FISICO QUIMICA DE LA HIDROMETALURGIA
FISICO QUIMICA DE LA HIDROMETALURGIA
Aspectos TermodinmicosDefinida por
Aspectos Cinticos
Termodinmica es muy desfavorable(Gran disminucin de la Energa
Libre
asociada a la reaccin considerada
Temperaturas de procesos son bajas
(velocidades de reaccin son bajas
Por lo tanto, las limitaciones normalmente son de carcter
cintico
TERMODINMICA
SI OCURRE UNA REACCION
CINETICA
CUANTO TIEMPO DEMORA EN OCURRIR
Dos interrogantes deben ser planteadas?
Factibilidad que ocurra o no una reaccin y la velocidad con
que
tal reaccin ocurra
Termodinmica de Sistemas Acuosos.-
Ms conveniente
Diagramas de Pourbaix o Diagramas Eh pH
En hidrometalurgia permiten visualizar posibilidades de
reacciones sin tener que recurrir al clculo termodinmico para los
fenmenos que ocurren en medio acuoso.
Diagramas de Pourbaix permiten establecer:
a) Las zonas bajo las cuales es posible lixiviar los minerales y
las condiciones requeridas para ello
b) Las propiedades de las soluciones en las que un mineral,
metal o compuesto es inestable y debera descomponerse
c) Las caractersticas de las soluciones obtenidas de un
determinado proceso hidrometalrgico y la estructura inica de las
especies disueltas
d) Las condiciones de precipitacin de un constituyente de la
solucin.
pH
Variables del diagrama
Potencial redox electroqumico
Generalmente se construyen a presin de 1 atm y a temperatura de
25 C
La presin en la termodinmica de sistemas acuosos no tiene mucha
importancia, aunque puede tener una gran importancia desde el punto
de vista cintico.
La temperatura puede influir bastante en el equilibrio de
algunas reacciones, siendo necesario construir el diagrama a la
temperatura especfica de inters.
Los diagramas termodinmicos predicen tendencias a que ocurran
fenmenos, pero no la velocidad con que estos pueden ocurrir.
RELACIONES TERMODINAMICAS.-
Es necesario tener el conocimiento de la estequiometra de las
reacciones y de los datos de energa libre de formacin de las
especies particulares que participan en ellas.
Para una reaccin qumica, es decir una reaccin en que participan
slo molculas neutras o iones positivos o negativos, la expresin
siguiente permite calcular la constante de equilibrio a la
temperatura que interesa, conociendo el valor de (G
(G = - 4.575 * T * Log K
(1)
Potenciales qumicos estndar
Determinacin de (G
Energas libres de formacin
(G = ((i * (i
(2)
donde (G = Energa libre de la reaccin (productos reactantes)
(i = Coeficientes estequiomtricos
(i = Energas libres de formacin (o potenciales qumicos) de los
compuestos que
participan en la reaccin
Si T = 25 C, relacin (1)
(G = -1363.35 * Log K
(3)Si expresin (3) depende solamente de la actividad de los
iones H+, se puede obtener el pH de equilibrio para la reaccin
qumica considerada a 25 C.
Para el caso de una reaccin electroqumica (o semi reaccin), es
decir, en la que participan adems electrones, se plantea la
siguiente relacin:
E = -(G
(4)
nF
donde:
E = Potencial de equilibrio estndar de la reaccin electroqumica
(volts)
n = nmero de electrones que participan en la reaccin
F = Equivalente electroqumico. En este caso su valor es de 23060
cal/volt. equiv.
(G = Se calcula de (2)
Al escribir las reacciones electroqumicas en el sentido de la
reduccin (captacin de electrones)
Ox + n(Red
(5)
Se puede escribir la Ecuacin de Nersnt
E = E + RT Ln (Ox)
(6)
nF (Red)
donde:
E = Tensin de equilibrio de la reaccin electroqumica (volts)
Ln = valor reciproco de la constante de reaccin K (dependiente
de los iones H+)
Reemplazando los valores constantes se obtiene
E = E + 0.059 Log (Ox)
(7)
n (Red)
que se aproxima a:
E = E + 0.06 Log (Ox)
(8)
n (Red)
Como el objetivo de los diagramas de Pourbaix es investigar la
influencia del pH y del potencial del electrodo en el equilibrio de
las reacciones de inters, es necesario escribir dichas reacciones
se manera tal que en la ecuacin aparezcan claramente expresados los
iones H+ y las cargas elctricas que toman parte de la reaccin.
Ejemplo: Para la reaccin de precipitacin del hidrxido ferroso,
se escribir
Fe+2 + 2H2O
(Fe(OH)2 + 2H+y no
Fe+2 + 2OH-
(Fe(OH)2
Se debe seguir el siguiente orden de balance de una reaccin:
1) Se balancean, en primer lugar, el o los elementos que
participan en la reaccin
2) Luego, el oxgeno se balancea con H2O
3) Los hidrgenos se balancean con H+4) Para el balance de
cargas, se balancea con .
Ejemplo:Caso de la cuprita (CU2O) y Cu elemental
Cu2O
(Cu
1.- Elemento
Cu2O
(2Cu
2.- Oxgeno
Cu2O
(2Cu + H2O
3.- Hidrgeno
Cu2O + 2H+
(2Cu + H2O
4.- Cargas
Cu2O + 2H+ + 2 (2Cu + H2O
En general, la reaccin de transformacin de una especie oxidada A
en una especie reducida B se escribe:
aA + cH2O + n (bB + mH+Las ecuaciones escritas y balanceadas,
permiten obtener las relaciones de equilibrio que sern expresadas
automticamente en funcin de la tensin del electrodo y del pH. La
tensin o potencial medir el efecto de las cargas , y el pH medir el
efecto de los iones H+, segn Sorensen
pH = - Log (H+)Por lo tanto las reacciones pueden clasificarse
en:
1.- Equilibrio en reacciones en que no participan ni H+ ni . Son
independientes de la tensin y del pH.
Ejemplo:
CuCO3(CuO + CO22.- Equilibrio en reacciones en que participan
H+, pero no (reaccin qumica propiamente tal), dependen slo del
pH.
Ejemplo:
CuO + 2H+
(Cu2+ + H2O
3.- Equilibrio en reacciones en que participan pero no H+
(reaccin electroqumica), dependen slo del potencial E.
Ejemplo:
Cu2+ + 2
(Cu
4.- Equilibrio en reacciones en que participan H+ y (reaccin
electroqumica), dependen del potencial y del pH
Ejemplo:
Cu2O + 2H+ + 2
(2Cu + H2O
REPRESENTACION GRAFICA.-
Ya se dijo que los diagramas permiten identificar las zonas y
las condiciones en las cuales determinadas especies son las
estables.
Caso 2:
CuO + 2H+(Cu2+ + H2O
(G = -10.42 Kcal
Como
(G = - 1363.35 Log K
(
Log K = 10420
(Log K = 7.6
1363.35
(
7.6 = Log (Cu2+)
(CuO)(H+)
si actividades de las especies es unitaria y los iones H+ se
expresan en funcin del pH, se tiene:
pH = 3.8
Por lo tanto, en un diagrama Eh/pH, la reaccin de equilibrio
estar representada por una recta vertical, siendo independiente de
la tensin
Eh
Cu2+ CuO
3.8
pH
Las zonas de estabilidad del Cu2+ y del CuO pueden deducirse a
partir de la expresin de la constante de equilibrio, calculando la
razn de concentracin de las especies para un pH especfico. Por
ejemploCual ser la especie estable a pH = 1.87?
Log (Cu2+) = 7.6 - 2pH
(Cu2+ = 104
(CuO)
CuO(a pH < 3.8 se tiene la zona de lixiviacin de la
tenorita
a pH > 3.8 se produce la precipitacin del Cu2+ como CuO.
CASO 3.-
Fe+3 +
(Fe+2
E = 0.77 voltAplicando la ecuacin de Nernst
E = E + 0.06 Log (Fe+3)
n (Fe+2)
y considerando actividades iguales para Fe+3 y Fe+2, se
tiene:
E = E = 0.77 volt
Que corresponde a una lnea horizontal independiente del pH.
E
Fe+3
Fe+2
pH
Esto indica que a valores de E < 0.77 volt, la especie
estable es Fe+2, y si existen iones Fe+3 en estas condiciones stos
tendern a reducirse y producir iones Fe+2.
CASO 4.-
MnO4- + 8H+ + 5 (Mn2+ + 4H2O (G = 173.6 Kcal
(E = - (G = -(-173600) = 1.51 volt
nF 5* 23060
E = 1.51 + 0.06 Log (MnO4-) (H+)85 (Mn2+)
E = 1.51 - 0.094 pH + 0.0118 Log (MnO4-)
(Mn2+)
y considerando actividades iguales de las otras especies, se
tiene:
E = 1.51 - 0.094 pH
Que en un diagrama tensin-pH el equilibrio estar representado
por una recta de pendiente 0.094 y por tanto, depender de la tensin
y del pH.
E
MnO4-
Mn2+
PH
ESTABILIDAD DEL AGUA.-
Puesto que se est considerando el equilibrio termodinmico de
especies en solucin acuosa, es relevante incluir en los diagramas
Eh-pH los lmites de estabilidad del agua.
