A.f), Acidithiobacillus thioxidans (A.t) y Leptobacillus ferroxidans (L.f) que son
las más prevalentes. Respecto a los nutrientes en un medio con ión ferroso es
común encontrar A.f, y en su ausencia predomina la A.t y la L.f. La presencia
de determinadas especies de bacterias dependerá del mineral biolixiviado, por
lo que las condiciones óptimas de operación podrían no ser exactamente las
mismas para todos los recursos mineros, para ello es importante conocer su
composición mineralógica .
Cada especie de bacteria tiene distintos requerimientos de nutrientes como
fuentes energéticas (Ver Tabla 1, Anexo), por lo que una mezcla de bacterias
podría resultar más beneficiosa que una especie pura, en la biolixiviación de un
mineral. Así por ejemplo los compuestos que no son oxidados por una especie,
pueden ser oxidados por la otra, evitando una acumulación que podría resultar
tóxica.
2.2.4 Cultivo de microorganismos
El remanente de la explotación del mineral de mayor ley y los relaves de
flotación quedan cerca de los yacimientos, expuestos a las condiciones
ambientales, lo que crea un ambiente propicio para el desarrollo de
microorganismos. De los drenajes ácidos que se generan naturalmente, se
puede aislar microorganismos para su cultivo en laboratorio ya sea una especie
en particular o una comunidad.
Sin embargo, existe consenso en que los métodos que utilizan cultivo son
inadecuados para estudiar la composición microbiana de una comunidad, pues
solo permiten observar una pequeña fracción de los microorganismos que
crecen en el sistema natural. El cambio de medio distinto al original, hace que
los cultivos sean selectivos y con ello se subestime el número y variedad de
microorganismos de una muestra.
Para estudiar los microorganismos presentes en el medio natural, últimamente
se ha optado por el análisis de ADN extraído directamente del sistema, lo que
es independiente de la facultad del microorganismo para crecer en un medio de
cultivo. Tarea que se ve facilitada por la existencia y disponibilidad del
secuencia miento del código genético de las especies bacterianas lixiviantes.
2.2.5 Factores que afectan el desarrollo bacteriano.
El papel que juegan los factores ambientales, biológicos y fisicoquímicos, sobre
el crecimiento y desarrollo de las bacterias es fundamental en el rendimiento de
la extracción de metales por biolixiviación. El control de estos factores es muy
importante para asegurar las condiciones óptimas de pH, humedad,
temperatura, nutrientes, fuentes de energía que deben existir junto con la
ausencia de inhibidores, que permitan obtener el máximo rendimiento de cobre.
Los factores que influyen en la respuesta de los microorganismos encargados
de la biolixiviación según Pradhan et al. (2008) y el ITGE (1991) son:
pH: Son bacterias acidófilas, es decir crecen en medios ácidos, siendo
incapaces de desarrollarse a un pH mayor de 3.0. El pH define que
especies de bacterias se desarrollarán en el medio.
Oxígeno y dióxido de carbono: Como la mayoría de las bacterias
lixiviantes en la naturaleza son aeróbicas, necesitan un ambiente con
oxígeno para sobrevivir. El aire aporta el oxígeno (O2) y dióxido de
carbono (CO2) necesarios para la lixiviación, por lo que es importante
asegurar la aireación independiente de la tecnología utilizada. El
oxígeno es utilizado como oxidante por los microorganismos en
ambientes de lixiviación. El dióxido de carbono es utilizado como fuente
de carbono para la fabricación de su arquitectura celular o generación de
biomasa.
Nutrientes: como todos los seres vivos estos microorganismos requieren
de fuentes nutricionales para su óptimo desarrollo, que pueden obtener
del mismo mineral, como amonio, fosfato, azufre, iones metálicos (como
Mg+), etc. El magnesio, es necesario para la fijación de CO2 y el fósforo
es requerido para el metabolismo energético.
Fuente de Energía: los microorganismos utilizan como fuente primaria
de energía el ion ferroso y el azufre inorgánico. En la lixiviación de
mineral el ión ferroso (Fe+2) es producido biológicamente, por ello no es
necesario añadirlo.
Luz: la luz visible y la no filtrada tienen un efecto inhibitorio sobre
algunas especies de bacterias, pero el hierro ofrece alguna protección a
los rayos visibles.
Temperatura: Los microorganismos se clasifican según el rango de
temperatura en el cual pueden sobrevivir. Así las mesófilas sobreviven
en un rango óptimo de 30-40°C, las moderadamente termófilas a una
temperatura cercana a los 50°C, y las extremadamente termófilas sobre
los 65°C. Si la temperatura del medio en que se encuentren los
microorganismos es menor a 5°C, se vuelven inactivos volviendo a
cumplir su función si aumenta la temperatura, pero si la temperatura del
medio sobrepasa el óptimo, los microorganismos se mueren.
Es importante considerar que la reacción de oxidación de los minerales
sulfurados es exotérmica, es decir libera calor al medio lo que produce el
aumento de la temperatura. La posibilidad de controlar la temperatura
dependerá del diseño de la tecnología de biolixiviación ocupada, por
ejemplo sería más difícil el control en una pila que un tanque agitado.
Presencia de Inhibidores: durante el proceso de biolixiviación, se van
acumulando metales pesados como zinc, arsénico y hierro en la solución
de lixiviación, y en ciertas concentraciones resultan tóxicos para los
microorganismos. Estas concentraciones tóxicas se pueden disminuir al
diluir la solución lixiviante.
Potencial redox (Eh): La oxidación de las especies reducidas depende
del movimiento o transferencia de electrones, por lo tanto influye en el
metabolismo de la bacteria. De esta manera, la medida del potencial es
un indicador de la actividad microbiana, mientras mayor sea el potencial
medido, mayor será la actividad microbiana. El potencial óptimo es de
600 a 800 mV (miliVolt).
Tamaño de partícula: a menor tamaño de la partícula de mineral, mayor
es el área de contacto que tiene el microorganismo, haciendo más
efectiva la lixiviación.
Todos estos factores pueden variar según el tipo de microorganismo (Ver tabla
1, Anexo).
2.3 Tecnologías de Biolixiviación
Las diferencias entre las tecnologías de biolixiviación dependen del lugar de
aplicación, la metodología ocupada, la ley de cobre y el tamaño de partícula del
mineral, principalmente. Una categorización amplia según Brierley (2008), es la
separación de las tecnologías según el método en que se basan para hacer la
lixiviación. En este como los procesos de lixiviación basados en el riego y los
basados en la agitación.
2.3.1 Procesos basados en el riego
Biolixiviación en pilas
Esta tecnología se puede procesar material recién extraído de la mina y mineral
chancado, minerales de ley intermedia, sulfuros secundarios y primarios. La
extracción de cobre desde minerales secundarios de cobre, como la calcocita
(Cu2S) y la covelina (CuS), por biolixiviación en pila es ampliamente practicada
en todo el mundo.
Generalmente las pilas se construyen con material previamente chancado, de
19mm o menos, que es llevado por correas transportadoras al área o patio de
acopio, lugar donde se forma la pila. En el trayecto el mineral es curado,
irrigado con una solución de ácido sulfúrico concentrado o puede ser
previamente aglomerado en tambores rotativos con agua acidificada para
acondicionar el mineral a los microorganismos y también para fijar las
partículas finas a las partículas más grandes de mineral.
Luego el mineral es apilado en las áreas o canchas de acopio que están
especialmente diseñadas. Los patios son revestidos con polietileno de alta
densidad (HDPE) y se instala sistema de drenaje con tuberías de plástico
perforadas, que permiten capturar la solución lixiviada desde la base. También
se instala una red de líneas de aire de plástico perforado, mediante la cual el
aire es forzado por ventiladores externos a la pila, lo que asegura la
disponibilidad de aire a los microorganismos.
Una vez preparada la base, el mineral se apila ordenadamente con apiladores
automatizados, formando un terraplén o pila de 6-8 m de altura. Las pilas
pueden ser dinámicas si después de la lixiviación, el mineral se remueve para
enviarlo al botadero y la base de la pila se reutiliza; o pilas permanentes si las
nuevas pilas se cargan sobre las anteriores. El sistema de pilas permanentes
permite no trasladar el material ya lixiviado a un botadero final, ya que el área
de lixiviación se convierte en botadero al terminar los ciclos de riego.
Sobre la pila se instala un sistema de riego por goteo o aspersores los que
riegan la pila con una solución de ácido sulfúrico, agua y microorganismos. Los
microorganismos crecen naturalmente en la pila pero a objeto de mejorar el
rendimiento de la operación, es que en una etapa previa de laboratorio se
aíslan los microorganismos más adecuados a las condiciones existentes en la
pila y se hacen crecer para luego introducirlos en el mineral o inocular,
sembrándolos mediante aspersores.
La solución ácida que se infiltra a través de la pila va disolviendo el cobre
contenido en los minerales sulfurados, formando una solución de sulfato de
cobre (CuSO4) que es recogida por el sistema de drenaje, y llevada fuera del
sector de las pilas en canaletas impermeabilizadas hasta la planta de
extracción por solvente. Aquí se recupera el cobre de la solución para luego
formar los cátodos en la etapa de electroobtención, y el ácido es refinado y
recirculado para el riego de las pilas.
Se estima que para lograr un máximo de recuperación de cobre de 80-90% se
requieren de 250-350 días de biolixiviación. Las principales ventajas de la
biolixiviación en pila son el bajo capital y costos de operación, la ausencia de
emisiones tóxicas y la minimización o la completa eliminación de cualquier
descarga de agua porque se reciclan todas las soluciones.
Biolixiviación en botaderos
Con esta tecnología se procesa lastre19, minerales de baja ley de cobre
(menor a 0,5 %), mineral recién extraídos de la mina, sulfuros secundarios y
primarios. Como el contenido de cobre en estos minerales es tan mínimo como
para cubrir los costos de la flotación y fundición, los grandes fragmentos de
mineral son arrojados a los botaderos. Estos tienen una base impermeable
desde la que se puede capturar los lixiviados.
En la superficie del botadero se aplica la solución de acido sulfúrico y agua. Los
microorganismos crecen naturalmente dado que se dan las condiciones
óptimas para su crecimiento.
Debido al gran tamaño de las partículas de mineral, el área de contacto entre
microorganismo-mineral disminuye, y sumado a una baja aireación, pues no se
instalan líneas de aire, la acción microbiana disminuye afectando la eficiencia
del proceso. Es por ello que la biolixiviación de cobre en los botaderos se mide
en décadas, debido a la baja tecnología aquí aplicada. Sin embargo, por esto
último es un método muy económico.
Los minerales son lixiviados donde fueron colocados para su eliminación, y
desde la base la solución de lixiviación es dirigida a los procesos de extracción
con solvente y electroobtención para la posterior producción de cátodos de
cobre. Al igual que la biolixiviación en pilas, el ácido también es refinado y
recirculado a la parte superior del botadero.
Biolixiviación in situ
La biolixiviación in situ, trata el mineral en la mina, previa fractura de esta por
tronadura permitiendo a la solución fluir libremente.
Este método se aplica a minas abandonadas y minas subterráneas, donde los
depósitos de mineral no pueden ser extraídos por los métodos convencionales,
por ser minerales de baja ley o de pequeños depósitos o ambos, siendo no
rentable su extracción.
Por las implicancias ambientales que conlleva la utilización de soluciones
acidas en un área de suelo no impermeabilizado, es que su aplicación es
mínima.
2.3.2 PROCESOS BASADOS EN LA AGITACIÓN
Biolixiviación en tanques agitados
Se utiliza para minerales de ley intermedia a alta y concentrados de mineral,
que generalmente es calcopirita, debido al capital y costos de operación
asociados con esta tecnología.
Los minerales son depositados en un tanque de acero inoxidable de gran
tamaño, equipado con agitadores mecanizados y con la introducción de aire
por ventiladores, lo que asegura la disponibilidad de oxigeno y dióxido de
carbono para los microorganismos.
Es necesario inocular estos reactores con los microorganismos, para lograr la
biolixiviación que opera en un proceso continuo.
2.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE SU APLICACIÓN
El uso de estas especies de bacterias a nivel industrial está asociado
directamente a su capacidad de crecimiento en medio ácido (carácter acidófilo),
a los escasos requerimientos de nutrientes e infraestructura necesarios, debido
a que no requieren fuentes orgánicas de energía ni mantenimiento de
temperaturas elevadas. Otras ventajas de la tecnología microbiana sobre los
métodos convencionales son:
- Requiere poca inversión de capital, ya que las bacterias pueden ser aisladas
a partir de aguas ácidas de minas.
- Presenta bajos costos en las operaciones bio-hidrometalúrgicas, en
comparación con los procesos convencionales.
- No se emiten gases ni polvo, lo que produce un impacto ambiental varias
veces inferior a la tecnología clásica de pirometalurgia, que genera emisiones
con altos contenidos de dióxido de azufre (SO2) y arsénico (As), por el
tratamiento de sulfuros en fundiciones.
- Permite ahorrar en tecnología de abatimiento, como sistemas o chimeneas de
alto costo, al bajar los índices de azufre y arsénico asociados a hornos de
fundición.
- Permite el tratamiento de los recursos y reservas crecientes de minerales con
baja ley de cobre que no pueden ser económicamente procesados por los
métodos tradicionales.
- Se pueden tratar concentrados que contengan altos niveles de metales con
efectos negativos para la fundición de cobre como de zinc.
- La acción de las bacterias permite lixiviar los minerales sulfurados a
temperatura y presión ambiente en la presencia de oxigeno, obtenido del aire.
- Durante el proceso se genera parte del acido y el calor requeridos en la
lixiviación.
El acido se genera como producto de las reacciones de oxidación y el calor se
libera por la oxidación de la pirita, a veces presente en la matriz de mineral, lo
que aumenta cerca de 7°C la temperatura en el medio.
- Los microorganismos crecen y se reproducen sin la necesidad de adicionar
una fuente de carbono, pues la obtienen del dióxido de carbono del aire.
Entre las desventajas propias de la tecnología aplicada son los impactos
ambientales que esto genera, reflejado en la alta producción de ácido por parte
de las bacterias (en particular contaminando fuentes de aguas subterráneas).
Este hecho, junto con la búsqueda por hacer más eficientes los procesos de
biolixiviación, ha impulsado la búsqueda de soluciones a nivel genético de la
bacteria.
- A bajas temperaturas la acción de las bacterias disminuye y con ello la
recuperación de cobre. Sería necesario invertir en un sistema que pueda
aumentar la temperatura en la matriz de mineral, para garantizar
recuperaciones mayores de cobre.
- Los tiempos para una recuperación significativa de cobre, son más largos
para metodologías menos controladas, como la biolixiviación en botaderos.
- Es importante controlar variables como la temperatura, aireación, pH, tamaño
de partículas, para asegurar las condiciones óptimas de funcionamiento de las
bacterias, pero esto resulta difícil en metodologías de mayor envergadura como
los botaderos y las pilas.
2.5 APLICACIÓN DE LA BIOLIXIVIACIÓN
2.5.1 Desarrollo nacional
La biolixiviación en Chile comenzó a experimentarse en Chuquicamata de la
División Norte de Codelco, II Región a comienzos de los 70’ en pilas de ripio de
mineral de ley marginal, desde donde era posible recuperar cobre mediante
unas bacterias. Del estudio
en terreno, se lograron aislar y hacer cultivos de estas bacterias, para
posteriormente esparcirlas en solución sobre la pila de mineral, potenciando el
proceso de biolixiviación que se daba por las bacterias naturalmente presentes
(CIMM, 2005).
En 1986 se inició la aplicación comercial de la biolixiviación a minerales
sulfurados remanentes de la lixiviación primaria de minerales oxidados y mixtos
de cobre, en la mina Lo Aguirre de la Sociedad Minera Pudahuel Ltda. ubicada
en la Región Metropolitana. Al comienzo de sus operaciones, los minerales
oxidados y mixtos de cobre caracterizaban el yacimiento de la mina, pero
paulatinamente comenzó a disminuir el contenido de óxidos del mineral recién
extraído, hasta que en 1987 éste era tan bajo que desde ese mismo año, se
comenzó a aplicar la biolixiviación ya no como una lixiviación secundaria, sino
como la única alternativa de lixiviación para los minerales extraídos por la
minera, por tener un alto contenido de sulfuros de cobre. La mina se clausuró
en 1996 debido al agotamiento del yacimiento.