Las semi reacciones a considerar son:
Reduccin:
2H+ + 2
(H2
Oxidacin
2H2O
(O2 + 4H+ + 4
Las expresiones para el potencial de estas reacciones a 25 C
estn dadas por:
Eh = 0.000 - 0.0591 pH - 0.0295 Log pH2
(a)
yEh = 1.228 - 0.0591 pH + 0.0147 Log PO2
(b)
Para pH2 = 1 atm y PO2 = 1 atm estas ecuaciones quedan:
Eh = 0.000 0.0591 pH
(Eh = - 0.06 pH
yEh = 1.228 - 0.0591 pH
(Eh = 1.23 - 0.06 pH
E
1.0
0.0
-1.0
0 2 4 6 8 10 pH
Figura: Diagrama de estabilidad del agua (25 C)CONSTRUCCION DE
UN DIAGRAMA POTENCIAL pH.-En la construccin de un diagrama primero
se debe definir el sistema:
Que compuestos se van a considerar
Composicin de la fase acuosa
Composicin de la fase gaseosa
Si el sistema es abierto o cerrado
Ejemplo para el Diagrama Potencial pH para el caso del sistema
Cu H2O.-( Diagrama vlido para analizar la lixiviacin de xidos
simples como tenorita (CuO) y Cuprita (Cu2O) o de Cu nativo)
Tabla de Compuestos a Considerar:
H2O=-56690 cal/mol
Cu++=15530 cal/mol
H+=0 cal/mol
Cu2O=-35000 cal/mol
OH-=-37600 cal/mol
CuO=-30400 cal/mol
Cu=0 cal/mol
CuO2=-43500 cal/mol
Cu+=12000 cal/mol
CuO2H=-61420 cal/mol
Ahora se deben plantear todas las reacciones posibles entre los
compuestos considerados, agrupandolas en la forma siguiente:
2 compuestos disueltos
2 compuestos slidos
1 compuesto slido y otro disuelto
a) Reacciones entre compuestos disueltos.-
1.- Cu++ +
(Cu+
E1 = 0.15
2.- CuO2H- + 3H+ +
(Cu+ + 2H2O
E2 = 1.73 - 0.18 pH
3.- CuO2= + 4H+ +
(Cu+ + 2H2O
E3 = 2.51 - 0.24 pH
4.- Cu++ + 2H2O
(CuO2H- + 3H+
pH4 = 9.05.- Cu++ + 2H2O(
CuO2= + 4H+
pH5 = 10.0
6.- CuO2H-
(CuO2= + H+
pH6 = 13.0
b) Reacciones entre compuestos slidos.-
7.- Cu2O + 2H+ + 2
(2Cu + H2O
E7 = 0.47 - 0.06 pH
8.- CuO + 2H+ + 2
(Cu + H2O
E8 = 0.57 - 0.06 pH
9.- 2CuO + 2H+ + 2
(Cu2O + H2O
E9 = 0.67 - 0.06 pH
c) Reacciones entre un compuesto slido y otro disuelto.-10.- Cu+
+
(Cu
E10 = -0.52
11.- Cu++ + 2 (Cu
E11 = -0.34
12.- CuO2H- + 3H+ + 2
(Cu + 2H2O
E12 = 1.12 - 0.09pH
13.- CuO2= + 4H+ + 2
(Cu + 2H2O
E13 = 1-51 0.12pH
14.- 2Cu+ + H2O
Cu2O + 2H+
pH14 = 0.848
15.- CuO + 2H+ +
(Cu+ + H2O
E15 = 0.62 - 0.12 pH
16.- 2Cu++ + H2O + 2
(Cu2O + 2H+
E16 = 0.20 + 0.06 pH
17.- Cu++ + H2O
(CuO + 2H+
pH17 = 3.9
18.- 2CuO2H- + 4H+ + 2
(Cu2O + 3H2O
E18 = 1.78 - 0.12 pH
19.- 2CuO2= + 6H+ + 2
(Cu2O + 3H2O
E19 = 2.56 - 0.18 pH
20.- CuO + H2O
(CuO2H- + H+
pH20 = 18.8
21.- CuO + H2O
(CuO2= + 2H+
pH21 = 16.0
Algunas de las lneas generadas mediante los clculos
termodinmicos deber ser eliminadas total o parcialmente, ya que
representan equilibrios que no tienen significado en la prctica
Para los equilibrios Cu++/Cu+; Cu+/Cu y Cu++/Cu (reacciones 1,
10 y 11), las lneas se muestran a continuacin:
ECu+
0.52
Cu
Cu++
0.34
Cu
Cu++
0.15 Cu+
pH
Figura: Inestabilidad del ion Cu+
Se puede observar que el ion cuproso no es estable en soluciones
acuosas, transformndose en Cu++ y Cu segn la reaccin de
dismutacin:
2Cu+
(Cu++ + Cupor lo tanto se pueden eliminar todas las reacciones
en que participa el ion cuproso (reacciones 1, 2, 3, 10, 14 y
15).
Por otro lado, segn reaccin 17, a pH > 3.9 el ion cprico ya
no es estable y precipita como CuO, por lo cual se pueden eliminar
las reacciones 4 y 5, ya que las especies del cobre acuoso no
coexisten en dichas reacciones.
Tambin para las reacciones 7, 8 y 9, se ver que el equilibrio de
la ec. 8 est comprendido entre los correspondientes a las
reacciones 7 y 9.Ello significa que el CuO se reduce a Cu2O antes
de transformarse en Cu. Ello elimina la reaccin 8.
E
CuO
Cu2O
CuO
Cu
Cu2O
Cu
Figura : Equilibrio metaestable CuO/Cu+
De reaccin 6, se puede deducir que a pH >14, la especie
estable es el oxianato cuprato, sobre el bicuprato. Esto permite
eliminar todas las reacciones donde participa este anin, eliminando
las reacciones 6, 12, 18 y 20
Por lo tanto para la construccin del Diagama Potencial pH se ha
considerado lo siguiente:
1.- T = 25 C
2.- Actividad de las especies slidas y diferentes iones = 1
3.- Presiones parciales de gases = 1 atm
4.- No se consideraron las especies Cu+, Cu(OH)2 y CuO2H-.
2.0
CuO
1.6
1.2
Cu++
0.5 O2 + 2H+ + 2e ( H2O
0.8
0.4
Cu2O
CuO2=
E0.0
Cu
-0.4
2H+ + 2e ( H2
-0.8
-1.2
-1.6
-2.0
0246810121416pH
Figura: Diagrama Cu H2O a 25 C
CONCLUSIONES DEL DIAGRAMA.-
1.- La disolucin de los xidos simples de cobre es
termodinmicamente posible en el dominio cido y en presencia de
oxidantes
La tenorita (o paramelaconita) slo necesita condiciones de pH,
mientras que en esas condiciones, la cuprita necesita adems la
presencia de un agente oxidante (iones Fe+3, O2, u otros)
Las reacciones son:
CuO + 2H+
(Cu++ + H2O
(tenorita)
Cu2O + 2H+
(2Cu++ + H2O + 2
(cuprita)
Ox + 2(Red
Cu2O + 2H+ + Ox
(2Cu++ + Red + H2O
donde Ox representa un agente oxidante cualquiera.
2.- En forma inversa, al estar el Cu++ en solucin, y para poder
permanecer en ella, necesita de una cierta acidez libre, evitndose
de esta manera su posterior precipitacin a pH > 4.0.
3.- Observando la posicin relativa del equilibrio Cu++/Cu con
respecto al equilibrio H+/H2, se desprende de que es posible
reducir Cu++ a Cu de sus soluciones por accin del hidrgeno. Adems,
el poder reductor de ste aumenta al aumentar el pH.
Cu++ + 2(Cu
2H+ + 2(H2
Cu++ + H2(Cu + 2H+4.- A travs de todo el rango de pH, el cobre
metlico es termodinmicamente estable estando en contacto con agua,
pero en ausencia de O2.
5.- La lixiviacin cida oxidante del Cu (como cemento de cobre,
por ejemplo) con O2 gaseoso es posible ya que la lnea de oxidacin
del agua a O2 est muy por encima de la oxidacin del cobre. El
carcter cido es necesario para evitar productos de oxidacin como
CuO, Cu(OH)2.
Cu++ + 2(Cu
0.5O2 + 2H+ + 2(H2O
Cu + 0.5O2 + 2H+(Cu++ + H2O
(ocurre a pH < 4.0)
A pH sobre 4.0 y bajo 16, se favorece tambin termodinmicamente
la formacin de xidos y en un medio fuertemente alcalino, el cobre
puede disolverse como CuO2=.
6.- La precipitacin electroltica se puede realizar aplicando al
ctodo un potencial inferior a 0.34 v. De esta forma el Cu++ se
reduce en el ctodo de acuerdo a:
Cu++ + 2(Cu (ctodo)
El diagrama ha sido trazado para actividades unitarias. Si se
traza para otras actividades, por ejemplo, 10-6, aumentan el
dominio de estabilidad de los iones, pero el diagrama mantiene su
forma producindose slo desplazamientos paralelos de las rectas que
limitan a estos iones.
El diagrama puede completarse agregando los equilibrios de otros
compuestos de cobre, y deducir sin necesidad de clculos,
posibilidades de reaccin como ya ha sido sealado.
CINETICA Y MECANISMOS DE SISTEMAS HIDROMETALURGICOS.-
Procesos Hidrometalrgicos
(Condiciones Termodinmicas favorables
(
Disminucin de Energas Libres
Por lo tanto, las limitaciones son de carcter cintico( T
bajas
(
Velocidad de reaccin baja
Producto
Reactivo
Velocidad dx/dt
Velocidad dc/dt
Figura N 1: Representacin grfica de la variacin de la
concentracin de un producto o reactivo en funcin del tiempo
Investigacin Cintica
(Medir Concentracin especie de valor a diferentes
tiempos
Permite obtener: orden de reaccin, parmetros cinticos y
mecanismos de la reaccin.
Mecanismos en Reacciones de Lixiviacin
Sistemas Hidrometalrgicos
(Sistemas Heterogneos
(Reacciones tienen lugar en interfaces en la cual ocurre
transferencia de materia de una fase a la otra.
Reacciones Heterogneos ms comunes en hidrometalurgia son:
* Reacciones slido lquido(Lixiviacin, intercambio inico,
cementacin, etc.