Luego en los años 1993 y 1994 nacen 2 proyectos mineros en la I Región:
Cerro Colorado y Quebrada Blanca respectivamente, con ellos se impuso el
desafío de implementar la biolixiviación en condiciones adversas de altura
geográfica y de temperatura ambiente. (Domic E., 2001).
La planta Cerro Colorado, de BHPBilliton, desde un principio fue diseñada para
realizarbiolixiviación de minerales oxidados y sulfurados, compuestos
principalmente de crisocola y calcosina respectivamente. El proceso de
producción en Cerro Colorado incluye la extracción de mineral a rajo abierto,
chancado, aglomeración, lixiviación en pilas dinámicas, extracción por
solventes y electro-obtención, así el mineral sulfurado se disuelve por acción
bacterial y el mineral oxidado por la acción de la solución acida. (Minergía,
2006)
La planta Quebrada Blanca, inició sus operaciones para la biolixiviación de
sulfuros secundarios de cobre, siendo calcosina mayoritariamente. Su proceso
de producción incluye las mismas etapas que se hacen en Cerro Colorado,
pero para hacer la aglomeración y el riego de pilas las soluciones se calientan
con el objetivo de aumentar la temperatura de las pilas, que se ve favorecida
con las cubiertas de plástico. Para seguir cumpliendo con las metas de
producción, en el año 2003 incorporaron la lixiviación en botaderos, que aporta
con el 25% de la producción por biolixiviación (Hydro Copper, 2007).
La factibilidad técnica y económica del proceso de biolixiviación fue un tema
importante de probar en el año 1997, a raíz de esto Codelco y BHPBilliton se
unieron en una alianza estratégica –join venture- y formaron una sociedad
constituida en partes iguales llamada Alliance Copper Limited, ACL. Codelco
aportó con su experiencia en extracción con solvente y electroobtención,
mientras que BHPBilliton contribuyó con su conocimiento en la tecnología de
biolixiviación con marca BioCop, de concentrados de cobre en tanques
agitados. Esta alianza permitió tener en operación una planta piloto en la
división Chuquicamata durante 4 años, tiempo en el cual los estudios
realizados permitieron validar la tecnología (Codelco, 2002). El principal logro
fue encontrar una solución a la explotación de yacimientos con un alto
contenido de arsénico, pues esta tecnología deja el arsénico en una especie
estable como para ser dispuesto como relave (Minería Chilena, 2005). Con la
tecnología probada, el paso siguiente fue la creación de una planta prototipo de
biolixiviación con una capacidad de producción de 20.000 toneladas de cátodos
por año, la que obtuvo la resolución de calificación ambiental favorable por
parte de la Corema- II Región, el 2005. El próximo objetivo era la creación de
una planta a escala industrial, con capacidad de 100 a 150 mil toneladas de
cátodos de cobre por año, para el procesamiento de concentrados de la mina
ministro Alejandro Hales (ex Mansa Mina).
El año 2006 se disolvió la alianza ACL y Codelco compró las acciones a BHP
Billiton, por lo que la empresa pasó a llamarse EcoMetales Limited. Como la
tecnología BioCOP está patentada por BHP, en la venta se retiró la licencia
BioCOP, los equipos y tecnologías asociados a este proceso, quedándose
Codelco con los demás activos de la planta, los que podía emplear para
desarrollar otros procesos distintos a BioCOP, tecnología que según el acuerdo
de fin de la alianza, no podría ser utilizada por Codelco hasta el año 2016.
Actualmente EcoMetales procesa polvos de fundición de las fundiciones
Chuquicamata y Ventanas (EcoMetales, 2009).
En un esfuerzo del Gobierno de Chile por implementar la biotecnología en los
sectores económicos claves como la minería, nace el programa Genoma Chile
el año 2001 para financiar parte de los proyectos de investigación presentados
en este contexto. En este marco se crea BioSigma S.A, una alianza estratégica
–join venture- entre Codelco (66,7%) y Nippon Mining & Metals Co., Ltd (33,3
%), que comenzó sus actividades el 2002. En el programa de biominería de
Genoma Chile que contribuyó con US$ 2 millones20, esta alianza realizó un
proyecto de investigación de biolixiviación que abarcaba desde su optimización
hasta estudios genéticos de los microorganismos involucrados. Uno de los
resultados obtenidos de la investigación hasta el 2006, fue el aislamiento,
secuenciamiento e identificación del genoma de 3 bacterias altamente
eficientes en la oxidación de hierro y azufre de los minerales de cobre, lo que
optimiza los tiempos para la recuperación de cobre. Estas bacterias fueron
bautizadas con nombres del mapudungún Wenelen (pionera) recientemente
patentada, Licanantay (la atacameña) y Yagan (la fueguina), estas últimas en
espera de sus patentes. (Portal Minero, 2009).
BioSigma S.A., no sólo ha desarrollado avances importantes a nivel de la
investigación de laboratorio. En conjunto con CODELCO, ha venido
desarrollando en los últimos dos años una aplicación piloto en la División
Andina para el tratamiento de una pila de 50.000 ton. de mineral de baja ley
(95% de calcopirita), alcanzando con la tecnología aplicada por BioSigma tasas
de recuperación de hasta un 35% de cobre.
Los exitosos resultados en la planta piloto, han validado la tecnología aplicada,
y que en la actualidad se apresta a un desarrollo a escala industrial. En esa
línea, se espera para el 2010 la puesta en marcha de una aplicación a gran
escala, sobre una pila de más de 20 millones de toneladas de minerales mixtos
(oxidos y sufuros secundarios y primarios, en particular calcopirita), lo que
significará un aumento en la producción anual del orden del 10% al 20%.
Por otra parte, la minera Escondida, con BHPBilliton como dueño mayoritario,
ha implementado el proceso de biolixiviación en sus instalaciones. Esta minera
produjo el primer cátodo de cobre mediante biolixiviación en pilas el año 2006,
y tiene una producción estimada de 180.000 toneladas de cátodos anuales.
Durante los años de operación, Escondida y Escondida Norte han acumulado
1.500 millones de toneladas de mineral sulfurado de baja ley, con lo que se
estima una vida útil de 20 años para el nuevo proyecto de biolixiviación, que
necesitó una inversión de US$ 870 millones que considera además la
construcción de una nueva planta de electroobtención, una planta
desalinizadora de agua de mar y el tendido de cañerías para transportar el
agua obtenida a la planta de biolixiviación (Minera Escondida, 2006). Un aporte
importante en materia de investigación asociada a los procesos de la minera
Escondida, ha estado a cargo del Centro de Biotecnología de la Universidad
Católica del Norte, quienes en asociación con Escondida, y con varios
proyectos públicos concursados, desarrollan investigación en las pilas de
materiales de baja ley.
Otras compañías mineras también han desarrollado con éxito la biolixiviación
en susplantas, y/o desarrollan investigación en la materia. (Ver Tabla 2,
Anexo).
2.5.2 INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
Patentes y Marcas
Una patente es un derecho de propiedad industrial, que permite al titular utilizar
y explotar su invención e impedir que terceros la utilicen, fabriquen, distribuyan
o vendan, sin su consentimiento. Este derecho exclusivo para proteger una
invención lo concede el Estado, a través del Instituto Nacional de Propiedad
Industrial (INAPI). Las patentes se otorgan a nivel nacional por un período de
10 ó 20 años, dependiendo de la patente solicitada, periodo que comienza
desde la fecha de presentación de la solicitud. (INAPI) Una vez concedida la
patente en el país donde se realizó la invención, esta se puede patentar en
otros países, como el caso de la bacteria wenelen que luego de ser patentada
en Chile se patentó en Estados Unidos.
El resumen de la patente obtenida por Biosigma dice: “la presente invención se
relaciona con una bacteria aislada, quimiolitotrofica de la especie
acidithiobacillus ferrooxidans denominada wenelen, su uso en la lixiviación de
minerales o concentrados de especies metálicas sulfuradas y procesos de
lixiviación basados en el uso de la bacteria, o mezclas que la contengan. Esta
cepa wenelen tiene una actividad oxidante aumentada, especialmente en el
caso de la calcopirita, en comparación con otras bacterias conocidas. Debido a
lo anterior, esta bacteria presenta un gran interés para aplicaciones de la
biominería”. (INAPI)
Al igual que una patente, una marca también es un derecho de propiedad
industrial. Por marca se entiende a “todo signo -palabra, etiqueta con diseño o
su combinación utilizado para distinguir en el mercado, productos, servicios,
establecimientos industriales y comerciales” (INAPI). Tener registrada una
marca le da al titular el derecho exclusivo de utilizarla para identificar bienes o
servicios, durante un periodo de 10 años renovables indefinidamente por
periodos iguales. Para permitir su uso por parte de terceros, el titular de la
marca puede hacer contratos de licencia, por los que obtiene ganancias.
Una marca asociada al área de la biominería es BioCOP®, un proceso
desarrollado por BHP Billiton en Sudáfrica y aplicado en Chile. Su objetivo es
procesar concentrados de minerales sulfurados de cobre con un contenido
importante de arsénico, impureza que impide la vía de la pirometalurgia, y se
utilizan bacterias termófilas que disminuyen los tiempos de recuperación de
cobre.
Investigación
El éxito de la aplicación de una nueva tecnología depende claramente de su
eficiencia, la que puede ser aumentada mediante el manejo de diferentes
factores. Este objetivo ha sido perseguido en las investigaciones destinadas a
mejorar el proceso de biolixiviación. Una de ellas ha sido la dirigida por el Dr.
David Holmes en el Centro de Bioinformática y Biología Genómica de la
Universidad de Santiago. Su investigación se basa en el estudio de fragmentos
del genoma de la bacteria Acidithiobacillus ferrooxidans, tarea facilitada por el
conocimiento de la secuencia completa de su genoma, realizada en Estados
Unidos. Con la ayuda de programas computacionales se hace la identificación
de algunos genes, para luego determinar su función en el comportamiento de la
bacteria. Conociendo la función de un determinado gen sería posible cambiar y
aumentar la capacidad de biolixiviación de la bacteria, lo que favorecería la
producción de cobre y con ello la economía del país (Bioplanet, 2004).
BioSigma S.A por su parte, ha desarrollado una tecnología que le permite, en
lapsus breves de tiempo, procesos de identificación y diagnóstico de los micro-
organismos (BioID), control de las funcionalidades de los mismos (Planta de
Biomasa), y control de las condiciones de operación de éstos en el
medioambiente. Estos dos últimos procesos, son considerados fundamentales
y diferenciadores en los procesos de la biolixiviación, puesto que no solo se
identifica el micro-organismo que se busca, sino que se logra controlar sus
funcionalidades y se logra reproducir lo que realmente se requiere para un
proceso determinado.
2.5.3 PRODUCCIÓN ACTUAL
Parte importante de la economía nacional depende de la producción de cobre.
Si bien, la participación en el PIB nacional de la minería del cobre bordea el 6%
aproximadamente en precios constantes de 2003, en términos del aporte al
fisco, CODELCO y ENAMI, representan aproximadamente el 15% del total de
ingresos fiscales (COCHILCO, 2009). Por ello es importante mantener las
metas de producción, lo que se hace cada vez más difícil debido al
agotamiento de los recursos de mayor ley de cobre y minerales oxidados
dejando para la explotación, los recursos de menor ley de cobre y los
minerales sulfurados. Ante este panorama, es muy importante el aporte que
hacen las nuevas tecnologías como la biolixiviación, en incrementar la
producción total de cobre.
Se estima actualmente, que a través de la tecnología de la biolixiviación se
recuperan anualmente 555 miles toneladas de cobre fino, lo que sobre un total
de producción anual de cobre fino de 5.330,3 miles de toneladas, representa el
10,4% de la producción total de Cobre (ver cuadro siguiente).
Cuadro 1. Producción de cobre en Chile bajo tecnología de Biolixiviación
CAPITULO III LIXIVIACION A PRESI
ON DEL
COBRE O
INTRODUCCION
En los últimos 15 años las condiciones de extracción se han perfeccionado y
hay mineras que son líderes mundiales en el uso de tecnología de autoclaves,
la que se ha venido utilizando desde entonces, cuyo desempeño ambiental ha
sido bien documentado y reconocido.
La idea es hacer una minería con impacto mínimo para el medio ambiente y
que la tierra pueda ser recuperada después que cesen las operaciones de
extracción, todo aquello nos lleva a pensar en una minería más responsable y
sustentable en el tiempo, la protección y conservación del entorno es uno de
los principales objetivos de trabajo.
Por ello, los autoclaves, son considerados aptos para medio de lixiviación de
sulfuros en los cuales no se tiene contaminación de gases al exterior de este,
CAPITULO III LIXIVIACION A PRESI
ON DEL
COBRE O
excepto vapor, y se realiza la refinación de metales que tiene impurezas y así
podremos ver como un proceso tan amigable con el medioambiente puede ser
tan efectivo en la separación, como lo es este método de separación de pulpas.
3. LIXIVIACION A PRESION (AUTOCLAVES) DEL COBRE.
La lixiviación a presión se realiza con dos fines: una para acelerar la disolución
de todos los valores que contienen la solución de lixiviación y para mejorar la
solubilización de los sólidos que son solubles lentamente a la presión
atmosférica.
Las autoclaves que se usan para la lixiviación a presión temperaturas más
altas que la que es posible tener con los tanques abiertos y esto acelera
también la rapidez de disolución.
Los gases como el oxígeno, son con frecuencia importante para la disolución
rápida de los componentes metálicos, y la cantidad de estos gases que pueden
mantenerse en la solución lixiviante dependerá de la presión del gas en el
autoclave, disolviéndose una mayor cantidad mientras más alta sea la presión y
consecuentemente, mayor será la rapidez de disolución de los sólidos.
Los minerales tales como los sulfuros, que son relativamente insolubles en
condiciones de lixiviación en el tanque abierto, se vuelven solubles si pueden
mantenerse una presión suficientemente alta para forzar cantidades
considerables de oxígeno en la solución lixiviante: esto elimina el tratamiento
preliminar que se requiere para los sulfuros que es primero para la tostación
oxidante para convertir los sulfuros en sulfatos solubles u oxido antes de
lixiviarlos.
La lixiviación se efectúa en varios recipientes de reacción instalado en serie, y
en aproximadamente 90minutos entra en solución en 95% del contenido
metálico que llevan los sólidos. La solución cargada se separa del residuo
insoluble en espesadores y se dirige a la planta de precipitación para recuperar
los valores que contiene.
3.1 PROCESO DE LIXIACION A PRESION DEL COBRE.
Los procesos que se dará a conocer es:
3.1.1 PROCESO SHERRITT-GORDON
Este proceso es usado por Sherritt Gordon Mines Ltd. De Ford Saskatchewan
Alberta, Canadá y es como sigue.
El proceso comienza donde los concentrados de flotación son acondicionados
en un tanque con agua y de ahí son pasados a la primera autoclave donde se
le añade amonio y aire para llevar a cobo la lixiviación ,de la autoclave ,el gas
de escape sale y es enfriado ,pasado a una columna de absorción para
recuperar el amonio y reciclarla. El licor rico para un intercambio de calor,
enfriado con agua, el cual reduce la temperatura hasta 32°C (90°F) y
posteriormente a un espesador.
Los flujos de a parte baja del espesador se filtran. La solución del filtro pasa de
nuevo al espesador mientras que los sólidos son nuevamente acondicionados
con una solución de amonio fresca y bombeada a una segunda autoclave de
lixiviación a una temperatura de 80°C y una presión de 8.90 atm. La pulpa
lixiviada de esta etapa también pasa a través de un intercambio de calor y un
espesador, donde la solución de derrame va de nuevo a la primera etapa de
lixiviación para ser mezclada de nuevo con los sulfuros y formar la primera
etapa.
Los solido insolubles Fe2O3 y SiO2, del espesador de la segunda etapa de
lixiviación, van al circuito de lavado en el cual son filtrados, lavados,
acondicionados 4 veces antes de ser descargados a los terreros.