* Reacciones lquido lquido(Extraccin por Solventes
Tambin sistemas que emplean una fase gaseosaEj: Lixiviacin con
Oxgeno
Lixiviacin
Fase slida(mineral, concentrado o especie pura
Fase lquida(solucin que contiene agente lixiviante y
elementos metlicos disueltos
Normalmente dos tipos de reacciones pueden ocurrir en
lixiviacin:
(A( + productos fluidos(1)(A( + productos slidos y
lquidos(2)Caso (1)Lixiviacin de especies puras que no forman
residuos slidos como producto de reaccin Ej: Disolucin de
chalcantita, brochantita, etcCaso (2)Lixiviacin de especies que
forman residuos slidos, Caso ms frecuente en lixiviacin. Ej:
Disolucion de crisocola, sulfuros de cobre con iones frricos,
Tambin se puede considerar a los minerales de baja ley, donde el
material estril o ganga constituye la fraccin mayoritaria.ETAPAS
ELEMENTALES DE UNA REACCION HETEROGENEA.-Reaccin Heterognea Global,
se tiene:a(A( + ( r(R( + sdonde A es la solucin lixiviante
propiamente tal B representa el material slido que contiene el
elemento de inters a disolver R representa el producto fluido de la
reaccin S el material slido como producto de reaccinSe pueden
definir las siguientes etapas elementales en las que se puede
subdividir el proceso heterogneo:1.- Transporte del reactivo A por
escurrimiento de la masa de fluido2.- Difusin externa de A, desde
el seno de la solucin hasta la superficie de la partcula, a travs
de la capa lmite estacionaria que se crea alrededor de la
partcula.3.- Difusin interna en la partcula por difusin a travs de
los poros4.- Adsorcin de A sobre un sitio activo, ya sea en la
superficie externa de la partcula o en la superficie interna de los
poros5.- Reaccin en la superficie, es decir, transformacin de los
reactivos A y B en los productos R y S en la fase absorbida. Esta
reaccin puede ser de simple descomposicin (qumica) o de xido -
reduccin (electroqumica)6.- Desorcin de R desde la superficie
externa e interna de la partcula7.- Difusin interna de R, desde el
interior de la partcula por difusin a travs de los poros.8.-
Difusin externa de R hacia el seno de la fase fluida a travs de la
capa lmite que rodea a la partcula.9.- Transporte de R hacia el
exterior del sistema por escurrimiento de la masa de fludo10
Generacin y transferencia de calor en el interior del grano. 9 87
63 4 5 2 1La etapa ms lenta, es decir, la de mayor resistencia en
las condiciones de operacin, ser la que controla la transformacin
global y se define como la ETAPA CONTROLANTE.No siempre se
presentan todas las etapas.Ejemplo: Si no se forman productos
gaseosos, o si la reaccin es irreversible, las etapas 7 y 8 no
contribuyen directamente a la resistencia a la reaccin. La etapa 10
generalmente no se considera en el anlisis de una reaccin de
lixiviacin tradicional, aunque en la lixiviacin bacterial puede
presentarse un efecto exotrmico, con incrementos de T de la solucin
de 10 a 15 C. Las etapas 4, 5 y 6 conforman el proceso global de
reaccin y son difciles de aislar entre s. En un mecanismo
simplificado, stas pueden ser confundidas y analizadas como una
sola etapa. La difusin externa define la difusin en fase homognea
en solucin, y queda caracterizada por la Ley de Fick. La difusin
interna es la difusin del reactivo en la capa de producto slido
poroso que se puede formar durante la reaccin. La difusin en los
poros depende de las caractersticas de las molculas que difunden y
del dimetro y longitud del poro; mientras ms largo y estrecho es el
poro, ms difcil es la difusin. Ambos conceptos pueden ser agrupados
como transferencia de masa de fluido en el film y difusin
propiamente tal en la capa de slido.De esta forma, en un mecanismo
simplificado se tendra:i.- Transferencia de masa en el film de
fluidoii.- Difusin de A a travs del resiuduo slido poroso como
producto de reacciniii.- Reaccin de A con el slido en la superficie
de reacciniv.- Difusin de los productos formados a travs del
residuo slido hacia la superficie exterior del slidov.-
Transferencia de masa de los productos de reaccin hacia el seno de
la solucin.DEPENDENCIA DE LAS VARIABLES DEL SISTEMA EN LAS ETAPAS
DE UNA REACCIN HETEROGNEAEtapa NRelacionada conFlujo Forzado (1 y
9)Tipo de reactor, tamao y forma de las partculas y con el caudal
de la fase fluidaDifusin Externa (2 y 8) (Transferencia de
masa)Tamao y forma de las partculas, velocidad relativa entre el
fluido y las partculas y tipo de reactorEtapas el interior de la
partcula (3, 4, 5, 6, y 7)Naturaleza fsica y qumica del slido y de
la composicin de la fase fluida. No dependen del tipo de reactor
empleado.Difusin interna (poros) (3 y 7)Tamao y forma de las
partculas, porosidad y tamao de los poros. La difusin en los poros
depende del dimetro y longitud del poro, y de las caractersticas de
las molculas que difunden.Reaccin en la superficie (4, 5 y
6)Composicin del slido y del fluido, De las caractersticas del
slido (concentracin de defectos puntuales, tamao de grano,
impurezas, etc. De la presin y temperatura, y de la afinidad qumica
de A y B).Escribiendo en general, las reacciones del tipo 1 y 2, de
la forma siguiente:Mineral + A(l)(M(l) + P(l)(reaccin del tipo
1)Mineral + A(l)(M(l) + P(l) + S(s)(reaccin del tipo 2)donde A
representa el reactivo lixiviante, M es la especie de valor en
solucin, P otro producto cualquiera en solucin y S el producto
slido.Esquemticamente se tiene:Para reaccin del Tipo
1.-[A]s[A]b[M]s[M]b[P]s[P]bFigura: Esquema de una reaccin de
lixiviacin del tipo 1, con disolucin completa del mineral.Para este
caso la etapa controlante de la reaccin puede ser una o una
combinacin de las siguientes:a) Transferencia del reactivo A desde
el seno de la solucin hacia la superficie del mineral.b) Reaccin
del reactivo A en la interface para formar una especie soluble.c)
Difusin de la especie metlica soluble M, u otros productos P, hacia
el seno de la solucin.Para Reaccin del Tipo 2.- [A][A]b[A]s[M]s
[M][P]s [P][M]b[P]bFigura: Esquema de una reaccin del tipo 2, con
formacin de capa residuo poroso.Para este caso existen 2
posibilidades:d) Difusin del reactivo A a travs de la capa slida
producida por la reaccin (producto poroso)e) Difusin de la especie
soluble M u otro producto P a travs de la capa slida formada, hacia
el seno de la solucinPodemos concluir lo siguiente:1.- Velocidad de
reaccin( rea superficial(> velocidad de reaccin (< tamao de
partculas2.- Las etapas a) y b) son procesos de difusin en film
lquido y pueden ser descritos por las siguientes ecuaciones:JA = -
DA ((A(b - (A(s((*) (AJM = DM ((M(s - (M(b((**) (Men donde:JA y JM
= flujos en moles /cm2 segDA y DM = coeficientes de difusin,
cm2/seg(A(b y (A(s = concentraciones respectivas en el seno de la
solucin y en la interface mineral/solucin, mol/cm3(A y (M = espesor
del film lquido en la que se tiene un gradiente lineal de
concentracin, cm.JA y JM estn relacionados por la estequiometra de
la reaccinValores de (A y (M pueden no ser iguales y estn
determinados por el transporte en la fase acuosa.< Flujo
difusivo(< ((aumentando la agitacinPor lo tanto en procesos
controlado por transferencia de masala velocidad de reaccin aumenta
al aumentar la agitacin.Optimizar agitacinIndustrialmente Lix. Por
AgitacinPotencia de mezcla del equipoEstudiando diseo reactorLix.
por Percolacin(aumentar el flujo de las soluciones3.- Tambin para
aumentar velocidad de reaccin, bajo control por transferencia o
difusin homognea(aumentar concentracin de reactivoJA ((A(bPero
puede cambiar el control por transferencia a control qumico, ya
que:Velocidad de Difusin > Velocidad de Reaccin QumicaEj.