El licor que derrama el primer circuito de lixiviación se envía a un pre
calentador y a una serie de 4 hervidores; los gases del primer hervidor pasan a
un separador, donde los gases son enviados a un condensador para recuperar
agua-amonio; después de los 4 hervidores, la solución pasa a un re hervidor,
donde se le adiciona H2SO4, a una presión de 2 atm para limpiar y eliminar las
impurezas, y formar CuS.
El licor va a una serie de 3 tanques de retención, pasado a un filtro de presión
donde los sólidos están formando CuS el cual es enviado a fundición y el licor
pasa a otra autoclave donde se adiciona ácido sulfúrico para extraer el cobre
que pudo haberse quedado; pasa nuevamente a un filtro a presión donde el
sólido se envía nuevamente al primer circuito de lixiviación. El licor que va libre
de cobre va a un pre calentador a 48.90 atm y se introduce aire. De ahí pasa a
un intercambiador de calor a vapor, luego a una autoclave de oxhidrólisis, por
medio de aire y de ahí son oxidados para formar sulfatos a una temperatura de
240°C y a una presión de 42.09 atm, de nuevo pasa la solución al pre
calentador para precalentar la solución libre de cobre.
La solución sale del pre calentador, conteniendo 45 g/l de níquel, 1g/l de
cobalto, 350 g/l de sulfato de amonio; es enviada a otra autoclave para llevar a
cabo una reducción con H2; esto sucede a una temperatura de 200°C y una
presión de 31.82 atm; una vez completada la reacción, pasa a un tanque flash
para reducir la presión el cual sirve de separador. Los polvos que salen de
abajo son llevados a un circuito de lado a un clasificador de rastrillo y pasa a un
filtro agregando más agua. Los sólidos que salen pasan a un separador de gas
natural para obtener el níquel en forma de polvo.
La solución que sale del tanque flash es llevada a un tanque de reacción donde
se le adiciona ácido sulfhídrico para formar sulfuros de cobalto; de ahí pasa a
una oxidación con NH3 y aire a una temperatura de 120°C y a una presión de 7
atm; esto es para llevar el cobalto a su estado trivalente formándose el ion
cobalto amino (Co (NH3)5+3).
La siguiente etapa es una acidificación con ácido sulfúrico donde salen dos
corrientes, una que contiene Ni (NH3) nSO4, que se junta con la corriente que
sale de oxidación la cual contiene Fe (OH)3 y pasan a la primera lixiviación.
La otra, de acidificación pasa a una etapa de cementación donde se le añade
cemento en polvo; ahí hay nuevamente dos corrientes; una que contiene níquel
y cobalto en polvo que va de nuevo a acidificación y la otra va a reducción
donde se adiciona hidrogeno a una temperatura de 175°C y una presión de 20
atm, donde sale a una serie de lavados como en el caso del níquel y así
obtener el cobalto en forma de polvo.
La solución residual de reducción va de nuevo al tanque de reacción donde se
le añadió el ácido sulfhídrico para ser vuelta a tratar.
EQUIPOS DEL PROCESO SHERRITT-GORDON
Tanque repulpeador
Autoclave de lixiviación
Intercambio de calor
Espesador
Filtro de disco
Pre calentador
Separador
Hervidores (4 en serie)
Re hervidor
Tanque de retención (3 en serie)
Filtro de presión
Autoclave de extracción de cobre
Pre calentador
Calentador
Autoclave de oxhidrólisis
Autoclave de reducción de níquel
Tanque flash
Tanque de reacción
Clasificador
Filtro
Secador
Tanque de lavado
Condensador
3.2 LIXIVIACION EN AUTOCLAVES.
En general, la práctica industrial de la lixiviación presenta diferentes sistemas
de operación que se seleccionan de acuerdo a factores técnicos y económicos
en el análisis de un proyecto, algunos de los cuales son
Ley de la especie de interés a recuperar.
Reservas de mineral.
Caracterización mineralógica y geológica.
Comportamiento metalúrgico.
Capacidad de procesamiento.
Costos de operación y de capital.
Rentabilidad económica.
Para el caso de los minerales sulfurados de cobre, lixiviarlos es un proceso que
se espera que sea más complejo debido a que los enlaces entre los iones de
los minerales sulfurados es más fuerte que los comunes, haciéndolos más
resistentes a las temperaturas y presiones, lo que se conoce como la
naturaleza refractaria de los minerales de sulfuro. Esto implica que a menudo
en las plantas procesadoras de minerales de cobre se usen reactores
presurizados, llamados autoclaves.
El equipo utilizado para la lixiviación a presión es parte medular de los
procesos de recuperación de mineral, ya que de ello depende de la eficiencia
del proceso.
Para la lixiviación a presión se utilizan autoclaves que pueden ser horizontales
o verticales; los cuales soportan altas temperaturas y presiones, estas
poseen sistemas de enfriamiento, y en algunos casos agitación mecánica.
Se construyen de diferentes materiales dependiendo de la solución utilizada.
3.2.1 COMPONENTES DE UNA LIXIVIACION ACIDA A AUTOCLAVE
HORIZONTAL
Autoclaves son recipientes a presión, en forma de cilindros (horizontal o vertical)
o largos tubos horizontales. Para asegurar la mezcla completa de los reactivos,
autoclaves están generalmente agitado. Los métodos de agitación varían, e
incluyen la inyección de vapor a alta presión, agitación mecánica, o la rotación
de la autoclave conjunto. Cuando se utiliza con medios corrosivos, autoclaves
están construidos de aleaciones especiales de acero, titanio, y otros materiales
de alto grado. En algunos casos, las superficies interiores de los autoclaves
están revestidos con caucho o material cerámico.
Autoclaves son ampliamente utilizados por Dynatec para no ferrosos
hidrometalurgia. Autoclaves se utilizan en el proceso de ácido Matte Leach y la
laterita de níquel Proceso de lixiviación ácida, debido a que permiten altas
temperaturas y presiones que se utilizará. Los autoclaves contienen de cuatro a
seis compartimentos, cada uno se agita con un mezclador de turbina accionada
eléctricamente desde la parte superior. Las autoclaves están equipadas con
agitadores para mantener los sólidos finos en suspensión y promover la mejor
acción de lixiviación. El siguiente esquema muestra los componentes de una
lixiviación ácida a autoclave horizontal:
1. Montaje del Motor Drive para agitador
2. Compartimiento del Divisor
3. Agitador Eje
4. Servicio Boquillas
5. Soporte Saddle
6. Carbon Steel Shell / plomo y el ladrillo forrado
Esquema de una lixiviación ácida a Autoclave Horizontal
DIAGRAMA DE FLUJO
TRITURACION
MOLIENDA
INTERCAMBIO DE CALOR
AUTOCLAVE
INTERCAMBIO DE CALOR
FILTRO
PRECIPITACION
3.2.2 FUNCIONAMIENTO DE LAS AUTOCLAVES:
Material de molienda (roca molida) contiene un alto nivel de sulfuro. Para
separar los metales, entre ellos el cobre, es necesario “cocerlos” dentro de las
autoclaves que permiten capturar los gases y eliminar los residuos tóxicos.
En estas enormes ollas de presión, el sulfuro se somete a altas temperaturas y
baños a presión en oxígeno puro, convirtiéndolo en óxido de metal. El resultado
es un proceso ambientalmente amigable para la separación de la partícula de
interés.
La lixiviación por presión es una alternativa hidro-metalúrgica bien establecida
para oro, níquel, PGE y minerales metales básicos.
Desde 1985, se han desarrollado diagramas de flujo y operando plantas piloto
integradas en respaldo de estudios de factibilidad bancables que incluyen
lixiviación por presión. Numerosas plantas operativas han sido construidas.
3.2.3 PRINCIPALES CARACTERISTICAS DEL PROCESO.
Las principales características de este tipo de proceso son:
4. Requiere de minerales finamente molidos.
5. Las impurezas son co-precipitadas (junto a los óxidos de hierro).
6. La temperatura del proceso varía en 3 rangos:
1.- 100-110ºC (con formación de sulfuro elemental).
2.- 150ºC (formación parcial de sulfuro elemental.
3.- 220ºC (oxidación del sulfuro a sulfato).
7. Una característica de estos procesos (lixiviación a presión) es que las
impurezas tales como antimonio, arsénico, bismuto, mercurio y varias
otras, con ampliamente co precipitadas en la lixiviación con los óxidos de
hierro, haciendo posible el tratamiento de concentrados "sucios". Otra
ventaja es que son capaces de tratar directamente concentrados de más
baja ley que la mínima necesaria por los procesos piro metalúrgicos.
Esto ofrece el potencial de obtener mayores recuperaciones totales en
cobre y especialmente en los metales preciosos (siempre y cuando sea
liberados y recuperados posteriormente por cianuración).
3.2.4 EQUIPOS PARA LA LIXIVIACION A PRESION:
3.2.4.1 EQUIPOS DE LIXIVIACIÓN PARA PENTLANDITA: (también llamados
equipos para el proceso sherritt-gordon): Se utilizan 2 autoclaves, ya que la
lixiviación se lleva en dos etapas. Las autoclaves son horizontales y están
divididas en 4 compartimientos, y cada uno con su propio impulsor para así
mantener los sólidos en suspensión y además tienen vertederos ajustables.
Están equipadas con serpentines de enfriamiento, para extraer el exceso de
calor generado por la reacción.
Las autoclaves están construidas de acero inoxidable o de titanio, para resistir
el fuerte ataque de la solución de lixiviación; los serpentines de enfriamiento
son de titanio y los impulsores de acero inoxidable.
3.2.4.2 EQUIPOS DE LIXIVIACIÓN PARA CARNOTITA
(también llamados equipos para el proceso alcalino para uranio): Se lleva a
cabo en autoclaves horizontales y cilíndricas, con impulsores del tipo propela.
Las autoclaves están conectadas en serie en un banco de 6 a 9 autoclaves;
están aisladas con fibra de vidrio para mantener el calor generado por la
reacción, varios serpentines van insertados en la primera y tercera autoclaves
con el propósito de elevar la temperatura.
El material de construcciones de acero, lo mismo para sus impulsores, ya que
los problemas de corrosión es mínimo.
3.2.4.3 EQUIPOS DE LIXIVIACIÓN PARA BAUXITA
(también llamados equipos para el proceso Bayer): Las autoclaves son
horizontales del tipo tanque con agitadores. Pueden ser enchaquetadas para
vapor o inyectando vapor presurizado.
Están construidas de acero al carbón y sus agitadores de acero inoxidable.
Las autoclaves pueden ser del tipo Batch o continúo.
3.3 LA BORNITA Y SU LIXIVIACIÓN EN AUTOCLAVE.
La bornita o erubescita es un mineral del grupo de los Sulfuros. Es un sulfuro
de hierro y cobre, de color cobre manchado con iridiscencias púrpuras, siendo
su fórmula química es Cu5 Fe S4.
Se forma en las intrusiones ígneas, formándose como mineral primario de
cobre en los filones pegmatíticos e hidrotermales asociados a cámaras
magmáticas. También puede aparecer de forma secundaria, en las zonas de
oxidación de los yacimientos asociada a la malaquita.
Es extraída por su importancia industrial como mena del cobre y se encuentra
en depósitos porfídicos junto con otra mena de cobre más abundante y común,
la calcopirita. Tanto la calcopirita como la bornita son sustituidas por calcosina
y covelina en los depósitos enriquecidos en cobre.
Algunos de los grandes yacimientos de este mineral se encuentran en México,
Estados Unidos, Perú y Chile.
Como logramos ver anteriormente, la naturaleza refractaria de los minerales
sulfurados hace más difícil su lixiviación, esto se ve reflejado al comparar
minerales oxidados y sulfurados con respecto a su recuperación y al tiempo
que se demora en recuperar el mineral de cobre.
Su disolución por debajo de 40°C con Fe+³, se realiza por dos etapas, siendo la
primera mucho más rápida, termina con la disolución del 28% del cobre, la
segunda es lenta y prácticamente se detiene cuando un 40% del Cu ha sido
extraído. Además se obtiene como subproducto de esta segunda etapa a la
calcopirita, la cual para disolverse también necesita de dos etapas, pero esta
vez ambas son lentas, lo cual solo deja espacio a una lixiviación en autoclaves
para hacer económica su recuperación, pero esto se hablara con mayor detalle
más adelante.
Si bien la bornita puede tratarse a temperaturas normales, así mismo podemos
tratar desde un comienzo este mineral a temperaturas mayores, en donde las
dos etapas se presentan con mayor rapidez, la primera hasta con un 40% de
extracción y la lenta hasta la disolución total del cobre. Estos resultados hacen
que la lixiviación en autoclaves sea una gran oportunidad para la industria para
recuperar más cobre y en menor tiempo.
3.3.1 LIXIVIACIÓN A PRESIÓN DE CALCOPIRITA SULFURIZADA EN
MEDIO ÁCIDO SULFURIZADA EN MEDIO ÁCIDO SULFURICO-OXÍGENO
La recuperacón de cobre desde concentrados de calcopirita por lixiviación es
difícil debido a que este mineral se disuelve muy lentamente en la mayoría de
los medios de lixiviación. Mediante reacción de la calcopirita con azufre
elemental a 325-400 ºC se produce una mezcla de sulfuros simples según:
CuFeS2= CuS+FeS2
En este trabajo, se presentan resultados experimentales de la lixiviación a
presión de calcopirita sulfurizada con ácido sulfúrico oxígeno. La lixiviación del
material sulfurizado es más rápida y puede ser selectiva dependiendo del
medio de lixiviación.
TRABAJO EXPERIMENTAL
Materiales:
Se utilizaron dos fracciones de tamaño de concentrado de calcopirita.
División Andina:
Muestra A: -75+53 μm
Muestra B: -53+45 μm.
Sulfurización: Calentamiento con azufre elemental, en horno de tubo a 375 ºC por 2 horas.
Análisis químico de calcopirita sulfurizada
Lixiviación:En reactor autoclave Parr de 2 litros de capacidad con agitación mecánica,
sistema de inyección de oxígeno y manto calefactor.
Variables estudiadas:
Intensidad de agitación, concentración de ácido sulfúrico, presión parcial de
oxígeno, temperatura y tiempo de reacción. Todas las pruebas con 2% de
sólidos.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
EFECTO DE LA AGITACIÓN EN LA DISOLUCIÓN DE COBRE DESDE
CALCOPIRITA SULFURIZADA
El grado de agitación entre 200 a 500 rpm afecta significativamente la
extracción del cobre desde la calcopirita sulfurizada.
Sobre 500 rpm el efecto de la agitación es muy pequeño indicando
buena transferencia de masa.
EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DE ÁCIDO SULFÚRICO EN LA
DISOLUCIÓN
DE Cu Y Fe DESDE CALCOPIRITA SULFURIZADA
La concentración de H2SO4hasta 0.1 M afecta significativamente la
extracción de Cu. Sobre 0.1 M el efecto del ácido es despreciable
La extracción de hierro no depende de la concentración de ácido en el
rango estudiado.
EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA EXTRACCIÓN DE Cu Y Fe DESDE
CALCOPIRITA SULFURIZADA
Un aumento en la temperatura de 90 º a 100 º C aumenta la disolución
de Cu. A 120 ºC, la extracción de Cu es menor debido a la fusión de
azufre elemental sobre la superficie de la covelina.
La extracción de hierro en cambio aumenta en todo el rango de
temperatura.
EFECTO DE LA PRESIÓN PARCIAL DE OXÍGENO EN LA DISOLUCIÓN DE
Cu Y Fe DESDE CALCOPIRITA SULFURIZADA
La velocidad de disolución de Cu aumenta significativamente al
aumentar a PO2 de 5 a 10 atm, pero la extracción a tiempos largos es
similar. Por otro lado, la extracción de Fe es mucho más baja a PO25 atm
que a 10 atm.
A presiones parciales de oxígeno bajas se puede obtener altas
extracciones de cobre y buena selectividad cobre/hierro.
COMPORTAMIENTO EN LIXIVIACIÓN DE CALCOPIRITA CON Y SIN
SULFURIZACIÓN
Las pruebas de lixiviación a presiones de oxígeno de 5 y 10 atm muestran que
la Sulfurización con azufre elemental produce un gran aumento de la
reactividad del concentrado calcopirítico.
CONCLUSIONES
La lixiviación a presión de CuFeS2 sulfurizada es un proceso viable para
producir Cu desde concentrados calcopiríticos sin contaminación con
SO2.
La agitación sobre 500 rpm y la concentración de ácido sulfúrico sobre
0.1 M afectan muy poco la disolución de cobre desde la calcopirita
sulfurizada.
Un aumento de la temperatura de 90 a 100 ºC acelera la lixiviación de
Cu, pero un aumento adicional a 120 ºC reduce significativamente la
extracción de Cu a más 30 minutos. La disolución de Fe, en cambio,
aumenta con aumento de la temperatura en todo el rango estudiado.
Lixiviando a presión parcial de oxígeno de 5 atm se puede obtener
buena selectividad Cu/Fe. Un aumento de la presión parcial de oxígeno
a 10 atm acelera la velocidad de disolución del Cu pero deteriora la
selectividad.
La sulfurización de CuFeS2 aumenta la reactividad del concentrado
CAPIT
ULO IV
LIXIVIA
CION
DEL
URANI
O
E L U R A N I O
4.1DEFINICIÓN
El uranio es un elemento descubierto en 1789 por el químico alemán Martin
Klaproth, mientras analizaba muestras de mineral de plata provenientes de las
minas checas de Joachimstal. Recibe ese nombre en honor al planeta urano,
descubierto 8 años antes. Se localiza por primera vez en un mineral llamado
pechblenda y, hasta muchos años después, no se le encuentra otra utilidad que
la de dotar de color amarillo al cristal o a la cerámica.
En estado puro, es un metal de color plateado blanquecino, aunque pocas
veces se usa bajo esta forma, al menos para usos civiles.
Lo más corriente es trabajar con sus óxidos. El más estable es el U3O8,
aunque en la naturaleza la composición de sus minerales es muy variada,
dando lugar a vistosos ejemplares de colores llamativos, principalmente verdes
y amarillos. Sin embargo, la principal mena (así llaman los técnicos mineros a
los minerales de los que se extrae una sustancia aprovechable
económicamente) de uranio es la pechblenda o lo que se denominan óxidos
negros.
4.2PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS
Como es sabido, los átomos de cualquier elemento están compuestos por un
núcleo formado principalmente de protones y neutrones. El número de protones
es lo que se denomina número atómico y la suma de protones más neutrones
es el peso atómico.
En el caso del uranio, su número atómico es 92, lo que significa que su núcleo
consta de 92 protones. No obstante, con los átomos ocurre lo mismo que con
los programas informáticos: existen diversas versiones. Como el uranio no es
una excepción, tiene dos versiones, una con 143 y otra con 146 neutrones. A
estas versiones se les llama isótopos. Asimismo, puede decirse que el uranio
tiene dos isótopos, el U235 y el U238, ambos obtenibles de la naturaleza,
aunque el primero es menos abundante que el segundo, pues mientras del
U235 sólo encontramos un 0,7 %, del U238 un 99,3 %.
Los minerales de uranio en sus formas oxidadas (uranio hexavalente) son
solubles en agua; sin embargo, en sus formas reducidas (uranio tetravalente)
no lo son.
4.3CLASIFICACIÓN
No se puede hablar de tipos de uranio, al igual que no parece pertinente hablar
de tipos de plomo o de hierro.
Sin embargo, como se ha mencionado anteriormente, en el caso del uranio son
importantes los isótopos y, aunque existen más, es posible hablar
especialmente de dos de ellos: el U238, más abundante, y el U235, fisionable y
que juega un papel importante en su uso posterior.
Sabías que...
El uranio es un elemento muy pesado, es decir, su densidad es muy grande:
18,7 veces más denso que el agua y 1,78 veces que el plomo.
Los elementos químicos se ordenan y clasifican atendiendo a su número
atómico, formando lo que llamamos la Tabla Periódica de los elementos. El
átomo más sencillo es el hidrógeno, que sólo consta de un protón y un electrón,
y el más complejo, de los que se encuentran en la naturaleza, es el uranio con
sus 92 protones, pues otros más complejos sólo han sido obtenidos
artificialmente.
4.4OBTENCIÓN
A pesar de la tardanza en encontrarlo, la realidad radica en que el uranio es
considerablemente abundante en la naturaleza, pues existe tanto como el
estaño o como el wolframio. Sin embargo, se encuentra en proporciones muy
pequeñas (2 a 4 partes por millón) en las rocas de la corteza terrestre, entre las
que podemos decir también, que está el agua. Pero no siempre es así, y en
algunas ocasiones, por razones de las que ya hablaremos, se producen
concentraciones mayores en algunos lugares que dan lugar a posibles minas.
4.5EXPLORACIÓN E INVESTIGACIÓN
4.5.1 GEOLÓGICA
Los yacimientos de uranio pueden ser clasificados en varios tipos. De ellos los
5 que han dado lugar a las mayores minas son:
• Yacimientos o acumulaciones en contactos o discordancias entre un
basamento o roca cristalina y un sedimento clástico. Los yacimientos más
importantes de este tipo son los encontrados en la cuenca de Athabasca en
Canadá, que ha dado lugar a las minas más ricas del mundo (contenidos
superiores al 10.
• Yacimientos en areniscas de granulometría media y grosera de origen
continental fluvial o marino marginal, que hayan dado lugar a una roca con
características reductoras. Los yacimientos, investigados pero nunca puestos
en explotación, de la zona de Molina de Aragón y Mazarete (Guadalajara)
también pertenecen a este tipo.
• Yacimientos en brechas ricas en hematites que contienen uranio, aparte de
otros metales como cobre, oro, etc. El yacimiento más importante de este tipo
es el que ha dado lugar a la Mina de Olympic Dam (Australia), donde el uranio
es un subproducto, pues produce cobre como elemento principal y también oro.
• Conglomerados de cantos de cuarzo sedimentados en ambientes fluviales o
lacustres de edad superior a los 2,3 a 2,4 millones de años.
• Filones o brechas mineralizadas donde el uranio se presenta en compañía de
otros materiales como los carbonatos, pudiendo coincidir venas o filones de
diferente espesor y longitudes, así como de variable riqueza. Pertenecen a este
tipo los yacimientos de la provincia de Salamanca, que dieron lugar a la Mina
El uranio emite básicamente partículas alfa (átomo de helio) que son grandes y
lentas y sólo viajan en el aire pocos centímetros, con lo cual se desplazarían
todavía menos en un suelo; dado que su detección no sería fácil, se suele usar
la radiación gamma que emite el radio, mucho más fácil de detectar, ya que al
igual que los rayos X es una radiación electromagnética que puede atravesar
fácilmente sustancias sólidas. Como estas zonas pueden ser muy extensas, se
suelen realizar estas mediciones desde avionetas o helicópteros.
4.5.2 EXPLOTACIÓN MINERA
Una vez localizado el yacimiento, es necesario valorarlo y estudiar si es posible
explotarlo en condiciones económicas rentables. Lo primero que deberá
estudiarse es el método de explotación.
Existen yacimientos en los que es posible extraer el uranio sin necesidad de
mover tierras, aprovechando la facilidad de solubilidad del uranio. Esto es
viable si se dan ciertas condiciones, como tener confinado el yacimiento entre
capas impermeables, mientras que la roca que contiene el uranio es, por el
contrario, permeable y los minerales de uranio presentes son fácilmente
solubles.
Entonces, se puede recurrir a lo que se denomina lixiviación "in situ".
Lixiviación es sinónimo de disolución, e "in situ" es un término latino cuyo
significado es "en el mismo lugar".
La lixiviación "in situ" suele ser barata, pero deben tenerse en cuenta sus
importantes connotaciones medioambientales. Si el yacimiento no cumple las
condiciones adecuadas, o la legislación vigente, por el motivo que sea, impide
la realización de una lixiviación "in situ", debemos decidir si se puede explotar a
cielo abierto, es decir al aire libre, o si por el contrario, la profundidad a la que
se encuentra el mineral obliga a hacerlo mediante galerías y pozos, es decir
mediante el método denominado minería subterránea.
Las razones para la elección de uno de los dos métodos serán principalmente
económicas y en esta decisión han de tenerse en cuenta todo tipo de
consideraciones.
La minería subterránea suele ser mucho más cara y con mayores riesgos que
la minería a cielo abierto, aunque por el contrario esta última presenta un
mayor deterioro paisajístico y puede tener más detractores sociales.
En las explotaciones de uranio, como en el resto de la minería, se utiliza
maquinaria muy pesada y de grandes dimensiones como las perforadoras, las
palas y los camiones.
4.6PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN Y RECICLADO
A lo largo del texto, en diversas ocasiones se han mencionado cuáles son los
contenidos de uranio en los minerales, que en el mejor de los casos no llega al
25 % y en la mayoría de las minas está muy por debajo de estas cifras. Por lo
tanto, es necesario extraer el uranio de la roca que lo soporta y obtenerlo en
una forma adecuada para procesos posteriores que son necesarios hasta que
sea utilizable para obtener energía. Esto se hace en fábricas o plantas
químicas. Existen diversas formas físicas y químicas de realizar la extracción, y
ello dependerá de las características de los minerales.
Si explicamos de una manera abreviada cómo procesar un mineral para
obtener un concentrado de uranio, se puede decir que todos los métodos
contienen las siguientes etapas:
1. Disolución, o lixiviación, de los minerales de uranio (y de otros
minerales).
2. Clarificación de las soluciones.
3. Refino y purificación de las soluciones, a fin de separar el uranio del
resto de las sustancias que se disolvieron con él.
4. Precipitación de las sales de uranio
5. Secado del concentrado de uranio.
4.7LIXIVIACION IN SITU
4.8LIXIVIACIÓN
En la unidad "Orígenes y desarrollo de la minería", ya se ha comentado una
forma de realizar la lixiviación; de hecho, la lixiviación "in situ" es en parte
minería y en parte la primera fase del tratamiento de extracción, aunque
existen otros dos grandes métodos para realizar la lixiviación, yaen una
planta de proceso: la lixiviación dinámica y la lixiviación estática, cuyos
nombres dan una idea de en qué pueden consistir.
4.9LIXIVIACIÓN DINÁMICA.
En ella, el mineral triturado hasta un tamaño manejable se mezcla con los
líquidos lixiviantes (son disoluciones acuosas cuya naturaleza dependerá de
las características de los minerales) y se agita mediante cualquier método,
al igual que hacemos para disolver azúcar en un café. Es una forma cara de
disolver, pues triturar la roca consume mucha energía al igual que agitar,
pero en cambio se obtienen altos rendimientos en la disolución, por lo que
se suele reservar a minerales ricos.
4.10 LIXIVIACIÓN ESTÁTICA.
En este caso, el mineral se dispone en pilas o montones, que se suelen
denominar eras, realizadas sobre una base impermeabilizada; éstas son
regadas con las soluciones lixiviantes, de naturaleza similar a las de la
lixiviación dinámica, que se filtran a través de los montones disolviendo a su
paso el mineral de uranio.
Al llegar a la superficie impermeabilizada, se recogen y se envían para su
procesado posterior. En este caso, aunque se puede comprender que el
rendimiento de la disolución no será tan bueno como en la lixiviación
dinámica, no tiene grandes consumos de energía y es un procedimiento
económico que no requiere que el mineral sea molido muy fino. Es un
método reservado para minerales pobres o para las partes más marginales
de los yacimientos.
Desde el punto de vista químico, existen dos tipos de lixiviación: ácida y
alcalina, siendo la primera la más usada. La segunda únicamente se usa en
el caso de que los minerales tuvieran muchos carbonatos que llevaran a
grandes consumos de ácido.
Roca
impermeable
Yacimiento de uranio
4.11 CLARIFICACIÓN
Los procesos posteriores requieren líquidos claros, sin presencia de sólidos
en suspensión; por ello es necesario que los líquidos provenientes de la
lixiviación sufran un proceso de clarificación. Ahora bien, no todos los
procesos de lixiviación producen líquidos de igual calidad; así, la lixiviación
"in situ" y la lixiviación estática producen líquidos claros que no requieren
grandes procesos en este sentido, quizás una filtración. Sin embargo, la
lixiviación dinámica requiere sofisticados sistemas de separación sólido-
líquido, como decantadores, filtros de banda, etc.
4.12 REFINACIÓN Y PURIFICACIÓN
Al disolver el uranio, se han disuelto otras sustancias que deben separarse
necesariamente como, por ejemplo, el hierro. Para ello se recurrirá al
intercambio iónico, que puede hacerse con resinas, como las usadas para
el tratamiento del agua, o con lo que se denomina extracción con
disolventes orgánicos, que es el método más habitual. Consiste en la
mezcla, en unos agitadores, de la disolución acuosa, que contiene el uranio
con una fase compuesta de queroseno y una amina terciaria, que es afín
por el uranio y no por otros elementos, produciéndose el intercambio de
iones y pasando el uranio, en solitario, hacia la fase orgánica. Separando
ambas fases, que no son miscibles (como el aceite y el agua), lo que se
hace fácilmente dejándolas sedimentar, nos permite separar el uranio del
resto de los elementos acompañantes.
Por lo tanto, debe reextraerse el uranio, o eluirlo que también se llama así
esta operación.
4.13 PRECIPITACIÓN
Una vez tengamos el uranio en una disolución acuos limpia, sólo queda
precipitarlo, es decir, pasarlo a una sal insoluble para que se decante y
podamos separar el sólido,una sal con alto contenido en uranio, del líquido,
que en muchos casos puede ser recirculado. Esto se efectúa dando lugar a
que el uranio pase a su forma tetravalente, en la que no es soluble, lo cual
se realiza ajustando la acidez o el Ph a unos valores determinados,
próximos al valor 7, mediante amoníaco, dando lugar al diuranato amónico
que es una sal de un vivo color amarillo, muy llamativo. Se puede hacer la
precipitación con agua oxigenada obteniendo peróxidos de uranio, que
también tienen color amarillo, aunque más suave. En ambos casos, el
sólido se suele separar finalmente mediante filtros de vacío, que producen
una especie de torta que recibe el nombre de Yellow Cake o pastel amarillo.
Espesador de lavado en contracorriente en la planta Quercus.
Sedimentadores de extracción con disolventes orgánicos en primer plano.
El Yellow Cake o pastel amarillo es una materia sólida que contiene un 80
% de uranio y que se obtiene a partir del mineral y su posterior tratamiento.
4.14 SECADO Y ENVASADO
La torta así obtenida aún tiene una humedad importante, por lo que habrá
de ser secada. En el caso de los peróxidos de uranio, se suele llegar a la
calcinación para descomponerlos y evitar problemas posteriores durante el
almacenado.
El polvo obtenido del secado está formado en un 80 % de U3O8
equivalente, que es como se suele medir el contenido en uranio de los
concentrados, aunque algunas empresas usan el contenido en uranio
directamente.
El concentrado suele ser envasado en bidones de chapa metálica de 250 l,
que son los usados para su venta o envío a posteriores procesos.
Aunque éstas son las etapas principales de una planta o fábrica de
concentrados de uranio, suele haber muchas más, pues es necesario tratar
los lodos estériles, es decir, aquellos que quedan tras haber sido lixiviado el
uranio, que suelen ir acompañados de líquidos ácidos o alcalinos y, por lo
tanto, deben ser neutralizados y enviados a algún lugar para su
almacenamiento definitivo y seguro; estos lugares suelen ser los llamados
diques de estériles o presas de residuos, que han de ser construidas con
todas las garantías de calidad para que, aún en el caso de terremoto, no
sufran ninguna rotura y den lugar a que los lodos accedan a zonas en las
que no deberían estar.
4.15 RESIDUOS Y CLAUSURA
Referente a los residuos de minería, suelen ser considerados de baja
actividad específica, y suelen permanecer en el propio emplazamiento
minero, ya que no difieren sustancialmente, en su naturaleza, de los
materiales naturales.
Sin embargo, la actividad minera sí ha afectado a su forma física
(disgregación de la roca), por lo que son más accesibles a la meteorización
y se hace necesario protegerlos de ésta, con el fin de evitar que sean
dispersados, ellos o las sustancias en ellos contenidas.
Podemos distinguir cuatro tipos principales de residuos mineros y de
tratamiento:
Estériles de mina.
Minerales agotados de lixiviación estática.
Minerales agotados de lixiviación dinámica.
Lodos de neutralización de efluentes líquidos.