Lixiviacin amoniacal de minerales de cobre y zinc.4.- Bajo control
solo difusional(M(s = solubilidad del metal Mxima Concentracin del
elemento en solucin a la T del sistema A dicho valor la disolucin
se detiene temporalmente, hasta que por difusin de los iones, se
produce una disminucin de la concentracin (evitando problemas de
saturacin y/o precipitacin in situ) Adecuada agitacin5.- En la
etapa 2 (reaccin en la interface) se consideran las subetapas
siguientes: Adsorcin de los reactivos en la superficie Reaccin
propiamente tal Adsorcin de las especies disueltas.Adsorcin es
dependiente de la concentracin de reactivos pero no de la
agitacin.Adsorcin y reaccin son difciles de aislar, por lo tanto la
velocidad no depende solo de la solucin, si no ms bien de las
caractersticas del slido, tales como: Concentracin de defectos
puntuales Dislocaciones Tamao de grano Contenido de impurezas,
etc.Existen ataques preferenciales, dando lugar a fenmenos de
picado (pittings), ataque de lmites de grano, rupturas de la
partcula, ataque en planos cristalinos seleccionados o efectos
galvnicos en los cuales las partculas de mineral interactuan
electroqumicamente para acelerar la disolucin de un mineral y
retardar la de otros.6.- Al formarse residuos slidos porosos como
producto de reaccin, normalmente la etapa determinante es la
difusin a travs de la fase acuosa contenida en el material poroso.A
mayor material poroso, disminuye la velocidad de
lixiviacin.DIFUSION.-Difusin en Fase Homognea(ms comn en
hidrometalrgia.Difusin = Proceso que tiende a igualar
concentraciones dentro de una fase. El potencial que provoca la
difusin es el gradiente de concentracin dentro de la fase.1 Ley de
Fick.-Relaciona la cantidad de material que difunde por unidad de
tiempo en una direccin perpendicular a un plano de referencia de
rea unitaria, con la concentracin c, la coordenada de posicin x
(medida perpendicularmente al plano de referencia), y con el
coeficiente de difusin.J = - D(csi c = moles/cm3(D = cm2/seg y J =
moles/seg (xTambin puede expresarse como J = 1 dn A dtDonde n =
moles; t es el tiempo ;A Area del plano de referenciaExpresin
general para 1 Ley de Fickdn = - D A (cdt (xsigno negativo indica
disminucin de n con el tiemposi J es constante e integrando1 dn = -
D (cA dt (xDefiniendo el coeficiente de transferencia de masa como
hm = D/(xSe llega adn = - A hm (cdtExpresin general para la ley de
Fick en trminos de coeficiente de transferencia de masa
hm.Normalmente en los sistemas hidrometalrgicos se considera el
Coeficiente de difusin constante e independiente de la
concentracin.En procesos de disolucin o precipitacin de un slido,
la difusin a travs de una zona adyacente a la interfase slido
lquido puede ser controlante de la velocidad.En condiciones de
agitacin constante, el espesor de la zona adyacente tambin
permanece constante, obtenindose una condicin de estado
estacionario, donde lo que entra es igual a lo que sales.En la
figura siguiente se representa lo dicho anteriormente. Capa de
difusinsolucin totalCbSlidoflujo entrandoconcentracinCs(xCsFlujo
saliendo CbDistanciaFigura: Capa de difusin en una interfase slido
lquido al estado estacionarioCb - Cs = - Jdifusin hacia la
superficie (x Ddonde Cb es la concentracin en el seno de la solucin
y Cs es la concentracin en la superfice del slidoAnalogamenteCb -
Cs = Jdifusin desde la superficie (x DEs posible eliminar la
agitacin como variables en un estudio cintico, si sta es
suficientemente enrgica. Sin embargo, la eliminacin de la agitacin
como variables no asegura que la difusin no sea el paso controlante
de la reaccin..DifusinVelocidad reaccin superficial oDe condicin
lmiteAgitacin de difusin en el filmVelocidad de
ReaccinExperimentalmente y tericamente se encuentra que el espesor
de esta capa lmite de difusin es del orden de 10-3 cm, en
condiciones de agitacin violenta.Con dicho valor se ha demostrado
que la mxima velocidad que se puede obtener para una reaccin
controlada por difusin en la interfase slido lquido es
aproximadamente 0.1 moles/cm2 h, cuando la concentracin en el seno
de la solucin es 1 M.Los Coeficientes de difusin dependen de la
naturaleza de las especies que difunden y la T.En soluciones
acuosas D tiene valores entre 0.3 y 3.5 *10-5 cm2/seg, a T
ambiente.DIFUSIN A TRAVES DE UN PRODUCTO.-Para procesos
heterogneos, la difusin a travs de la capa de slido formado sobre
el ncleo reaccionante y/o a travs de la capa de partculas es un
factor importante.La complejidad del problema depende del tamao de
los poros de slido que reacciona o del residuo slido que se va
formando como producto de la reaccin. Para poros grandes, que es el
caso que interesa en sistemas hidrometalrgicos, es vlida la ley de
Fick:dn = - Df A dcdt dxdonde c= concentracin en la solucinDf =
coeficiente de difusin efectivoDf = D*E / (Con D = coeficiente de
difusin en la solucinE = porosidad de la capa de producto( =
tortuosidad de la capa de proyectoEl valor de E es relativamente
fcil de determinar, no as el de (, el que generalmente flucta entre
2 y 10.REACCION EN LA SUPERFICIE.-Reaccin en la interfase puede ser
parcial o completamente determinante de la velocidad.Para el caso
de reaccin tipo 2:a(A( + (r( R( + s la velocidad de reaccin para A
y el slido B se puede escribir como:rA = a rB = - a kr
CmACBn(11)dondea = factor de estequiometra de la reaccinm y n =
ordenes de reaccin respectivaskr = constante especfica de velocidad
de reaccin (incluido el rea de reaccin)Normalmente, el orden de
reaccin para los slidos es = 0 y cercano a 1 para el reactivorA = a
kr CAEl orden de reaccin es estrictamente una magnitud experimental
que depende de la forma en que la velocidad se relaciona con la
concentracin del o de los reactivos. Expresando la velocidad de
reaccin en funcin de una potencia, se tiene:r = k CA(CB( .....y se
dice que es de orden ( respecto de A y de orden ( respecto de B,
respectivamente.El orden total de la reaccin ser:n = ( + ( +
.......Para una reaccin de 1 orden, se tiene que r = mol/cm2 segc =
mol/cm3 k = cm/segVelocidad de reaccin puede representar un valor
numrico diferente, segn la manera como se defina y mida. Ejemplo:A
+ 3B ( 2CrC = dc = - 2dA = 2 rA dt dty tambinrB = dB = - 3 dA = 3
rA dt dtvelocidad de formacin de C = 2 velocidad de desaparicin de
Ayvelocidad de desaparicin de B = 3 velocidad de desaparicin de AEn
hidrometalurgia, lo ms usado es representar c v/s t, se trazan las
pendientes para los inicios de la reaccin y se comparan +estas
directamente con la ecuacin cintica.Si una reaccin es de un cierto
orden nr = k Cno bienLog r = log k + n log CAl determinar la
velocidad para distintas concentraciones de reactivo, la
representacin grfica del log r v/s log C, debe dar una lnea recta.
En esta caso la pendiente representa el orden de reaccin respecto
al reactivo cuya concentracin va variando, y la interseccin con el
eje correspondiente a log r representa log k.Este mtodo puede
aplicarse de dos maneras:1.- Se miden las concentraciones para
tiempos iniciales, para lo cual se emplean distintas
concentraciones iniciales de reactivo. En la figura siguiente se
representa esquemticamente este mtodo.Conc. Log
rdelReactivoPendiente Log kTiempoLog Ca) Representan los resultados
de una sola medidab) Se representa el logaritmo de la
velocidadcintica; se han trazado las pendientes correspon-en funcin
del de la concentracin.dientes a diversas concentraciones de
reactivo.2.- Se emplea una sola curva correspondiente a una
concentracin inicial definida de reactivo y se miden las pendientes
a diversos tiempos, lo cual corresponde a varios valores de la
concentracin de reactivo.Conc. Log rdelReactivoPendiente Log
kTiempoLog Cb) Representa la concentracin en funcin delb) Se
representa los logaritmos de las pen-tiempo para diversas
concentraciones iniciales.dientes iniciales en funcin de los
logaritmos de las concentraciones iniciales correspondientes.Lo
anterior puede repetirse para diferentes temperaturas. Un grfico de
log k v/s 1/T servir para determinar la energa de activacin del
sistema, mtodo ampliamente utilizado para determinar la etapa
controlante de una reaccin.LIXIVIACIN EN PILAS.-1 ETAPA.-
PARAMETROS A ESTUDIAR PARA DECIDIR LA CONSTRUCCIN DE UNA PILA.-An
cuando la lixiviacin en pilas es una tecnologa que presenta
caractersticas muy positivas para la recuperacin de especies
solubles, nunca debe olvidarse que hay otras tcnicas alternativas
que no deben pasarse por alto. Prcticamente lo nico que podra
afirmarse con certeza es que ella aventaja a la lixiviacin en
percoladores, por razones de menor inversin en instalaciones y
equipos de manejo de materiales.La decisin en favor de lixiviacin
en pilas slo puede adoptarse luego de un anlisis basado en el
comportamiento metalrgico de la mena, determinado exhaustivamente
en pruebas de laboratorio, que deber clarificar el proceso
metalrgico completo necesario para obtener el mximo de recuperacin
y determinar cuales son los costos asociados a las diversas
etapas.Por ejemplo es necesario evaluar: Relacin Grado de chancado
v/s Recuperacin, Cintica y Percolabilidad Relacin Consumo de
Reactivo v/s Recuperacin y Concentracin de Reactivo Influencia y
condiciones de Curado y Aglomerado sobre cintica y recuperacin.
Evaluacin de: Curvas de Cintica de recuperacin Concentracin de la
especie en las soluciones obtenidas Influencia de la altura de la
pila Posibilidad de ajuste de las concentraciones de la especie
recuperada con el proceso de recuperacin final desde ellas
Influencia de la recirculacin a la pila de soluciones tratadas en
la planta de recuperacin pH de trabajo Control de impurezas y
manejo de los descartes y ripiosTodo lo anterior proporciona
informacin apreciable para la toma de decisiones estratgicas y de
diseo.2 ETAPA.-DEFINIR EL TIPO DE PILAUna primera clasificacin
define dos tipos bsicos de sistemas de lixiviacin: Pila Permanente
(Piso desechable): En la cual la mena es depositada en una pila
desde la cual no se retirar el ripio una vez completada la
lixiviacin. Pilas Renovable (Piso reutilizable): En la cual se
retira el ripio al final de la lixiviacin para reemplazarlo por
mena fresca.En el siguiente cuadro se presentan los aspectos
comparativos de ambos casos:PILA PERMANENTEPILA
RENOVABLECampodeaplicacin Minerales de baja ley Minerales de baja
recuperacin Lenta cintica de lixiviacin Lixiviacin secundaria de
ripios Amplio espacio disponible Minerales de alta ley Minerales de
alta recuperacin Rpida cintica de lixiviacin Lixiviacin primaria de
menasCaractersticasgenerales Pilas elevadas para lograr una alta
densidad de carga de material por m2 de pilas. Generalmente 5
metros o ms. Granulometra elevada Comnmente diseada para cargas
sucesivas de mineral en capas La altura queda limitada por las
necesidades de oxgeno en el interior de la pila Pilas relativamente
bajas para permitir una rpida carga y descarga de material,
Generalmente 2 a 3 metros Granulometra baja La altura se define por
el sistema de carguo y por la concentracin de las soluciones a
obtener.Como criterios generales de decisin debe considerarse que
el valor de la especie recuperada debe financiar las inversiones
en: Preparacin de terrenos:2 - 4US$ /m2 Impermeabilizacin de
pisos:7 - 10US$/m2 Sistema de riego:2 - 3US$/m2 Manejo de ripios:1
- 2US$/m23 ETAPACONFIGURACION DE LA PILA.-Las pilas renovables o
permanentes pueden adoptar la configuracin de: Pilas Unitarias :
Todo el material depositado pasa simultneamente por las diversas
etapas del ciclo de tratamiento. Pila Dinmica : En una misma pila
coexisten materiales que estn en diversas etapas del ciclo de
tratamiento.Una representacin esquemtica de una pila dinmica se
muestra en la siguiente figura:En el siguiente cuadro se muestra
una comparacin entre ambas pilas.UNITARIADINAMICA Carga de una vez
la totalidad de la pila y la descarga de una vez al trmino del
ciclo de tratamiento. Ventajosa para plantas de baja capacidad
Operacin mas simple y flexible En cada perodo, que puede ser diario
o mltiplos de la alimentacin diaria, descarga un mdulo y carga
otro, los cuales adems van directamente adosados a sus respectivos
sectores de la pila, con la condicin que no haya contacto entre la
mena fresca y el ripio agotado. De esta forma la camada queda
formada por subpilas internas. Menor inversin unitaria por mejor
aprovechamiento de piso impermeable. Ciclos de operacin muy
regulares Concentraciones muy estables y regulables en las
soluciones de proceso Menor capital de trabajo.4
ETAPADIMENSIONAMIENTO DE LA PILA.-El dimensionamiento de la pila es
claramente una funcin simple de la capacidad de tratamiento, vale
decir de las toneladas a tratar. Consideraciones de importancia
son: Peso especfico aparente de la mena, bajo las condiciones de
carga a la pila. Altura de la pila, determinada en laboratorio y de
acuerdo con los equipos disponibles para su carga y descarga.