4.16 CONVERSIÓN
Existen diversas formas o tecnologías de reactores nucleares, aunque la
mayor parte de los reactores usan como combustible UO2, enriquecido en
el isótopo 235 hasta el 4 ó 5 %. Para conseguir esto, debe partirse del
uranio natural, que sólo tiene el 0,7 % de dicho isótopo, e ir quitándole parte
de su contenido en el isótopo 238.
Para que ello sea posible es necesario que el uranio se encuentre en una
forma química de fácil gasificación. Esa forma química es el hexafloruro de
uranio o UF6, que tiene la peculiaridad de que en condiciones normales es
un sólido, pero que a determinada temperatura, baja, se sublima. Esto nos
ahorrará mucha energía.
Pues bien, pasar los concentrados de uranio, sean diuranato amónico o
peróxido de uranio, a UF6 es lo que se denomina 1ª conversión.
4.17 APLICACIONES Y USOS DEL URANIO
Hemos comentado anteriormente, que al descubrir el uranio no se le
encontró mayor utilidad que como pigmento en la industria del cristal y de la
cerámica, así como en la de las pinturas, por su intenso color amarillo. En la
actualidad, todos estos usos han sido abandonados quedando únicamente
su utilidad como fuente de energía.
4.18 CENTRIFUGACIÓN
En la actualidad, la tecnología anterior ha quedado obsoleta y las plantas
más modernas aplican una tecnología de ultra centrifugación, donde unos
átomos son separados de los otros por peso, aplicándose elevadas fuerzas
centrífugas que hacen que las moléculas se vean sometidas muchas veces
a la fuerza de la gravedad, y sean mandadas las de más masa hacia la
periferia y las más ligeras hacia el centro de la centrífuga.
El hecho de que las masas de los isótopos de uranio difieran en tres
unidades, contribuye a que la centrifugación sea un método muy efectivo.
El consumo de energía de este método es muy inferior (de 100 a 400
kWh/UTS frente a los 2.400 kWh/UTS (Unidades de Trabajo de Separación)
que consume la difusión gaseosa) por lo que es el método de más éxito
actualmente.
4.19 SEPARACIÓN CON RAYO LÁSER
Es una tecnología que aún no está disponible a nivel industrial y no parece
que lo vaya a estar a corto plazo.
Sin embargo, parece prometedora por su alta eficacia y bajísimo consumo
eléctrico.
El rayo láser es capaz de diferenciar entre un isótopo y otro como
consecuencia de las pequeñísimas diferencias de configuración electrónica
de los mismos. Estas diferencias afectan en la longitud de onda absorbida
por la sustancia, de manera que cada isótopo absorbe luz de diferente
energía.
De esta forma, los átomos que se quieren separar se marcan, por decirlo de
alguna manera, quedando excitados, mientras el resto permanece intacto.
Así, en el caso del uranio se excitan los átomos de U235, mientras los de
U238 se quedan como están, pudiendo ser separados haciéndolos circular
a través de un potente campo electromagnético. El consumo energético de
este proceso es 1.000 veces inferior a la difusión gaseosa.
4.20 2ª CONVERSIÓN
Después del enriquecimiento, nos encontramos con hexafloruro de uranio
UF6, enriquecido en el isótopo 235.
Sin embargo, la forma en la que se usa el uranio en el reactor es en forma
de UO2, por lo que será necesario convertirlo a esta sustancia. Esto se
hace en unas instalaciones diferentes, en muchos casos en las
proximidades de las fábricas de elementos combustibles, aunque éste no es
el caso de España.
Yacimientos de uranio
Geología
El uranio no es de los elementos menos frecuente en la corteza terrestre
(contenido medio 2g/t) superando en abundancia a otros metales como el
wolframio, antimonio, bismuto, plata, oro, etc.
La polivalencia y solubilidad de la mayoría de sus minerales, indican que los
actuales no son los originales, sino que pueden haber sufrido una serie de
procesos geoquímicos de metamorfismo,sedimentación, oxidación,
reducción, absorción, precipitación, evaporación, etc.; dando lugar a
distintos tipos de depósitos de difícil clasificación.
Los tipos de yacimientos más generalizados y frecuentes son los siguientes.
a) Yacimientos sedimentarios: formados por al erosión de rocas graníticas
y volcánicas, ácidos, oxidación y solubilizacion, transporte y recepción
en una roca madre matriz sedimentaria en condiciones reductoras.
b) Yacimientos hidrotermales: son generalmente del tipo filoniano; aunque
a veces pueden encontrarse en concentraciones de minerales en masa
c) Yacimientos en conglomerantes: son gran parte de los yacimientos de
canada y África del sur. Estos son auríferos y como tal son explotados;
siendo el uranio en al actualidad un subproducto.
d) Yacimientos en pizarras: ejemplo típicos de las pizarras de ranstad
(Suecia), con valores económicos e uranio por la lenta depositacion de
los sedimentos que permitio retener el uranio ontenido en al aguas de
mar.
e) Otros tipos de yacimientos:
a. -yacimientos de pegmatitas: son yacimientos irregulares y en
general con bajos contenidos de uranio.
b. -yacimientos en carbonitas: y complejos alcalinos que suelen
contener uranio y torio.
Todo estos últimos yacimientos son de bajo contenido de uranio(menos
de 200ppm y en al actualidad no son económicamente rentables.
tipo de yacimiento % total aprox.
sedimentos (areniscas) 44
hidrotermales (filones) 22
conglomerados 19
Pizarras 8
Otros 7
Los minerales de uranio se encuentran muy esparcidos por los cinco
continentes, pero existen áreas con reservas económicamente explotables.
El uranio se encuentra en sus depósitos formando especies mineralógicas
de distinta valencia, asociado con minerales gana en al roca matriz.
Existe una secuencia en al investigación mineralógica de un deposito que
comprende.
Presencia, abundancia y distribución de uranio. Esta investigación preliminar
es fácil de realizar teniendo en cuenta el carácter radioactivo del elemento.
La presencia en campo se detecta fácilmente con los contadores “celger”
confirmándose los resultados por análisis químico.
La distribución se puede determinar por autorradiografias, obtenidas
exponiendo una superficie pulida de la muestra a película fotográfica durante
un periodo de tiempo que varia según la intensidad de la radioactividad,
medida previamente con el celger.
Se pueden emplear películas fotográficas ordinarias, de polaroid o de rayos
x, dando en algunso casos imágenes diferentes. Es una herramienta de gran
valor para los mineralogistas, ya que se pude detectar la presencia de
pequeñas cantidades e uranio en minerales no comunes.
Clasificación de los minerales de uranio
Puede realizarse en función de algunas de sus características
fundamentales.
según composición química
oxidos simples
silicatos simples
oxidos multiples
oxidos hidratados
sales de uranilo hidratadas
asociacionse varias
Según formación geológica: minerales de uranio primarios (con uranio
tetravalente). Comprende los grupos I, II, III.
Minerales de uranio secundarios (con uranio hexavalente. Comprende lo
grupos IV, V.
Según aptitud al tratamiento siderometalurgico.
1. minerales con uranio tetravalente; comprende los grupos I y II.
2. Minerales con uranio hexavalente; comprende los grupos IV y V
3. Minerales de uranio refractarios; comprende los grupos III.
4. Asociaciones varias.
Indudablemente no son clasificaciones rígidas, y la mayoría de los
yacimientos contienen varios tipos de mineralizaciones. Así, por ejemplo, es
normal que un depósito de minerales primarios contenga una capa superior
alterada con mineralizaciones secundarias, o que ciertos depósitos de
óxidos simples contengan también silicatos u óxidos múltiples.
Principio básico y fundamental es que los minerales primarios (urano
tetravalente) necesitan una oxidación previa a un uranio hexavalente o
catión uranio (UO2)^2 para su tratamiento siderometalurgico por lixiviación
acida o alcalina, mientras que lso secundarios pueden ser refractarios
(oxidos múltiples), necesitan normalmente fuertes condiciones oxidantes y/o
tratamientos previos específicos.
4.21 PROCESO HIDROMETALURGICO EN LA MINERÍA DE URANIO
4.21.1 Antecedentes:
La propia naturaleza ha llevado a cabo el proceso de disolverá
algunas sustancias mineras , transportadas y precipitarlas en
depósitos de otro tipo. Una buena parte de los yacimientos
sedimentarios han sufrido en mayor o menor grado un proceso
químico de disolución y depreciación en su génesis.
Cabe por tanto pensar
Metal que se obtiene actualmente por lixiviación
URANIO usando como solventes sosa caustica y carbonatos de
sodio usando los depósitos minerales contienen abundante Cao3y
MgCO3.
Fundamentos básicos de am minería química:
En la minería química o minería por disolución, el proceso básico es
Hidrometalurgia por lixiviación estática; en el cual los reactivos o
agentes lixiviante; simples o combinados, se ponen en contacto a
través de un lecho estático con la mena a tratar.
El alcance general de este método de minería abarca una serie de
ciencias y tecnologías interdisciplinarias que requieren la aplicación
de principios y conocimientos geológicos; químicos, físicos,
bioquímicos, mineros, mineralógicos, económicos y en general de
ingeniería de procesos básicos.
Bajo otro punto de vista, los conceptos fundamentales y puntos de
partida para la realización de un proceso de Minería Química son:
Geología, mineralogía y características físicas de los componentes
del yacimiento a explotar.
Aspectos lixiviantes.
Cinética de la reacciones químicas de la mena con el agente o
agentes lixiviantes seleccionados.
4.22 SISTEMA DE MINERA POR LIXIVIACION
Una de las grandes ventajas del método de minería química o por
disolución, esta en la posibilidad histórica de comenzar a pequeña
escala con la inversión y gradualmente expande el tamaño y mejorar la
recuperación, pasando hacia sistemasoperativos mas perfeccionados
tecnológicamente.
Así los cinco sistemas operativos no son opuestos, sino que en
muchas operaciones han sido complementarios y sucesivamente
empleados, a medida que se iban dominando los parámetros y se
tomaba la decisión de innovar, mejorando esencialmentela preparación
del mineral para conseguir una cinetica y recuperación mejores, que
compensaba la mayor inversión necesaria. Una clasificación lógica en
el tiempo y en función de los parámetros mineros básicos se muestra
en la tabla.
PREPARACION SISTEMA
PREPARACION MINERAL
COSTO DE INVERSION
COSTO DE OPERACIÓN
NIVELES DE RECUPERACION
En sitio Fracturado soluble
Pequeño Muy bajo Bajo: 40-50%
Vacie o vertero Volado o directo
Minimo Bajo Bajo:30-60%
Eras o pilas Trituración primaria
Medio Medio Medio:60-70%
Depósitos Trituración secundaria
Alto Medio alto Alto:70-80%
Dinámica Molienda elevado alto Elevado:80-90%
4.23 MÉTODOS DE LIXIVIACIÓN
Si al crecer la extracción minera, se va complementando con una
planta de preparación y deposición ordenada del mineral de mayor
calidad que en los prmeros sistemas, el proceso quimico se introduce
mas en la propia minería alcanzando un mayor desarrollo tecnológico
por un mayor control de todas las variables y logrando una mayor
recuperación, aun a costa de una mayor inversión y costo operativo.
Generalmente, y para los productos valiosos como oro,uranio y cobre,
esta compensado por una mayor recuracion del producto y una mayor
vida y aprovechamiento del yacimiento.
Asi en huelva se comenzó por la natural utilización de las aguas
cobrizas que desaguaban de las operaciones mineras subterráneas o
cielo abierto, como si de un residuo se tratara, para recuperar su
contenido o para regar con ella los secundario. Posteriormente, se
paso a la construcción de pilas o montones de mineral calcinado
(oxidado) y triturado para lograr una mayor recuperación.
Finalmente, se llego a la ejecución de grandes depósitos de mineral
con poca altura para regarlos o inundarlos, logrando mayor
recuperaciones de cobre con costos mas competitivos y menor
necesidad de personal. Tan solo falto la ultima etapa de una lixiviación
dinámica al estilo de lo que años después se hizo para el oro y la plata
de los antiguos vertederos de gossan.
Similar caso con la explotación de uranio de Shirley bassin de Utah
construction and mining Co, que paso de una minería in situ por
sondeos en el estado de Wyoming, desde 1960 a 1969, a un sistemas
convencional de cielo abierto con mayores recuperaciones del
yacimiento, por lixiviación en depósitos de mineral regado por aguas
acidas preparadas y controladas.
Parecido puede ser el ejemplo de satélites el chico para el uranio
español de salamanca y, probablemente, ejemlos similares se podrían
citar para las sales evaporiticas próximos a Madrid, burgos y alicante, y
para el carbonato sódico en torrelavega, en donde al cabo del tiempo
se ha ido pasando de sistemas lentos y de poca recuperación a otros
sistemas mas caros, pero con menores tiempos y mejores porcentajes
de aprovechamiento.
Puede concluirse que el avance en la lixiviación esta por conseguir una
mejora de la recuperación del metal o mineral, al tiempo que se
acelera la cinetica del proceso mediante una mayor inversión, al
explotar mas convencional para seguir con un tratamiento quimico mas
controlado en entradas y residuos, que en la introducción de los
lixiviantes en el yacimiento, cuyo máximo aprovechamiento y
recuperación de los lixiviantes en el yacimiento, cuyo máximo
aprovechamiento y recuperación es la mayor exigencia del minero, tras
la siempre difícil labor del geólogo en su descubrimiento.
Evidentemente no debería evitarse el calculo económico del valor no
recuperado en el residuo contra la inversión y costo de descubrir el
mineral, y explotarlo mas racionalmente para lograr su recuperación y
venta.
4.23.1MINERÍA DE LIXIVIACIÓN EN VERTEDEROS (DUMP
LEACHING)
a. Técnicas de formación de vertederos.
En algunas explotaciones modernas y con un concepto mas integral de
recuperaciones en la minería, se proyectan los vertederos para una
posterior lixiviación; han construido vertederos especiales con criterios
de separación de minerales marginales por debajo de la ley de costo y
oxidados, para el posterior riego controlado con aguas procedentes de al
mina.
En estos casos, el vertedero se construye mediante técnicas y procesos
minerales como los siguientes:
se eligen zonas cerradas y con poca altura, alargadas y estrechas.
Se remueve y conserva aparte la tierra vegetal o suelo orgánico del
fondo del depósito.
Se compacta el fondo y se coloca una capa de 50cm de arcilla,
debidamente compactada sobre al roca firme o no alterada,
impermeabilizarle y conducir los líquidos.
Se comienza a depositar al escombro o mineral marginal en bancos de
10 a 15m de altura, con longitudes de 300 a 500m y anchuras de 30ª
50m, para lograr una cierta oxidación y un buen tonelaje.
Los minerales mas sulfurados se procura depositarlos en los laterales o
superficies, para lograr una mayor aireación/oxidación.
.Si es posible se separan lateralmente los minerales mas lamosos o
finos, para evitar zonas de posterior percolación difícil.
En lo posible se evita la compactación del material con los propios
volquetes, empujando los montones con el tractor de baja presión
especifica.
Finalmente se remueven los primeros 50cm del material que
normalmente son finos producidos por el trafico de volquetes, tractores y
niveladores, que se colocan en lugares laterales para que no sellen el
riego.
Se escarifica, con tractores de oruga con varios dientes de ripiado toda
la superficie del vertedero. En ocasiones no es malo realizar una
prevoladura de los primeros 3 o 4m.
Durante el vertido se procede a u riego previo con aguas preparadas,
para mantener el material húmedo con unas condiciones químicas
idóneas.
Si es posible, tras alcanzar una altura de 15m, se lixivia el vertedero
antes de recrecerlo en un segundo banco, y este se explota antes de
colocarle un tercer banco con la misma técnica. No se debe olvidar la
escarificación de al superficie, antes de colocar nuevos materiales para
romper la costra sulfatada u oxidada que se forma normalmente en los
primeros niveles.
El esponjamiento inicial que es oxidación y camino de circulación del
liquido lixiviante puede alcanzar un 20 %, por auto compactación y
recolocación de finos y gruesos. En algunas ocasiones al cabo de 2 – 3
años se puede efectuar una prevoladura con barrenos largos para
remover y aumentar al generación de nuevos caminos preferentes de
circulación, a la vez que se reoxigenan nuevas superficies, y con ello se
reactiva la recuperación del metal o sustancia lixiviable y su cinética o
tiempo de recuperación.
Es buena práctica construir una represa de liquido fértil, tanto para
absorber las normales variaciones de flujo que se producen por afecto
de lluvias y otras circunstancias; como para reciclar; en el caso de que la
ley no haya alcanzado el nivel deseado de riqueza. Al mismo tiempo, en
esta presa se pueden reacondicionar las condiciones físicas y químicas
del líquido lixiviante para mejorar la capacidad de extracción o
precipitación.
A esta represa o depósito intermedio de líquidos de riego, se pueden
conducir todos los efluentes procedentes de las explotaciones mineras
vieja en operación para aprovechar el pequeño o medio contenido de
metales o sustancias aprovechables. Como es natural que estas aguas
lleven un cierto porcentaje de solidos en suspensión, es conveniente
frenar su velocidad para decantarlos, mediana reposadores que se
limpian por temporadas.
En algunas ocasiones es practico efectuar barrenos en el vertedero
para:
Favorecer la oxidación en zonas interiores
Medir la temperatura y grado de oxidación
Comprobar el volumen de circulación en algunas áreas
Controlar el proceso
b. Soluciones lixiviantes
El riego de los vertederos se puede realizar fundamentalmente por tres
procedimientos, similares a las técnicas de riego agrícolas.
a. Por inundación o canales de riego
b. Por aspersión
c. Por distribución de goteo o sondeos
Los líquidos proceden normalmente de tres fuentes.
De aguas de viejos minados o vertederos
De aportación nuevas lluvias
De recirculación del sistema
Las cantidades e riego, localmente variables; deben de estar su orden
de 10 litros por hora y por m lixiviando entre 2 y 20 la forma de
aportarías controladamente al terreno, varia en cada operación,
dependiendo de la inversión y del costo operativo.
c. Características de los sistemas de riego
forma de riego inversión operación recomendado
en caso de
Inundación mínima barata exceso de agua
Canaleo barata media
sustancias poco
valiosos
Aspersión media media mayor recuperación
Coteo alta media escacez de líquidos y
bajas temperaturas
sondeo elevada barata materiales difíciles
d. Tipos de riego en montones de lixiviación
El método mas recomendado es el sistema de riego por aspersión. La
aspersión del método viene dada por obtener una mejor recuperación,
al combinar efectivamente los efectos necesarios de oxidación –
aireación y el mayor contacto superficial con el mineral.
Cuando el liquido o solución lixiviante es escaso, como ocurre en las
zonas desérticas, es recomendable la utilización del goteo para evitar la
fuerte evaporación del sistema de operación, pudiendo reducirse el
caudal de riego a niveles de 4 a 5 litros/hora/m, para conseguir el mismo
efecto de recuperación en el tiempo. A veces también se emplea el
goteo enterrado, en lugares de largos periodos de haladas.
En los casos de excedentes de líquidos en el sistema, se puede
provocar una fuerte evaporación, para eliminar agua del sistemas y un
excelente modo es el riego por aspersión e incluso el riego de las
superficies de minas a cielo abierto, caminos y zonas de posible
mineralización, para luego recuperar esas aguas en diques con alta
relación superficie/altura, que enriquecen su contenido por simple
evaporación.
4.23.2MINERIA DE LIXIVIACION EN ERAS O PILAS (HEAP
LEACHING)
Cuando los minerales son suficientemente valiosos para intentar reducir
las perdidas en el residuo, pero no bastante ricos como para pagar un
proceso de tratamiento mas desarrollado y caro,o cuando no se dispone
del suficiente capital para lograr un optimo aprovechamiento, se ha
extendido en los últimos tiempos la minería de lixiviación en montones
de mineral, con un mayor control geométrico y quimico que en el caso
de los vertederos.
La minería de lixiviación en eras consiste en la construcción de unos
montones perfectamente definidos y controlados de un mineral, con una
granulometría estudiada y comprobada para mejorar y acelerar las
reacciones, a partir de una disposición de las pilas y del riego de las
mismas con un liquido ajustado a las necesidades de las reacciones y
tiempos de disolución.
El mineral procedente de viejos vertederos debe ser ligeramente
procesado en una planta de trituración y/o aglomeración, para conseguir
una granulometría controlada que permita un buen coeficiente de
permeabilidad.
Una vez preparado el mienral, se coloca en montones de sección
trapezoidal y altura calculada para proceder su riego con una solución
preparada. Tras percollar a travez de toda la pila, se recolectan los
liquidos enriquecidos que se llevan a la pplanta de proceso vuelven a ser
recirculada hacia las eras. También se aprovechan las aguas de
desague de la mina e incluso en algunos casos es preciso añadir agua
nueva, para reponer las fuentes perdidas de evaporación del circuito.
Se denomina patio a la superficie de apoyo de la era donde se coloca la
impermeabilización. Cuando el patio es recuperado para reutilizar lo con
nuevo mineral se tyrata de mineriade lixiviación en depósitos, mientras
que si el patio no es recuperado, y por tanto, el mineral agotado queda
en la era como vertedero que se restaura, se esta en la verdadera
minería de lixiviación por eras o pilas.
a) CARACTERISTICAS DEL SISTEMA DE ERAS
Las características del sistema de eras exige algunas condiciones,
como:
Disponibilidad de amplias superficies de terreno(relativamente menos
de 10% de pendiente)
Calculo de flujos de aportación y evaporación para mantener el
balance equilibrado de liquidos fluyentes. Represas de liquidos
intermedios y finales.
Sobrecapacidad del sistema para absorber situaciones de exceso por
tormentas o lluvias en el área en explotación o explotada.
Admitir grandes variaciones de leyes y tiempos de lixiviación.
Utilización de laminas impermeables sencillas para evitar perdidas
por filtración y contaminación del subsuelo.
Estudio geomecanico del material depositado para evitar el derrumbe
del monton y su máxima altura posible.
Preparación del material al tamaño adecuado para lograr la liberación
en superficie del mineral y percolación que logre una permeabilidad
minima suficiente. En caso de presencia de finos, si son pocos, es
preferible eliminarllos o apartarlos y si son muchos, aglomerarlos, si
no es posible correr un cierto riesgo de fallos en el proceso.
La existencia de un conjunto de eras permite ordenar el flujo de
liquidos en forma seriada, para lograr un enriquecimiento progresivo
del licor al pasar de una era a otra.
b) EMPLAZAMIENTO
El primer problema es elegir el emplazamiento de la zona de patios que,
además de tener suficiente extensión para admitir todo el mineral
durante la fuerte explotación (vida del proyecto), debe de cumplir unas
características topográficas y geológicas.
En primer lugar, debe de tener una pendiente minima y máxima,
primero para que los liquidos fluyan y segundo bien para que sean
estables, para no tener que realizar una importante excavación de
preparación del terreno.
En segundo lugar, debe realizarse sondeos de reconocimiento del suelo
ya que no interesa ni terrenos excesivamente sueltos, ni tan duros que
compliquen y encarezcan las preparaciones de la cimentación. Las
características geomecanicas del suelo marcan las necesidades de este
para lograr una estabilidad global de la era o pila a lo largo de un
proceso, en condiciones de humedad saturada del material a lixiviar. Asi
mismo, la calidad de los materiales del suelo deben tener presente su
posible utilización en obras complementarias y necesarias como
tanques, presas, bermas de protaccion, regatas de recolección y
conducción de liquidos.
En general, debe tenerse en cuenta los factores geológicos o
hidrogeológicos que pueden presentar riesgos futuros de destrucción del
sistema, llegando al limite de un diseño contra posibles terremotos o
colapso del terreno en áreas mineras proclives a los riesgos sísmicos.
c) DISEÑO DE ERAS
El diseño de las eras debe tener en cuenta los siguientes factores.
La calidad del patio o base de apoyo
Las facilidades de rego y recolección o drenaje del efluente
La estabilidad del monton seco y saturado en agua.
Los tanques de soluciones ricas y pobres
La forma de construcción o deposición del material lixiviable en toda su
altura
El principal objetivo del diseño debe ser lograr un monton lo mas
homogéneo posible, que evite la existencia de circuitos preferenciales y
con ello una extracción incompleta y/o desigual del mineral.
La construcción del patio mediante técnicas normales de obra civil con
suelos debe perseguir el alcanzar no solo la resistencia adecuada para
soportar las cargas aplicadas, sino también impedir los
asentamientosdiferenciales del monton una vez sometido al riego y
aireación, ya que estos últimos afectan gravemente al drenaje,
recuperación y pueden dañar a las laminas de impermeabiñlizacion
Por esta razón, deberá evitarse la pendiente fuerte del terreno que
inevitablemente conducirán a deslizamiento de la era, parciales o
tatales.
El patio debe de ser considerado con su sistema de impermeabilización,
para controlar las perdidas de soluciones y evitar contaminación del
medio ambiento.
El sistema consiste en:
Una base firme y consolidado, debidamente preparada
Una capa de lecho granular sobre el que apoyar suavemente la lamina
La lamina o capa de impermeabilización
Un conjunto de drenaje o capa de recolección de liquidos
Una capa protectora del sistema
Las evaluaciones económicas de selección de las alternativas posibles,
deben considerar el conjunto del sistema y no solo el valor de la lamina
a colocar.
d) MEMBRANAS DE SELLADO
Las membranas o laminas de impermeabilización del patio pueden ser:
De materiales arcillosos compactados sobre el propio terreno.
Del propio suelo mejorado o enmendado con aditivos químicos o
minerales.
Geomembranas de origen sintetico (plásticos, polímeros, asfaltos, etc).
El diseño de la alternativa mas conveniente de membrana o sistema de
sellado es una parte muy importante de la ingeniería, y no debe hacerse
solo por criterios económicos o de permeabilidad, sino por otros
factores como durabilidad, picado, resistencia a la corrosión y otras
condiciones ambientales que deben requerir la presencia de ingenieros
experimentados.
Se pueden disponer de membranas o sellados simples dobles o triples,
de acuerdo con el numero de capas impermeable o membranas de igual
o diferente tipo que se hayan utilizado.
e) TECNICAS DE CONSTRUCCION
Las técnicas de construcción de las eras son muy variadas, dadas las
características de los diferentes tipos de minerales y terrenos, pero con
ligeras variantes, se concentran en tres:
Vaciado con volquetes y extendido con tractores en altura.
Extendido con volquete y nivelado con tractor de los montones
Deposición con cintas y apiladoras.
En el primer caso, muy habitual en explotaciones a cielo abierto en que
el mineral no se prepara debidamente por tener buenas características
propias , se consigue un costo bajo e incluso una baja generación de
finos. Tras la colocaciones el monton por el boquete, el tractor tiene la
doble función de extender y nivelar lateralmente desde el camino
limitado del transportado , para finalmente ripar la superficie con objeto
de lograr una buena percoleccion- es un buen sistema en el caso de
sucesivos bancos, de vertido y lixiviado, superpuestos.
En el segundo caso de vertido en montones y extendido y nivelado con
tractores, se logra una minima producción de finos y se emplea en casos
en que el mineral necesita un bajo nivel de manejo, antes de lixiviarlos.
Este método es siempre utilizado para la colocación de la primera capa
que protege la lamina o sellado impermeable. Podría utilizarse esta
técnica para una lixiviación por capas de minima altura.
Una variante a este sistema es la utilización de una pala frontal, para
amontonar a mas altura que el tractor con ganancia de tiempo y costo,
pero aumenta la compactación del material por el peso de la maquina
con una presión especifica alta.
La tercera técnica de aplicado con cintas ha adquirido gran popularidad,
debido a la necesidad de preparar el mineral en plantas de trituración y
tener ya un tamaño que permite utilizar un transporte continuo mas
barato, que logra mayor altura, homogeneización y coeficiente de
permeabilidad del monton. Al mismo tiempo trata al mineral con
suavidad y no produce mas finos. Es la técnica mas adecuada para el
apilado de minerales que han sido triturados y/o aglomerados y en los
que los objetivos de recyperacion y velocidad son importantes por el
valor de la sustancia mineral como Au, Ag y U.
Una parte importante de la construcción de la era es el sistema de
recolleccion del liquido que en general, consta de una serie se
componentes que recogen los efluentes en el interior de la eray los lleva
al exterior por gravedad, hasta conducirlos al tanque o presa de liquido
fértil o rico.
El sistema de recolección interno tiene también la función de reducir la
altura de saturación y proporcionar el caudal de solución necesario para
obtener la producción.
los sistemas mas habituales de drenaje son:
El propio mineral si es permeable.
Grava o material filtrante sobre la lamina o membrana.
Tuberías perforadas drenantes.
Combinación de varios sistemas
El mineral, tras su trituración y control de calidad, pasa por cintas o
camiones pequeños a los depósitos de unos 150 x150x15 m, con
capacidad para 150.000 toneladas ada uno, en donde se procede a la
lixiviación o disolución controlada de la sal o mineral, pasando la
solución enriquecida a la planta de cristalización y/o recuperación.
Una vez agotados los contenidos de sal o metal de cada tanque a limites
económicos, se extrae, con retroexcavadora o grua bivalve, el residuo
del deposito y se descarga adentro del vertedero exterior, mientras el
tanque queda disponible para una posterior recarga de mineral.
Es importante disponer de un determinado numero de tanques, y con
unas secciones tales que permitan obtener la mayor y mas constante
solución para alimentar a la planta. Estos parámetros deben ser
definidos, en colaboración con, los ensayos mineralurgicos, para
determinar la velocidad de circulación y el tiempo de contacto, lo que a
su vez va a obligar a unas dimensiones de los depósitos también
relacionados con el volumen del liquido y la concentración a alcanzar,
las técnicas de construcción de los depósitos, alturas de las pilas,
sistemas de riego drenaje,etc.son las mismas que para el método de
lixiviación por eras, salvo que en general es deben ser sistemas mas
duraderos y robustos, lo cual en general es mas costoso, por lo que la
única razón básica para preferir este emtodo es lograr un diferncial
importante de recuperación del metal o mineral, y /o un tiempo mas
reducido de lixiviación con unas soluciones fértiles mas enriquecidas, lo
que simplifica y reduce notablemente la planta de recuperación en
inversión y tamaño.
4.23.3 PROCESOS DE LIXIVIACIÓN A PRESIÓN
Los procesos que se trataran son los siguientes:
1. Proceso sherritt- gordon:
El proceso comienza donde los concentrados de flotación son
acondicionados en un tanque con agua y de ahí pasados a la primera
autoclave donde se le añade amonia y aire para llevar acabo la
lixiviación; de la autoclave, el gas de escape sale y es enfriado; pasando
a una columna de absorción para recuperar el amonio y reciclarla. El
licor rico para un intercambiador de calor, enfriado con agua, el cual
reduce al temperatura hasta 32ºC(90ºF9 y posteriormente a un
espesador.
2. Proceso alcalino para uranio:
Los minerales de uranio son lixiviados por diferentes soluciones,
dependiendo del tipo de impurezas presentes, la lixiviación puede ser
acida o alcalina.
En la lixiviación generalmente se usan ácidos tales como nítrico y
clorhídrico pero actualmente se usa el acido sulfúrico por su bajo costo.
El proceso alcalino comienza con la trituración y pulverizante del
mineral, la pulverización se lleva a cabo en un molino de bolas donde e
el añade la solución caliente de lixiviación, que se encuentra a una
temperatura de 43ºC del molino de bolas de solución pasa a un
intercambiador de calor para subir la temperatura a 66ºC, y
posteriormente pasa a las autoclaves.
En las autoclaves se lleva a cabo la lixiviación a una temperatura de
entre 110 a 121ºC de 2.05 a 6.16 atm. y un tiempo de residencia de 16
horas.
Los residuos calientes y el licor pasan de la última autoclave a un
intercambiador de calor, el contenido de calor es usado para precalentar
la alimentación fresca que entra al circuito de molienda.
Del intercambiador es espesada y filtrada y llevada a los tanques de
precipitación, para recuperar los valores sueltos.
La precipitación se lleva a cabo con hidróxido de sodio, este reacciona
primeramente con el ion bicarbonato residual de al solución y en un
exceso de hidróxido de sodio precipita el uranato de sodio.
2NaUO2U(CO3)3 + 6NaOH Na2H2O7 + 6Na2CO3 3H2O
3. INSOLUBLE
El producto es una mezcla de poliuranatos y diuranatos de sodio de
composición compleja.