Angulo de reposo del material, bajo las condiciones de carga a la
pila.Un sencillo ejemplo muestra la secuencia de clculo para una
pila unitaria:Dimensionar una pila de base cuadrada, donde se
trataran 600 toneladas de mena con peso especfico aparente de 1.5
ton/m3, La altura de la pila ser de 2.2.m con un ngulo de reposo de
42. A a H b ( BClculos: Volumen a tratar:600 ton / 1.5 ton/m3=400
m3 Sea Volumen pila = VV = H ( A*B + a*b + ((A*B*a*b) 3y que:A = a
+ 2HB = b + 2H tg ( tg ( Para una pila cuadrada se tiene que:A =
Bya = bV = H ( A2 + a2 + (( A2 * a2) 3 Reemplazando y resolviendo
se tiene:V = H ( A2 - 6 AH + 4 H2) 3 tg ( tg2 (400 = 2.2 ( A2 - 6 *
2.2 *A + 4 * 2.22)3 tg 42 tg2 42A = 16 mya = 11.1 mtSuperficie en
la base= A2 = 162 = 256 m2 Area media de riego = (A + a)2 = ( 16 +
11.1)2 = 184 m222Realizado los ajustes correspondientes se puede
asignar el dimensionamiento correspondiente a la forma y tamao
disponible de acuerdo con la geografa del terreno.Para el
dimensionamiento de una pila dinmica se sigue el mismo
procedimiento bsico con las siguientes consideraciones adicionales.
El volumen de mineral se calcula en base a la capacidad de
tratamiento peridico, multiplicado por la duracin del ciclo, en
perodos, ms dos perodos. Por ejemplo: si se tratan 100 t/da con un
ciclo de 20 das, se considera un volumen correspondiente a 22 das,
es decir 2200 ton en la pila.La causa de ello radica en la
necesidad de disponer de espacio para descargar y
cargarsimultneamente material sin que exista posibilidad de mezcla
entre mena fresca y ripio agotado. El dimensionamiento debe
permitir la existencia de una corona al cargar la 1 pila como
condicin necesaria para un riego eficiente. El rea de influencia de
los regadores debe coincidir con el tamao de la corona de la franja
peridica para evitar interferencia con el personal y equipo que
realiza la carga y descarga. El ancho de la franja peridica debe
ser un mltiplo de la trocha del equipo de carga/descarga de
material.5 ETAPAASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LA PILA.-En la figura
siguiente se presenta un corte transversal de una pila de
lixiviacin.Capa de Ripio Pila de Mineral Pretil Canaleta Terreno
compactado SacosCapas de ArenaImpermeabilizacin Tubera de
DrenajeUna descripcin de sus componentes y de sus propiedades
tpicas son:1.- Substrato:Corresponde en general a un terreno con
pendiente del orden de 3 a 4 % en una direccin, hacia la canaleta.
Su grado de compactacin corresponde a un Indice Proctor Modificado
de 92 a 95 % Estar tan libre de piedras, sobre todo punzantes, como
sea prcticamente posible.2.- Finos de Proteccin:Capas de ridos
finos (arena, relaves, etc.) totalmente exentos de elementos
punzantes dado que deben acomodar suavemente la capa impermeable y
defenderla de la agresin mecnica que puede provenir desde
cualquiera de sus caras. Sus espesores tpicos varan de 10 a 20 cm.
Por encima y por debajo de la capa impermeable.3.- Base
Impermeable:Generalmente consiste en un material plstico inerte a
la accin de los agentes qumicos que mojarn su superficie. Su
resistencia mecnica es suficiente para resistir los esfuerzos a que
ser sometida; traccin y torque en carga-descarga y compresin por el
mineral depositado. Sus propiedades fsicas y qumicas le permiten
resistir las condiciones ambientales de temperatura y radiacin
existentes.4.- Tuberas de Drenaje: Tuberas corrugadas y perforadas,
colocadas espaciadas longitudinalmente, destinadas a permitir una
rpida evacuacin de la solucin una vez que alcanza el fondo de la
pila. Cumple el doble propsito de evitar la inundacin de la pila (y
las consecuentes capas freticas) y permite la inoculacin de aire
por las zonas inferiores.Su espaciamiento se calcula asumiendo que
la tubera es una canaleta que a la salida de la pila est llena
hasta 2/3 de su dimetro con el lquido recogido en su rea de
influencia; en todo caso no se recomienda espaciamientos mayores
que 2 metros.5.- Ripio de Proteccin:Constituye la ltima barrera de
proteccin del revestimiento. Bsicamente es una capa de unos 20 cm.
De material de apariencia diferente de la mena que marca el lmite
inferior en la descarga del ripio agotado y que adems reparte las
presiones sobre la tubera de drenaje. Si presenta buenas
propiedades de escurrimiento, puede llegar a sustituir las tuberas
de drenaje, aunque con peligro de embancamiento en el largo plazo y
sin el beneficio de aireacin inferior. Su banda granulomtrica debe
ir entre 100% < 3 y 100 % > 11/2.6.- Mena:Capa del material a
lixiviar depositado en forma razonablemente suave, deseablemente
por medios que no produzcan un efecto de compactacin sin
disgregacin mecnica, hasta alcanzar la altura determinada.7.- Sacos
de Relleno:Colocados al borde de la pila y antes de la canaleta,
proporcionan una barrera de contencin de los finos arrastrados por
la solucin, y un lugar para el paso de personal sin peligro de daar
la base impermeable. Su disposicin tipo ladrillo debe permitir la
salida de la tubera de drenaje. Se instalan sobre la carpeta
plstica y alcanzan una altura tal que sirvan de contencin a todas
las capas de ridos protectores bajo el mineral.8.- Canaletas de
Recoleccin:lugar de recuperacin de las soluciones; esta integrada
al revestimiento impermeable. En el caso de las pilas unitarias es
comn para toda la pila y presenta una pendiente del orden de 0.5 a
1 % haca el punto de recoleccin. En las pilas dinmicas est
nivelada, sectorizada y con salidas para cada sector. En ambos
casos estn conectadas a estanques desarenadores para eliminar
slidos en suspensin.9.- Anclajes:Sectores de fijacin de la base
impermeable al terreno.Una recomendacin muy importante consiste en
realizar pruebas de arreglos de pila, con diversos tipos y
espesores de revestimiento y capas de proteccin, bajo las
condiciones de operacin antes de proceder con la construccin de la
pila. Tambin debe dejarse un espacio libre entre el pie del mineral
y comienzo del anclaje, por si existiesen escurrimientos de solucin
por los taludes laterales y posterior, rematando la instalacin con
pequeos promontorios en los anclajes. Este espacio libre debiera
tener entre 0.3 y 0.5 metros.6 ETAPA.-SISTEMA DE RIEGO.-El sistema
de riego debe mojar la pila a la cantidad determinada de L/h-m2,
que se ha definido previamente en laboratorio en funcin de la
capacidad de drenaje del material, teniendo como consideracin
secundaria la concentracin de las soluciones a obtener.Sus
condiciones bsicas son: Permitir un riego tan uniforme como sea
posible. Un tamao de gota incapaz de provocar la aparicin de finos;
por ejemplo, desaglomerando el material. Un tipo y tamao de gota
que no sea afectado por las condiciones ambientales; esto es
arrastres por viento o prdidas por evaporacin. Estar construido con
materiales resistentes a los agentes qumicos y condiciones de
operacin.Se requiere por lo tanto:a) Disear las tuberas matrices de
forma que estabilicen las presin de la lnea, por ejemplo,
aumentando su dimetro o conformando anillos de presin constante.b)
Seleccionar cuidadosamente los dispositivos de riego de acuerdo con
los criterios ya sealados. c) Calcular su distribucin conciliando
su rea de influencia y su capacidad de flujo con la tasa de riego
deseada.Existe una gran variedad de dispositivos de riego tales
como: Goteros, Aspersores, Mangueras quirrgicas, llamadas Wigglers,
Boquillas, cuyas caractersticas se encuentran en los catlogos de
los proveedores correspondientes. Los dos ltimos tambin pueden
considerarse como aspersores.Como criterios generales de eleccin
pueden ser nombrados los que se encuentran en la siguiente
tabla:RIEGO POR GOTEORIEGO POR ASPERSIONa) Si el agua es escasab)
Si el pH de trabajo no permite precipitacin de las durezas del
aguac) Peligro de congelamiento en la alta cordillerad) Rgimen de
viento fuerte y permanentea) Recurso agua no es limitanteb) Aguas
muy duras y peligro de precipitacin de carbonatosc) Condiciones
climticas favorables, temperatura mnima 0 C.d) Rgimen de viento
moderado o intermitente a ciertas horas del dae) Necesidad de O2 en
la solucin, sin posibilidad de agregarlo en alguna instalacin
anterior7 ETAPA.-ESTANQUES DE PROCESO.-En un sistema de lixiviacin
en pilas se encuentran normalmente los siguientes estanques para
almacenamiento de lquidos:1.- Estanques Auxiliares.1.1.- Estanque
de agua industrial: Necesario, en caso de no disponer de una
alimentacin regular, para mantener una reserva de agua para
atender: Prdidas por evaporacin Prdidas por humedad residual en los
ripios agotados Necesidades de proceso, por ejemplo; curado,