En esta etapa, se recomienda un exceso de hidróxido, de sodio entre 5 a
6 g/l para precipitar una solución que contenga 3 g/l de U3O8 o mas en
un pH aproximado a 12, el tiempo de residencia varia entre 6 a 12 horas.
La temperatura es importante y se recomienda en un rango de 50 a
80ºC; con estas condiciones se obtiene una eficiencia de precipitación
de aproximadamente el 95%.
DIAGRAMA PARA FLUJO DE URANIO
4.23.4 MINERÍA DE LIXIVIACIÓN DINÁMICA (DYNAMIC LEACHING)
En los apartados anteriores, el método de lixiviación ha sido llevado a
cabo en forma natural, dándole el tiempo y contacto para proceder ala
disolución de la sustancia buscada. Si el proceso es acelerado,
dinamizado por medios físicos, químicos y biológicos, entraríamos en el
campo de la lixiviación dinámica, que en general se lleva a cabo en
plantas fuera de la zona propia del yacimiento.
Como base fundamental la técnica de lixiviación es el contacto
superficial entre el solvente y el soluble, en al aplicación dinámica, la
preparación mecánica del mineral alcanza limites máximos, llegándose a
granulometrías muy finas para lograr la máxima exposición superficial
TRITURACION
MOLIENDA
INTERCAMBIADOR DE CALOR
AUTOCLAVE
INTERCAMBIADOR DE CALOR
FILTRO
PRECIPITACION
del grano en al estructura de la matriz, de forma que puede ser atacada
por la disolución. De ahí que no sea suficiente con una trituración mas o
menos fina, sino que sea preciso llegar a una molienda y remolienda, lo
cual a su vez va a provocar la existencia de tamaños ultra finos que
pueden complicar el posterior manejo de pulpas y liquidos.
LIXIVIACION DE MIENRALES DE URANIO
Hay una gran variedad de métodos de lixiviación para la extracción del uranio
de susminerales, los principales factores determinantes del proceso, son la
naturaleza de la ganga acompañante y el tipo de mineralización del uranio. En
general los reactivos lixiviantes mas usados son acidos o álcalis inorgánicos en
medio acuoso.
El proceso acido se emplea en minerales ricos en sílice, mientras que en los
minerales calizos se usa el proceso alcalino. La selección de reactivos en
cualquiera de los dos procesos depende del costo y disponibilidad, asi como
del valor relativo del mienral.
Otros factores importantes son:
La posibilidad de regeneración del reactivo.
Si la composición del licor madre es apropiada para los manejos
subsiguientes.
La presencia de otros valores cuya recuperación interesa.
Comparación entre procesos acidos y alcalinos:
LIXIVIACION ACIDA:
Consiste en la disolución del uranio contenido en un mineral, empleando acidos
inorgánicos, siendo el mas común el acido sulfúrico. La eficiencia en la
recuperación, por lo general es mayor que en los procesos alcalinos.
Podemos anotar las siguientes desventajas del proceso acido:
1. El equipo usado debe ser acido_resistente, lo que aumenta el costo
considerablemente.
2. La separación del licor madre, del residuo solido es a veces difícil y en
algunos casos impracticable.
3. Se deben neutralizar los efluentes acidos, antes de desecharlos.
4. Se debe disponer de grandes cantidades de acido a un costo razonable.
5. Este proceso no es muy selectivo y junto con el uranio, se disuelven
gran cantidad de impurezas, por ejemplo el fierro, por lo que hay la
necesidad de purificar antes de continuar con el proceso.
LIXIVIACION ALCALINA:
Si los constituyentes del mineral, consumidores de acido (caliza, dolomita, etc);
están presentes en alto grado, lo mas conveniente es adoptar el proceso
alcalino. En este proceso son necesariosmolienda mas fina y tiempos de
agitación mas largos, sin embargo, podemos anotar las siguientes ventajas:
1. Es mas selectivo en lo que respecta al uranio.
2. No se necesita equipo acido resistente.
3. Las características de asentamiento y filtración, son superiores a las del
medio ACIDO.
4. La regeneración del reactivo lixiviante, es relativamente fácil de efectuar.
5. El deshecho de los efluentes, no causa problema.
Química de la lixiviación del uranio.
LIXIVIACION ACIDA
Los minerales extraidos por este proceso son la pechblenda, uraninita,
thucolita, branerita y davidita, en las cuales el uranio esta en forma tetravalente.
El oxido terovalente, es soluble en caliente o con acidos oxidantes en
soluciones diluidas, por ejemplo, el acido nítrico o bien en acidos diluidos en
presencia de un agente oxidante; mientras que el oxido hexovalente, es
rápidamente solubilizado en soluciones acidas diluidas.
Entre los oxidantes mas empleados tenemos:
MnO2 ,F e2 ¿las reacciones para la uraninita se pueden representar como
siguen:
6H 2SO 4+3MnO2+3UO2→3UO2SO4+3MnSO 4+6H 2O
3H 2SO4+NaClO3+3UO2→3UO2SO 4+NaCl+3H 2O
3 Fe2 ¿
4 H2SO4+2NaNO3+3UO2→3UO2S O4+Na2SO4+2NO+4H 2O
Observándose la conveniencia de pasar el U+4 a U+6, el potencial de oxidación
de la solución en contacto con el mineral es muy importante y en la practica se
mantiene sobre un valor minimo, analitizando la relación Fe+3/ f e+2 en la
solución o bien midiendo el potencial de oxidación.
Pueden ocurrir algunas reacciones simultaneas con otras constituyentes como
fierro o silicatos solubles, para disminuir el consumode acido y oxidante, es
común añadir este ultimo después de transcurrido cierto tiempo de la
lixiviación, con el fin de permitir el escape de los gases reductores.
LIXIVIACION ALCALINA
Al igual que en la lixiviación acida, es muy importante la naturaleza del mineral,
la ganga y minerales asociados y en general, los compuestos donde el uranio
esta en forma hexavalente(arseniatos, carbonatos,molibdatos,fosfatos,sulfatos
y oxidos), son fácilmente solubles en la solución alcalina mientras que el uranio
tetravalente necesita de condiciones mas drásticas y la presencia de agentes
oxidantes.
Las principales reacciones que ocurren:
Oxidación el estado hexavalente:
2UO2+O2→2UO3
Disolucion por el carbonato
UO3+H 2O+3N a2CO3→Na4UO2¿
Reprecipitacion por la ausencia de bicarbonato.
NNa4UO2(CO3 ¿3+4NaOH→NNa2CO3+H 2O
La reaccion completa que tiene lugar.
UO3+N a2HCO3→N a4UO2 ¿+H 2O
Son varias las reacciones simultaneas consumidoras del carbonato, debido a
los constituyentes consumidoras del carbonato, debido a los constituyentes
presentes en el mineral, como por ejemplo, yeso, pirita y material silico y si el
exceso de sulfuros es muy elevado, hay la necesidad de eliminarlos, mediante
un proceso de flotación previo.
El oxidante es necesario cuando el uranio esta en forma tetravalente
comúnmente se ha usado KMnO4 que en medio alcalino se reduce a MnO2.
Tambien se ha utilizado el reactivo cobre-amonico. ¿con resultados favorables.
Una variante en el proceso alcalino, es el empleo de (NH 4 ¿2CO3 en lugar de
Na2CO3, encontrándose las siguientes ventajas:
1. No se requiere bicarbonatos para eliminar el hidróxido de sodio formado
y la pequeña cantidad de hidróxido de amonio que se forma, no tiene
efecto negativo sobre la precipitación o disolución del uranio.
2. No ocurre reacción con la sílice y con el yeso y los sulfuros, reacciona
muy lentamente.
Las reacciones que se efectúan se representan:
9¿¿O+6NH 4OH
¿O
Precipitacion:
¿
Diferentes tipos de procesos acidos y alcalinos
LIXIVIACION ACIDA EN DOS PASOS O UNIDADES
En este tipo de circuito, el mineral se trata primero con una solución lixiviante
rica en acido, que viene de la segunda unidad. Este procedimiento, nos
produce una solución rica de acidez relativamente baja, conteniendo muy
pocasimpurezas. La solución rica, se separa del residuo y los solidos son
lixiviados por segunda vez con solución nueva y concentrada de acida. El licor
obtenido de este segundo paso, es utilizado para lixiviar el mineral que se esta
alimentando. En general este proceso, proporciona por ser mas complejo
resulta mas costoso que en el caso de una sola unidad.
La ventaja de utilizar el proceso en dos pasos, se observa en los minerales que
requieren concentraciones altas de acido para una buena disolución del uranio
ya que asi no es eleva la acidez final de la solución rica.
EFECTO DEL AGENTE OXIDANTE:
El potencial normal del UO2 es -410 mv, y para que las siguientes reacción se
desplace hacia la derecha, es necesario añadir un agente oxidante.
U+4+2H 2O→UO2+2+ 4H+¿¿+2e−¿¿
Las variaciones en el par ion férrico/ion ferroso, afectan la velocidad de
disolución y oxidación del UO2, ya que su potencial esta muy próxima al par U
UO2+2/U+4 Y para una disolución efectiva del uranio, debe de mantenerse una
relación ion férrico/ion ferroso superior a la unidad.
El ion férrico solo, no es adecuado como oxidante, ya que al reducirse produce
un aumento en la concentración de ion ferroso y crea la necesidad de añadir un
oxidante adicional, ya sea MnO2 ó NaClO3.
El ion férrico es necesario, porque actua como transportador de electrones, y
es conveniente mantener una concentración de 0.5 a 2 gramos por litro; por lo
general no es necesario añadir sales férricas, ya que pasa fierro a la solución
procedente del mismo mineral o fierro metalico proveniente de la molienda. Es
una practica recomendable, añadir el acido y retardar la adicion del oxidante,
para evitar parte del consumo de este por el fierro metalico que pudiera estar
presente.
La selección de cualquier tipo de oxidante, depende de consideraciones
económicas y de la disponibilidad del mismo. Con respecto al control de las
condiciones de oxidación se puede lograr:
1. Por análisis de los iones férrico y iones ferroso.
2. Medición del potencial de oxidación.
Se debe mantener un minimo de 430 MU que en la mayoría de los casos
resulta una relación apropiada de iones férrico y iones ferroso.
EFECTO DE LA TEMPERATURA:
La velocidad de disolución del uranio aumenta con la temperatura, siendo el
efecto diferente, dependiendo del tipo de mineral de que se trate. En los
minerales primarios, como en la uraninita y pechblenda, el efecto es poco
apreciable mientras que en los secundarios, como la Autunita, Carnotita y
Torbenita, la velocidad puede triplicarse al pasar de 25 – 40°C. En la practica,
mas bien por razones de índole económica se emplea temperatura ambiente.
EFECTO DE LA MOLIENDA:
La velocidad de disolución del uranio, es mayor cuando se tiene un tamaño de
partículas fino, ya que favorece la liberación de los valores, aumentando el área
de contacto con losreactivos, pero conjuntamente se disuelven materiales
indeseables y se incrementa el consumo de acido. En la determinación de la
molienda deben de considerarse, las dificultades técnicas que se pueden
presentar en el manejo subsiguiente de las suspensiones. Normalmente con
una molienda de 28-48 mallas, se obtienen rendimientos satisfactorios. Este
tamaño de particula es relativamente grueso y además se obtienen
suspensiones con buenas características físicas.
EFECTO DEL TIEMPO DE LIXIVIACION:
Se ha comprobado experimentalmente, que el mayor porcentaje del uranio, se
solubiliza durante las primeras horas, lográndose en ciertos casos rendimientos
del orden del 80%. Los rendimientos dependen de las condiciones de
tratamiento, este puede ser de tiempos cortos,(menores de 12 horas) para
condiciones suaves. La elección de uno u otro quedara determinada po:
1. El tipo de mineral
2. El equipo disponible
3. El consumo de reactivos
Si se decide por el tratamiento de tiempo mas largo, se logra menos consumo
de reactivos y soluciones mas puras; en cambio en condiciones mas drásticas,
se logra una mayor extracción en un tiempo menor, pero se incrementa la
disolución de muchas impurezas. De cualquier manera, el factor limite principal
es la economía en el proceso, y para llegar a la extracción máxima usando la
menor cantidad de reactivos, se precisa de tiempos mucho muy largos y como
consecuencia incosteables.
Variables en el proceso alcalino
EFECTO DE LA RELACION CARBONATO BICARBONATO
De igual manera, como es importante la relación ion férrico-ion ferroso, para la
oxidación en el proceso acido, resulta de mucho interés el valor optimo de la
relación carbonato/bicarbonato en lo que respectaal control del pH, ya que una
variación no disminuye la efectividad del proceso, asi un aumento de este
favorece la reprecipitacion del uranio y un descenso, incrementa el consumo
de reactivos, en la fase de precipitación posterior. Los intervalos normales son:
40-60 gramos de carbonato de sodio y de 10-20 gramos de bicarbonato de
sodio por litro de solución.
EFECTO DEL AGENTE OXIDANTE:
La disolución de los minerales de uranio tetravalente, se favorecen con la
edición de agentes oxidantes. Normalmente en la practica industrial, se emplea
el oxigeno del aire y en otros casos: peróxido de sodio, clorato de potasio,
perooxido de hidrogeno, dicromato de potasio y permanganato de potacio,
siendo este ultimo el de mayor empleo.
Efecto de la temperatura y tiempo de lixiviación
Existe una clara inter-relacion entre el tiempo de lixiviación y la temperatura
empleada. En algunos casos, se han obtenido extracciones del orden del 97%
con tiempos que van de 7 a 70 horas y temperaturas de 120°C a 80°
respectivamente, considerando condiciones eficaces de oxidación y agitación
en el proceso.
EFECTO DE LA MOLIENDA
El tipo de molienda, depende de la textura de la mena, y los mismos conceptos
aplicados al proceso acido se deben tener en cuenta, sobre todo en lo que
respecta al grado de liberación de las partículas, que debe ser tal, que debe ser
tal, que permita el mayor contacto de la solución lixiviante con los minerales de
uranio para obtener rendimientos aceptables.
Ciclo del uranio
Procesado del uranio
Fabricacion de combustible enriquecido
Transformacion del UF6 UO2 (polvo)
Fabricacion de pastillas ceramicas de 1cm de diametro por 1cm de
altura, prensando el polvo hasta 1700°C.
Relleno con pastillas de barras de Zircaloy, aleacion de (Fe, Cr, Ni y Zr),
de 3.85m de longitud, soldadas por los extremos.
El numero de barras en la unidad del combustible, depende del tipo de
reactor:
Modelo PWR de agua a presion
Modelo BWR de agua en ebullicion
UNIDADES DEL COMBUSTIBLE
Modelo PWR : cada rejilla contiene 17 x 17 barras.
Peso en uranio 461,4Kg
Modelo BWR de agua en ebullicion: cada rejilla contiene 8 x 8 barras.
Peso en uranio 156.1Kg
Esquema de la desintegracion de uranio - 235
PRODUCCION DE URANIO
ETAPAS EN LA PRODUCCION DE URANIO
Preparación física del mineral
EXTRACCION MINERA
PREPARACION FISICA DEL MINERAL
EXTRACCION DEL URANIO
CONCENTRACION
PURIFICACION
CONVERSION
FABRICACION DE ELEMENTOS
COMBUSTIBLES
MINERIA-cielo abierto-mixto-subterránea
EXTRACCION DEL URANIO
Estados de oxidación naturales de uranio
VARIABLES DEL ANALISIS Y CONTROL
Ubicación del yacimiento
Características del yacimiento
Disponibilidad de servicios (agua, energía, etc.)