aglomeracin y purgas de solucin.Su dimensionamiento corresponde a
una armonizacin entre el abastecimiento y la demanda.1.2.- Estanque
desarenador: Recibe solucin desde la canaleta de recoleccin de la
solucin de la pila y alimenta, por rebalse, a los estanques de
proceso decantando los slidos suspendidos. Se dimensionan en funcin
del tiempo de retencin necesario para obtener una buena
decantacin.1.3.- Estanque de emergencia: Para almacenar soluciones
en emergencia de operacin.2.- Estanques de Proceso.-2.1.-
Estanque(s) de solucin rica o fuerte: Corresponde al estanque
receptor de solucin de alta concentracin desde la pila previo a su
envo a la planta de tratamiento.2.2.- Estanque(s) de solucin
intermedia: Recibe(n) las soluciones desde las pilas que estn en
sus etapas de agotamiento o lavado para enviarlos a las pilas
frescas que entregan solucin rica. Existen en un nmero determinado
por las etapas en contracorriente del proceso de lixiviacin.2.3.-
Estanque de solucin agotada o refino: Recoge las soluciones
tratadas desde la planta de procesamiento previo a su retorno a la
pila para recuperarse en la especie a lixiviar.Los criterios de
dimensionamiento de estos estanques son:a) Debe poder recibir la
solucin correspondiente a la diferencia entre la humedad de
escurrimiento bajo riego y la humedad retenida por el ripio
(determinado previamente en laboratorio).b) Debe recoger las aguas
adicionales provenientes de lluvias o nevadas.c) Deben mantener un
nivel mnimo compatible con el sistema de bombeo.d) Puede dotrseles
de capacidad adicional para alimentar la planta de tratamiento,
durante perodos de detencin del sistema de riego.Es conveniente
dejar lneas de interconexin entre los estanques para dotar al
sistema de flexibilidad operacional para atender emergencias e
imprevistos.Usualmente se emplean estanques del tipo tronco
piramidal invertido, directamente excavados en el terreno, y
revestidos con un material impermeable, generalmente del mismo tipo
empleado en la base de la pila.Para optimizar el uso de
revestimiento para contener un volumen determinado en estanques de
este tipo, con paredes inclinadas en 45 y bases cuadradas, se puede
recurrir a las siguientes expresiones: LL = 0.84 ( V/0.083)1/3 Hl =
0.454 ( V/0.083)1/3 45H = 0.193 ( V/0.083)1/3 lSuperficie
revestimiento = (V/0.083)2/3 + Superficie para bordes y anclajes
superiores7 ETAPA.-SISTEMAS DE FLUJO.-El sistema de bombeo,
conduccin y control de flujos de un sistema de lixiviacin en pilas
queda determinado bsicamente por:1.- Las necesidades de riego; esto
en superficie a regar y tasa de riego2.- Operaciones y maniobras
con soluciones.3.- Controles de operacin.Su clculo y diseo sigue
las etapas normales para cualquier sistema hidrulico y slo cabe
resaltar las precauciones necesarias para la seleccin de los tipos
y materiales de bombas, caeras, vlvulas y fittings de entre los
varios disponibles en el mercado. La conveniencia de dotar al
sistema de un mximo de flexibilidad y adoptar medios de proteccin
suficiente para garantizar la duracin de los materiales empleados
frente a las condiciones de operacin, ambientales y de uso.Existen
fundamentalmente dos tipos:a) Bombeo directo desde estanques de
proceso a manifold del sistema de riego.b) Alimentacin
gravitacional por medio de un estanque de carga, que recibe bombeo
intermitente desde los estanques de proceso.La eleccin de uno de
estos tipos depender de las caractersticas geodsicas e hidralicas
de cada caso en especial.LIXIVIACION POR AGITACION.-Para minerales
no porososUsoGran produccin de finos en chancadoMayores
recuperaciones (> 90 %)VentajasMenores tiempos de lixiviacinGran
automatizacinMayores costos por etapa de chancado y
moliendaDesventajasNecesita etapa de lavado y separacin slido -
lquidoProduccin de soluciones diluidasEs posible combinar la
lixiviacin por agitacin con percolacin en estanque Mineral Chancado
Agitacin 28 # Ty Percolacin > 90 % Recup < 80 % Recup
Separacin S/L Metal Diagrama de Flujo Lixiviacin por Agitacin.-
Mena Chancado Harneo Molienda Clasificacin Agitacin Lavado y
Separacin slido/lquido Obtencin MetalBatchTiposContinua
CocorrienteContinua ContracorrienteLixiviacin Batch.-Lixiviacin
Cocorriente.-Agotamiento del mineral y del reactivo lixiviante en
forma paralelaCaractersticasNecesita mayor tiempo de
residenciaVarias unidades de agitacin (Todas las partculas tengan
igual tiempode residenciaAgitador unitario (( (( E(t) dt = t =
Volumen/Caudaly si Caudal es constante> Volumen para igual (Por
lo tanto, todas las partculas igual tiempo de residencia(N
reactores( Equipo adicional y mayores costosAgitadores en serie[R]
y [M] no cambia en forma proporcional[M] [R] [M] [R] [M] [R] 1 23 (
Velocidades de disolucind[M] (1) ( d[M] (2) ( d[M] (3) dt dt
dtLixiviacin en Contracorriente.-Mineral FrescoSolucin reactivo
agotada Mineral Agitador 1 Espesador 1 Solucin Rica Agitador 2
Espesador 2Etapas de separacin S/L(> costo de inversiny operacin
Agitador 3 Espesador 3 ResiduosObjetivo principal de operacin: >
Granulometra posible > densidad de pulpa posible Obtener la >
[M] en solucin Minimizar capacidad volumtrica de equipos(< costo
de inversin Reducir tamao de equipos y costos de operacin en
separacin S/LEquipos: Agitacin NeumticaPachuca Agitacin
MecnicaImpulsor o RotorAGITADORES NEUMATICOS VaporAlimentacin
DescargaTubo CentralCondensado30 AireVentajas: Desventajas: No
existen parte mviles* Granulometra fina < mantencin* Puede haber
> consumo de < consumo de energa reactivoColumna
CompletaTipos de PachucasColumna central cortaLibreMantener en
suspensin un slido (Columna completa)FuncionesAireacin de pulpa o
reaccin con reactivos gaseosos (columna libre)AGITADORES
MECANICOS:Ms usados en la industria(Fcil control y
operacinSuspensin de partculas por impulsor o rotorHlicesFlujo
axialTurbinasngulo < 90Paletas en nguloTipos de
ReactoresTurbinasFlujo radialparalelas al ejePaletasSin Bafles:Con
bafles:* Lquido en crculos4 baflesAncho = Dimetro estanque*
Formacin de vortices4* Sin movimiento vertical* Vel. Part = Vel.
Lq.BIOLIXIVIACION.-DEFINICIONES.-La biolixiviacin se define como el
ataque y solubilizacin de un mineral por accin bacteriana. Cuando
la superficie del mineral donde reside la bacteria se humedece, sta
desarrolla toda su actividad oxidando espontneamente a sulfuros
metlicos, generando Fe(III), sulfatos solubles y cido sulfrico.
Thiobacillus ferrooxidans (1947) que su presencia en las aguas de
mina de Ro Tinto en Huelva, Espaa, era responsable del gran
deterioro que sufran los equipos metlicos en las instalaciones de
la mina. Bryner y Beck (1947) encontraron, thiobacillus
ferrooxidans y thiobacillus thiooxidans, Otras: Leptospirilium
ferrooxidans, sulfobacillus acidanus y sulfolobusBiolixiviacin (
consiste en poner en solucin el metal de inters durante la oxidacin
bacteriana. El metal se recupera de la solucin y el residuo slido
se desecha. Biooxidacin ( proceso oxidar las especies reducidas de
azufre y degradar la matriz mineral, generalmente pirita o
arsenopirita, la cual contiene oro, plata o ambos metales finamente
diseminados. Figura: Partculas de pirita y calcopirita en presencia
de microorganismos mesfilosMICROORGANISMOSQuimiolittrofos ( energa
mediante la oxidacin de materiales inorgnicosAuttrofos ( utilizan
el CO2 como nica fuente de carbono (auttrofos obligados)Hetertrofos
( obtienen CO2 metabolizando compuestos orgnicos. Algunos
hetertrofos tienen la facultad de ser auttrofos en determinadas
condiciones (auttrofos facultativos).Intervalos caractersticos de
temperatura. Crifilas, en fro (< 20C)Mesfilas, en caliente
(20-40C); Termfilas moderadas, en un medio ms caliente (40-55C);
Termfilas extremas, necesitan ambientes muy calientes (>
55C).Microorganismos biolixiviantesTipo de
microorganismosGnerosMesfilosThiobacillus y
leptoespirilliumTermfilos moderadosSulfobacillusTermfilos
extremosSulfolobus acidanus, metallosphaera y
sulfurococcus.Microorganismos mesfilosThiobacillus ferrooxidans
(Tf) Bastoncillo 0.3 a 0.5 micras de dimetro y de 1.0 a 1.7 micras
de longitud. Quimiolitoautotrfica, obtiene su energa de las
especies reducidas de hierro (Fe 2+) y azufre (S 2-) y utiliza el
dixido de carbono como nica fuente de carbono, oxida prcticamente a
todos los sulfuros minerales conocidos. Crece en un rango de pH de
1.0 a 6.0, siendo el ptimo entre 2.0 y 2.5. Sobrevive en un
intervalo de temperatura de 2 a 40C, siendo el ms favorable de 28 a
35C. Prolifera por fisin binaria en cuestin de horas. En un sistema
en actividad alcanza poblaciones de 109 a 1010 clulas/mL.
Thiobacillus thiooxidans (Tt) Semejante al Tf, sin embargo no tiene
capacidad para oxidar al Fe2+. Posee un flagelo polar que le da
mayor movilidad respecto al Tf, Crece en condiciones ptimas a una
temperatura cercana a los 30C.Figura N 3: Imgenes de
bacteriasMECANISMOSPredominan bsicamente dos mecanismos de accin: *
El ataque directo o enzimtico del mineral por una o ms bacterias.
El contacto fsico entre la bacteria y el mineral es necesario.* El
ataque indirecto del mineral por uno o ms productos del metabolismo
de las bacterias, como Fe3+/H+. El contacto fsico entre la bacteria
y el mineral no es necesario.Mecanismo directo La bacteria que est
en contacto directo con la superficie del mineral, oxida al hierro
y al azufre de los sulfuros metlicos a sulfatos. La oxidacin
proporciona la energa para el crecimiento de las
bacterias.Mecanismo indirecto.-El sulfuro metlico es oxidado
qumicamente por la accin del agente oxidante, Fe3+. La funcin de
los microorganismos es regenerar a esta especie. Si la oxidacin
qumica es completa se obtienen Fe2+ y SO42-. Cuando es incompleta
se generan Fe2+ y S, en cuyo caso la bacteria oxida tambin el S a
SO42, regenerando el medio H2SO4.Ejemplos:Mecanismo DirectoCuFeS2 +
9/2 O2 + H+ ( Cu2+ + 2 SO42- + Fe3+ + 1/2 H2O Oxidacin
biolgicaMecanismo indirecto completoCuFeS2+ 16Fe3+ + 8H2O ( Cu2+ +
2SO42- + 17Fe2+ + 16H+ Oxidacin qumica17Fe2+ + 17/4 O2 + 17H+ (
17Fe3+ + 17/2 H2O Oxidacin biolgicaMecanismo indirecto
incompletoCuFeS2 + 4Fe3+ ( Cu2+ + 2S + 5Fe 2+ Oxidacin qumica5Fe2+
+ 5/4 O2 + 5H+ ( 5Fe3+ + 5/2 H2O Oxidacin biolgica2S + 3 O2 + 2H2O
( 2H2SO4 Oxidacin biolgicaAPLICACIONES COBREPlantaProduccin
Ton/daOperacinLo Aguirre (Chile)16,0001980-1996Mt. Leyshon
(Australia)1,3701991-(En cierre)Cerro Colorado
(Chile)16,0001993-Girilambone (Australia)2,0001993-Ivan-Zar
(Chile)1,5001994-Quebrada Blanca (Chile)17,3001994-Andacollo
(Chile)10,000 1996-Dos Amigos (Chile)3,0001996-Zaldvar
(Chile)20,0001998-Gundpowder's Mammoth Mine (Australia)1.2 millones
de toneladas (in situ) 1991-ORO (REFRACTARIOS)PlantaProduccin
Ton/daOperacinFairwiew ( Sudfrica) 351986, 1991-Sao Bento ( Brsil
)1501990-Harbour Lights ( Australia )401992-1994Wiluna ( Australia
)1151993-Ashanti ( Ghana )1,0001994-Youanmi ( Australia
)1201994-1998VENTAJAS * Se generan productos estables. El arsnico
contenido en menas refractarias de oro y plata se estabiliza
mediante precipitacin como arsenito de hierro en vez de arsnico
impuro obtenido por tostacin y difcil de eliminar. * Tiempos ms
cortos para obtener permisos ecolgicos por lo que reduce
globalmente el tiempo de explotacin de la zona. * Menos costo y
tiempo para legalizar los desechos.* Costos de capital y operacin
menores. En el caso de minerales de baja ley el costo energtico est
limitado al bombeo de las soluciones.* Ausencia de emisiones de
SO2.* Tecnologa apropiada para empresas que no cuentan con gran
soporte de personal calificado y de mantenimiento, al utilizar
equipos sencillos.* La selectividad del ataque microbiolgico
permite la fcil separacin de los subproductos.* Bajo consumo de
reactivos. Los propios microorganismos acidifican el medio.* Su
versatilidad es amigable con las variaciones en los parmetros de
operacin, como la cantidad de sulfuros, la composicin mineralgica,
etc.DESVENTAJAS* Pese a que las bacterias aceleran el proceso de
disolucin la cintica es an lenta, das, meses e incluso aos
dependiendo del material y del mtodo empleado. * Aunque los equipos
que utiliza son sencillos hay dificultad para implantarla a partir
de los procesos en funcionamiento.* La industria extractiva dispone
de muy poco margen de maniobra para la implantacin y adaptacin de
nuevos procesos.MECANISMO CINETICO DE LA CIANURACIN.-TermodinmicaSi
proceso ocurreCinticaVelocidad de ocurrenciaDisolucin de Au y Ag en
CN(Proceso de Corrosin ElectroqumicoO2 capta electrones (Zona
Catdica)(Metal cede electrones (Zona Andica)SLIDOAREA
ANDICASOLUCION2Au + 4CN-(2Au(CN)2 + 2eCN-Au(CN)-2idic2eO2H2O22OH-O2
+2H2O + 2e(H2O2 + 2OH-AREA CATODICAReaccin Global:2Au + 8 CN- + O2
+ 2H2O(2Au(CN)-4 + H2O2 + 2OH-Concentracin de O2Velocidad de
DisolucinConcentracin de CNIntensidad de AgitacinHabashi propone
que el control del procesoDifusin del O2Difusin del CN2*A*DCN-*DO2
(CN(( O2( Velocidad de Disolucin =((DCN- (CN( + 4DO2 (O2((A = Area
superficial de la partcula (cm2)(CN-((O2( = Concentraciones
(mol/ml) de cianuro y oxgeno disueltoDCN = Coeficiente de difusin
del in cianuro (1.83*10-5 cm2/seg)DO2 = Coeficiente de difusin del
oxgeno disuelto (2.76*10-5 cm2/seg) = Espesor de la capa lmite,
entre 2 y 9*10-3 cm, dependiendo de la intensidad y mtodo de
agitacin.Cuando la concentracin de CN- es baja: A*DCN-*(CN(
Velocidad de Disolucin =2(Cuando la concentracin de CN- es alta:
2*A*DO2( O2( Velocidad de Disolucin =(< (CN-((Velocidad de
Disolucin es f((CN-(> (CN-((Velocidad de Disolucin es f((O2(
(CN-(lim =6 (O2(limEn condiciones normales de P y T, solubilidad de
O2 en soluciones acuosas es baja y la concentracin de cianuro es
entre 1 y 2 g/T, entonces la velocidad de disolucin esta controlada
por la concentracin de O2 y su difusin hacia la superficie de
ataque.Por lo tanto, el aumento de la concentracin de cianuro libre
no acelera la reaccin.El tiempo de disolucin es proporcional al
radio de la partcula, por lo cual se requiere tiempos altos de
lixiviacin para tamaos de oro grueso.En la prctica es preferible
retirar el oro grueso por procesos de concentracin gravitacional o
por amalgamacin, antes de cianurar.ESTABILIDAD DEL CN EN SOLUCIONES
ACUOSAS.-Al disolver NaCN en agua, este tiende a hidrolizarse segn:
CN- + H2O(HCN- + OH-El HCN es gaseoso en condiciones normales,
letal para el organismo y un cido muy dbil:HCN(CN- + H+K =
5*10-10Por lo tanto, es importante la hidrlisis del reactivo y para
mantener CN libre es necesario aumentar la actividad del in OH
(> pH) , evitando la formacin de HCN.mara de Gases:2NaCN +
H2SO4(2 HCN + Na2SO4pH de Cianuracin entre 10 y 12EFECTO DE
CONSTITUYENTE DE LA PULPA.-CNReactivos NecesariosOHO2Pero
soluciones y minerales son complejos: Ganga reacciona positiva o
negativamente con los reactivos Reactivos de flotacin son
inhibidores de las reacciones de cianuracin Materiales carbonaceos
en las menas absorben el oro y la plataa.- Minerales de
Hierro:Pirita, Marcasita y Pirrotita se oxidan medianamente en las
soluciones alcalinas aireadas de cianuro y forman:Fe(OH)3, Fe(CN)-4
6, S=, CNS-Pirrotita > Marcasita > PiritaSe recomienda airear
la pulpa para formar Fe(OH)3, evitando la formacin de ferrocianuros
e in sulfuro.b.- Minerales de Cobre:Minerales de Cu (excepto la
Cpy) presentan gran afinidad para formar complejos con el
cianuro:Cu(CN)-2Cu(CN)3=Cu(CN)-3 4Segn (CN-(4 moles CN(1 mol CuCu2S
+ 6CN- + H2O2Cu(CN)= 3 + HS- + OHCu2O + 6CN- + H2O2Cu(CN)= 3 +
OH-SiCN- total(4No se afecta la cianuracin ni la cinticaCu
disueltoLixiviacin cidaSe recomiendaFlotacin Mezclas de Cianuro y
Amonioc.- Minerales de Arsnico.-Arsenopirita (FeS2*FeAs2)Regaljar
(As2S2)Oropimente (As2S3)6As2S2 + 3O2(2As2O3 + 4As2S3As2S3 +
CN-(CNS- + AsS= 3Se recomienda Tostacind.- In Sulfuro.-<
CinticaIn sulfuro inhibe la disolucin de oro (absorbe sobre la
superficie)Consume CN y O22S= + 2CN- + =2 + 2H2O(2CNS- +
4OH-Adicionar sales de plomo(PbS insolublee.- Tiosulfatos y
Tiocianatos.-Tiosulfato por descomposicin de slfuros y consumen
CN2S2O3- + 2CN- + O22CNS- + 2SO=4PROCESO CARBON EN COLUMNA