Ley del mineral
Composición del mineral
Granulometría
Grado de extracción
Medio y agente lixiviante Elección del
proceso
Agente oxidante de extracción
Procesos de concentración del
Tiempo de procesamiento uranio
Superficie ocupada
Complejidad de las instalaciones
Procesos de gestión de efluentes
Análisis comparativo de costos
lixiviacion en pilas e inundada (stalles)
PROCESO DE SEPARACION U- MO
tratamiento
de efluentes
Residuos
solidos de
pilas (colas de
mineral tratado)
-muestreo
-descarga de pilas
-transporte y deposicion en escombreras
Efluentes liquidos
-neutralizacion
-decantacion de pulpa y evaporacion natural
barreras de contencion
Sistema de confinamiento
Producción del uranio
Aspectos relacionados con el impacto ambiental
Minería de pequeña escala
Insumos
Proceso sencillo
Organismos de control
Uso del agua
Uso del agua
Comparación consumo agua planta de procesamiento con consumo de agua
para agricultura
BASE: planta San Rafael: 120 tU/a
REQUERIMIENTO PLANTA: 300.000 m/a
RECIRCULACION: 50%
CONSUMO REAL AGUA FRESCA: 150.000 m/a
CONSUMO AGUA PARA AGRICULTURA: 10.000 m3/ha/a
CONSUMO FINCA 15 ha. 150.00 m3/a
Considerando que el agua de cantera o de mina se utiliza como agua de
proceso, la cantidad de agua fresca tomada de una fuente superficial o
profunda es en realidad menor a la cantidad (<150.000m3/a).
EXTRACCIÓN DE URANIO DE SUS MENAS
El desarrollo de la industria minera del uranio y del tratamiento de sus
minerales es un caso singularísimo.
En espacio de poco menos de 10 años creció de ser apenas nada a una
importante industria hidrometalúrgica; ninguna otra operación de tratamiento de
minerales se ha desarrollado tan rápidamente. No solo creció con rapidez, sino
que esa industria llegó a ocupar el primer lugar en el perfeccionamiento de
tratamientos hidrometalúrgicos tales como la lixiviación, la separación sólido-
líquido, el intercambio de iones y la extracción por disolventes.
Hasta principios del decenio de 1940, el uranio se obtenía como subproducto
de las industrias del vanadio y del radio, y el consumo total mundial era de
unas cuantas toneladas anuales. A principios de los años 50 de producción
mundial se había elevado a más de 800 toneladas anuales, y ha continuado en
aumento desde entonces. En 1979 se encontraban en funcionamiento más de
50 plantas de tratamiento de uranio y se producían aproximadamente 38 000
toneladas de uranio.
Para ello se trataron más de 65 000 000 de toneladas de materias primas:
aproximadamente la mitad era mineral de nueva extracción y el resto residuos
procedentes de operaciones tales como la extracción de mineral de oro en
Sudáfrica.
Hasta los primeros años del decenio de 1950 el mineral de uranio se extraía
casi totalmente de minas subterráneas.
En años posteriores ha aumentado constantemente la cantidad producida en
minas a cielo abierto, y actualmente se extrae más mineral de las minas de
este tipo que de las subterráneas. Sin embargo, todavía las minas
subterráneas producen más uranio ya que la ley de los minerales de ellas
extraídos es superior a la de las menas a flor de tierra. propiedad privada,
producen menos de 50 toneladas de mineral por día, en tanto que la mina a
cielo abierto de Rossing, en Namibia, produce 40 000 toneladas diarias.
El uranio se presenta en una gran variedad de ambientes geológicos y para su
extracción se han utilizado casi todos los tipos de técnicas de minería. Se han
desarrollado igualmente nuevas tecnologías para responder a necesidades
especiales. La diversidad de los depósitos de minerales de uranio se refleja
también en la tecnología del tratamiento que sigue a su extracción.
El rápido crecimiento de la industria del tratamiento de uranio ha subrayado la
particular importancia de los intercambios de información sobre los métodos de
tratamiento
OPERACIONES EN PLANTA DE TRATAMIENTO
Una vez arrancado de la mina el mineral de uranio, la etapa siguiente del ciclo
del combustible nuclear consiste en extraer por medios químicos el uranio de
mineral para obtener un producto parcialmente refinado con un contenido de
uranio del 65% por lo menos. Este material se llama corrientemente torta
amarilla. El tratamiento de uranio se basa principalmente en operaciones
hidrometalúrgicas tales como la
La decisión sobre el mejor sistema de extracción minera en un determinado
yacimiento puede presentar problemas difíciles. Es necesario considerar
numerosos factores tales como la profundidad del yacimiento, la importancia
del depósito, la ley del mineral, las condiciones del suelo, la topografía de la
superficie, etc.
Se debe considerar individualmente cada depósito antes de preparar la
planificación de la mina. Ciertas minas subterráneas se encuentran a menos de
30 metros de profundidad, en tanto que algunas excavaciones a cielo abierto
alcanzan profundidades de cerca de 150 metros.
Actualmente se trabaja en una mina subterránea en Mr. Taylor (Estados
Unidos) a una profundidad de
1000m, y las minas de oro de Sudáfrica que producen uranio como
subproducto son todavía más profundas. La importancia de las minas de uranio
también varía considerablemente
CICLO DEL COMBUSTIBLE NUCLEAR
Lixiviación, la extracción con disolventes y la precipitación. Los métodos de
separación basados en las propiedades físicas, tales como el peso específico o
la susceptibilidad magnética son de aplicación poco práctica para casi todos los
minerales de uranio. La torta amarilla se envía a las plantas de refino para
purificar el producto hasta obtener los compuestos de uranio de calidad
nuclear.
Lixiviación acida: Los minerales de uranio varían considerablemente de un
yacimiento a otro y cada planta de tratamiento se debe diseñar de manera que
se adapte a las características específicas de los minerales que vaya a recibir.
El procedimiento general es similar al que se aplica a numerosos minerales. En
el diagrama del proceso de lixiviación que aparece en el Figura 1 se indican
variantes de este procedimiento utilizadas en más de 20 plantas. Las etapas
básicas en este diagrama del proceso son:
Trituración y molido;
Lixiviación; separación de sólidos y líquido y lavado; extracción por disolventes
o intercambio iónico;
Precipitación y secado de la torta amarilla. Las menas extraídas de la mina,
que en algunos casos pueden incluir fragmentos de 25 cm o más de diámetro,
se trituran y se muelen hasta lograr la granulación de
arena fina. Como la mayoría de los minerales que se someten actualmente a
tratamiento contienen de 0,02 a 0,2% de uranio extraíble, es necesario tratar de
500 a 5000 kg de minerales por cada kilogramo de uranio extraído. En
consecuencia para producir una misma cantidad de uranio, la capacidad de la
planta de tratamiento podrá variar en un factor de 10. En la mayoría de las
plantas de tratamiento se utiliza
la molienda húmeda, y se conducen los lodos resultantes al circuito de
lixiviación, donde se añade ácido sulfúrico. El consumo de ácido no depende
del tenor de uranio del mineral, sino de los elementos que constituyen la ganga.
Los carbonatos presentes son frecuentemente los principales consumidores de
ácido. El total del consumo de ácido sulfúrico puede variar entre 10 y 100
kilogramos ^poTtonelada de mena. El tiempo de lixiviación puede variar entre
un reducido número de horas a todo un día.
En el caso de ciertos minerales se puede reducir notablemente el tiempo de
lixiviación calentando el
mineral molido mezclado con el ácido: en varias plantas de tratamiento se
utilizan temperaturas entre 40 y 60°C. Numerosos minerales requieren que se
agregue un oxidante tal como el bióxido de manganeso o el clorato de sodio
para lograr una extracción satisfactoria del uranio. El oxidante es necesario
porque la mayoría de los minerales contienen uranio en la forma reducida o
tetravalente. El uranio reducido es solo ligeramente soluble en los licores de
lixiviación ácidos; el oxidante aporta los elementos necesarios para convertir el
uranio al estado hexavalente que es fácilmente soluble. La recuperación de las
soluciones de lixiviación varían normalmente entre el 85 y 95%, y los licores de
lixiviación resultantes son soluciones relativamente diluidas, aunque complejas,
de sulfatos ácidos que contienen una gran variedad de iones. Los iones
metálicos presentes corrientemente comprenden: uranio, hierro, aluminio,
magnesio, vanadio, calcio, molibdeno, cobre y, algunas veces, selenio. La
concentración común del
uranio es 1 a 2 g/litro; las concentraciones de los demás iones pueden variar
notablemente según la composición del mineral específico que se haya tratado.
Después de la lixiviación, se separan del líquido los sólidos, que se lavan para
recuperar los restos de licor
de lixiviación adherido. En la mayoría de las plantas de tratamiento, la
operación de lavado se efectúa en circuitos de espesadores en contracorriente.
Tanto las técnicas de espesadores y de floculación desarrolladas para su
utilización en las plantas de tratamiento de uranio se emplean ahora
generalmente en otras industrias hidrometalúrgicas. Los floculantes son
agentes químicos que pueden capturar partículas en suspensión para formar
corpúsculos que se depositan mucho más rápidamente que las partículas
aisladas. Por consiguiente, el empleo de floculantes reduce el tamaño de los
coagulantes necesarios para los circuitos de lavado. Los floculantes ayudan
igualmente a mantener limpios los licores de lixiviación excedentes.
El uranio se separa de la solución de lixiviación mediante su extracción con un
disolvente o por intercambio iónico. La industria del uranio ha sido la primera
industria hidrometalúrgica que ha recurrido extensamente a la utilización de
estas dos operaciones. El agente activo del proceso de extracción por
disolución consiste generalmente en una sal aminoinorgánica diluida en
querosén, que puede extraer selectivamente los iones de uranio para formar un
complejo orgánico insoluble en agua. La fase orgánica se separa de la fase
acuosa mediante técnicas de deposición y decantación continuas.
El uranio es estudio del complejo orgánico lavándolo con una solución de sal
inorgánica, tal como el fluoruro de sodio o el sulfato de amonio.
CONCLUSIONES
Se obtiene buenas soluciones lixiviadas (PLS) de acuerdo al número de re-
extracciones efectuadas.
La Caracterización empleando técnicas de difracción de rayos X (DRX),
fluorescencia de rayos X (FRX), espectroscopia Mössbauer (EM) nos ayuda a
controlar y optimizar mejor los procesos metalúrgicos.
Los cementos encontrados están por encima de 70% Cobre con lo cual
aumenta su valor comercial.
La temperatura mejora la cinética de cementación en todo su rango más un
incremento en la velocidad de agitación empeora la cinética de cementación
Se logra encontrar un modelo cinético que caracteriza el Proceso de
Cementación del Cobre (Ecuación 11) que nos permite simular las distintas
condiciones de RPM, Temperatura y Tiempo que prefiguran la cementación del
Cobre.
VI.-AGRADECIMIENTOS
A la Escuela Académico Profesional de Ingeniería Metalúrgica, al
Vicerrectorado de Investigación al Consejo
Superior de Investigaciones CSI, al Instituto de Investigación IIGEO y al
Instituto de Investigaciones de
Ciencias Físicas de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos por el apoyo
brindado al Proyecto de
Investigación IIGEO - CSI - VRI N° 091601011. A la empresa COGNIS,a
Minera Chavinita por la donación de minerales sulfurados y al apoyo técnico
brindado.
VII.-REFERENCIAS
1.-Lovera.D, Bustamante. A, Quiñones.J, Puente.L 2005. CARACTERIZACIÓN
FISICOQUÍMICA Y PRUEBAS
METALÚRGICAS EN LA PROSPECCIÓN DE MINERALES POLIMETÁLICOS
EN EL COMPLEJO MARAÑÓN – PERÚ.
Revista del Instituto de Investigación FIGMMG. Vol. 8, N.° 16: 44-50
2.-Lovera.D, Bustamante. A, Quiñones.J, Puente.L 2010. CINETICA DE LA
REDUCCION CARBOTERMICA DE LA
CALCOPIRITA DEL COMPLEJO MARAÑON – PERÚ. Revista del Instituto de
Investigación FIGMMG. Vol. 13, N.°
25: pg. 21-26
2.-Puente.L 2002. PRECIPITACIÓN QUIMICA Y ADSORCIÓN EN EL
TRATAMIENTO DE EFLUENTES
CONTENIENDO METALES DISUELTOS. Vol. 5 N° 09 3.-Perez.J.C,.2008.
ANALISIS TERMODINAMICO DE
ESPECIES CIANURADAS DE ORO, PLATA Y COBRE SOMETIDAS A
CEMENTACION CON ZINC Y
ALUMNIO. Scientia et Technica Vol XIV,N°38 4.-Quiñones,J, 2009 Informe
Microscopia Óptica del mineral
sulfurado del Marañón5.-Calvo 1983. Cementacion de las Soluciones del Ion
Tetra bromercuriato. Anales de
Química.Vol 83,pg 390 – 393
6.-Landauro,C, 2010 Informe de Caracterización de Difracción de Rayos X
(DRX), Fluorescencia de Rayos X
(FRX), Espectroscopia Mössbauer (EM
BIOLOXOVIACION
4. Resumen y conclusiones
La biolixiviación tiene, ante todo, un objetivo de creación de riqueza. Permite
aumentar las tasas de recuperación del mineral, por tanto, hacer más rentable
un determinado proceso.
No obstante, la implementación de una nueva tecnología conlleva un alto grado
de incertidumbre, asociado a la falta de información y práctica en las
operaciones. Es claro que mientras más difundida sea la tecnología y su
aplicación, las barreras de acceso a éstas debiesen disminuir así como el
riesgo percibido por la empresa de su aplicación.
Además de las limitaciones establecidas por el propio inversionista, existen las
limitaciones asociadas al mercado como el aumento del costo energético para
el funcionamiento de los equipos, la disminución gradual de la ley de mineral, y
la creciente demanda ambiental, que establece regulaciones más exigentes
para los nuevos proyectos y mayor fiscalización para los que ya están en
operación (Lawrence. R. W., 1995). El mercado y la demanda ambiental
establecen limitaciones a las tecnologías convencionales, y por lo tanto exigen
nuevas tecnologías más eficientes, económicas y ambientalmente limpias.
El desafío entonces es aumentar la aplicación comercial, en base a que existen
investigaciones científicas tanto internacionales como nacionales, hace
décadas, que avalan la tecnología de biolixiviación, además de estudios en
plantas pilotos a escala industrial para probar la factibilidad técnica y
económica del proceso, dando excelentes resultados.
Para que la aplicación comercial e industrial de una nueva tecnología sea
exitosa, debe basarse en un desarrollo sustentable que involucra lo económico,
ambiental y social. De esta manera los desafíos en materia de aplicación de las
tecnologías de biolixiviación apuntan a: mejorar la eficiencia de su aplicación,
por ejemplo mediante el manejo genético de los microorganismos involucrados
para aumentar las tasas de recuperación
de cobre; realizar una explotación racional de los recursos, para asegurar su
disponibilidad futura; reutilizar materiales de baja ley que se habían dispuesto
como lastre para disminuir la explotación de mineral fresco; lograr una
eficiencia en los insumos mediante su recirculación, o la utilización de agua de
mar; minimizar los impactos ambientales preocupándose por ejemplo que el
material que es dispuesto en botaderos, o como relaves quede con especies
químicamente estables, como el caso del arsénico.
El rol del Estado se ha limitado a implementar programas para incentivar la
biotecnología en la minería, como el programa Genoma, mediante un
financiamiento parcial de los proyectos. El desafío es mejorar la participación
del Estado, en particular, en el fomento al desarrollo y la investigación en esta
materia. La tecnología de la Biolixiviación es clave para el aumento de la
eficiencia de las operaciones, y por tanto en incremento de las riquezas del
país.
En este sentido, y dada la importancia de la minería del cobre en el país, se
tienen altas ventajas comparativas en el desarrollo de la investigación asociada
a estas tecnologías, y el Estado debiese cumplir un rol clave, ya sea en el
fomento de éstas investigaciones, y también en la generación de los incentivos
que permitan atraer capitales para el desarrollo local de la investigación en esta
materia.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INAPI) [en línea]. www.inapi.cl
Instituto Tecnológico Geominero de España (ITGE). Minería química. 1994
ANEXOS
Tabla 1. Condiciones óptimas de bacterias asociadas a la lixiviación de minerales.
Tabla 2. Lixiviación en pilas de minerales de cobre (Histórica y actual).
Fuente: WATLING. H. R. The bioleaching of sulphide minerals with emphasis
on copper sulphides - A
review. Hydrometallurgy, Volume 84, Issues 1-2, October 2006, Pages 81-108
Tabla 3. Principales especies minerales de cobre de importancia económica, agrupadas según su ubicación aproximada en el yacimiento, con su composición química más frecuente.
BIBLIOGRAFIA
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Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.
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