(CIC)-PROCESO CARBON EN PULPA (CIP)PROCESO CARBON EN LIXIVIACIN
(CIL).-CARBON ACTIVADO.-Siglo XVIII1 Aplicacin Industria Azucarera
(Decolorante)C.A. AdsorbeYodo, Oro Plata Molibdeno, Renio y otras
sustancias inorgnicas disueltas en soluciones acuosasAplicacin en
cianuracin(Concentrar soluciones(EWCARACTERISTICAS DEL CARBON
ACTIVADO.-AmorfoPorosoSuperficie especfica alta (300 a 3000
m2/g)Carbn sin porosidad 3.86*10-4 m2/gAlta porosidad permite
adsorber gases, vapores y sustancias disueltas o dispersas en
lquidos.Carbn de origen animal, vegetal o mineral puede ser
convertido en carbn activado.Materia Prima: Madera, cuescos de
frutas, cenizas, conchas de cocos, carbones bituminosos y
azcar.Materia primaPropiedades fsica y qumicasCondiciones de
activacinMateria PrimaFormas de activacinProducto deseado
(Granulado, polvo, etc)a.- Activacin con Compuestos
Inorgnicos.-Mezcla de carbn + Reactivos inorgnicos + TAcido
Sulfrico, Fosfrico, Hidrxidos y Sulfatos Alcalinos deshidratan las
molculas orgnicas durante la carbonizacin o calcinacin.T 500 900 C,
enfra, filtra y lava.b.- Activacin Mediante Gases.-Materia prima es
carbonizada y es pasada por gases calientes activantesGases:Vapor
de Agua, CO2, Gas de Combustin, aireT > 700 C son clasificados
de alta densidad (H) y son inmersos en cido o aguaT < 700 C son
clasificados de baja densidad (L) y son inmersos en agua.Carbn L no
puede ser convertido en HOcurre adsorcin cuando las molculas
alcanzan la superficie interna de la partcula de carbn, por DIFUSIN
a travs de los poros.(Estructura porosa influye fuertemente en la
cinticade adsorcin y en la selectividad de la adsorcinMicroporos
(cascara de coco) adsorben pequeas molculasMacroporos para molculas
grandes (colorantes, orgnicas, iones)FENOMENO DE ADSORCIN.-Se
define como la adhesin de sustancias disueltas en la superficie de
slidos, con las cuales se hallan en contacto.Fuerzas Fsicas
(Coulombicas, hidrofobicidad, etc)ADSORCIONFuerzas Qumicas
(interaccin con molculas de la superficie del slido)Fenmeno de
AdsorcinTensin superficial de la interfase slido - solucin (energa
superficial), la cual espontneamente tiende a decrecer para
disminuir la energa libre superficial de la interfase.Partcula de
Carbn ActivadoC.A adsorbe > sustancias orgnicas que
inorgnicasSustancias orgnicas de mayor peso molecular adsorben ms
espontneamente que las de menor peso molecular.La energa libre de
adsorcin puede expresarse aproximadamente por:(Gads - (Gelect +
(GCH2 + (Gquimdonde:(Gelect = Z*F*(d, representa la energa libre
debido a fuerzas coulmbicas (electrostticas)(d = Es el potencial
elctrico en el plano de SternZ = Es la carga de la especie
adsorbidaF = Es la constante de Faraday(GCH2 = n (CH2, representa
el trmino hidrofbico debido a la asociacin entre las molculas
orgnicas adsorbidas sobre la superficie(CH2 = Es la energa de cada
grupo CH2, mientras que n representa la cantidad de grupos en la
cadena hidrocarbonada(Gquim = Representa la energa libre debido a
la formacin de enlaces covalentes entre la sustancia adsorbida con
la superficie del slido.Fuerzas electroestticaADSORCIONAdsorcin
FsicaAfinidad hidrofbicaADSORCIONEnlace CovalenteAdsorcin
QumicaEFECTO CONCENTRACION DE IONES SOBRE LA ADSORCION.-1.- El
incremento de iones Na y Ca en la solucin incrementa la cantidad de
Ag y Au adsorbida2.- Los iones CN- compiten con los complejos de Au
y Ag por sitios activos decreciendo su adsorcin3.- A mayor pH de la
solucin, decrece la adsorcin de Au y Ag y menor es la adsorcin de
H+4.- A mayor pH el potencial z del carbn es ms negativo5.- A igual
concentracin inicial de Au y Ag en la solucin, el carbn adsorbe 3
veces ms Au que Ag, tambin la cintica del Au es mayor.6.- A mayor
temperatura menor capacidad de adsorcin.USOS DE CARBON
ACTIVADO.-1.- Adsorcin de reactivos de flotacin. Regula los
mecanismos de coleccin, presin y espumacin.2.- Modificador del
potencial oxidante de una pulpa o solucin. Usado en circuitos de
separacin Cu-Mo con el propsito de bajar el consumo de depresante y
tambin adsorber los colectores residuales de cobre3.- Como
catalizador en el proceso de cementacin de cobre con chatarra,
rebajando el consumo de chatarra por la disminucin del Fe+3
presente.4.- Eliminacin de contaminantes orgnicos en las soluciones
de SX y en la purificacin de aguas recirculadas y eliminacin de
grasas o aceites en las pulpas.5.- Adsorcin de iones metlicos de Au
y Ag desde las soluciones cianuradasMETODOS DE APLICACIN DE CARBON
ACTIVADO.-a.- Carbn en Columnas (CIC)b.- Carbn en Lixiviacin
(CIL)c.- Carbn en Pulpa (CIP)FIGURA: COLUMNA DE CARBON
ACTIVADOFIGURA: PROCESO CARBON ACTIVADO EN COLUMNASMENALIX, EN
PILASTRITURACIONO TANQUESMOLIENDABENEFICIOCOLASCALCINACIONSOLUCION
LIMPIALIXIVIACIONPOR AGITACIONCARBON ENCARBON
ENPULPALIXIVIACIONCARBON ENCOLUMNACOLASCARBON
CARGADODESORCIONDESORCIONDESORCIONA
PRESIONATMOSFERICAORGANICASOLUCION CONCENTRADACEMENTACION
CONELECTRODEPOSITACIONZINC EN POLVODISOLUCION/FUSIONBULLON
DORECEMENTACION CON Zn.- (1884)Cementacin con Zn en polvo (1904,
Merril)(> Area superficial2Au(CN)-2 + Zn(2Au +
Zn(CN)-242Au(CN)-2 + Zn + 3OH-(2Au + HZnO2- + 4CN- + H2Opero el Zn
tambin puede producir H2Zn + 4CN- + 2H2O(Zn(CN)-24 + 2OH- + H2Zn +
2H2O(HZnO2- + H+ + H2Puede existir precipitacin de oro a travs de
la formacin de H2Au(CN)-2 + H2(Au + 2H+ + 2CN-Pero esto ocurre a
bajas velocidades y temperatura y presion alta.Se ha propuesto la
siguiente reaccin general para el proceso de cementacin con ZnZn +
Au(CN)-2 + H2O + 2CN-(Au + Zn(CN)-24 + OH- + 0.5H2Cementacin con Zn
es un sistema redox hetereogeneo, donde: iones aurocianuros y
cianuros tienen que transferirse a la superficie del Zn Los
reactantes tienen que ser adsorbidos en ella La reaccin de reduccin
toma lugar en dicha superficie Los productos de la reaccin son
desorbidos y transportados a la solucin La velocidad de reaccin es
proporcional al area del Zn (polvo de Zn)Velocidad de Cementacin de
Au esta controlada por la velocidad de transferencia de los iones
Au(CN)-2CONDICIONES PARA UNA BUENA CEMENTACION.-1.- Solucin Rica:
estar clarificada con menos de 5 ppm dde slidos estar desoxigenada
hasta 1 ppm de oxgeno tener una concentracin de cianuro libre >
0.035 M (1.7 g/L NaCN) tener un pH en el rango de 9 a 11 (con una
adecuada adicin de cal) contener una adecuada cantidad de nitrato
de plomo (alrededor de 0.5 a 1 parte de nitrato de Pb por 1 parte
de Au) y no una alta concentracin de plomo.2.- Adecuada adicin de
Zn en polvo de alta pureza (5 a 12 partes de Zn por parte de
Au)PROCESO MERRILL-CROWE.-xito del proceso: Adicin de Sales
solubles de plomo Uso de Zn en polvo Desoxigenacin de la solucin
rica (1918)Cuatro etapas bsicas:1.- Clarificacin de la solucin de
cianuro rica2.- Desoxigenacin3.- Adicin de Zn en polvo y sales de
plomo4.- Recuperacin del precipitado Zn-AuSolucion de
lixiviacinIngreso Solucin RicaAdicin de
reactivosClarificadorFiltros de placas o velasa la solucin,
sirevestidas de diatomita.es necesarioDesaireadorProceso de Polvo
de Znextraccin de oro y sales de PbFiltrado delPrecipitado de Zn
OROSolucin EstrilRecirc. SolucinestrilFIGURA: Flujograma tpico de
una planta de precipitacin Merrill-CroweELUCION O DESORCION.-Antes
de encontrar un proceso adecuado para la desorcin de oro, el CA no
fue usado en los procesos de cianuracin.PROCESO ZADRA:
(1950)Caracteristicas: Solucin con 0.1 a 0.2 % NaCN y Temperatura
de 85 - 95 C Tiempo de desorcin 24 a 60 horas Presin atmosfrica
Proceso simple y bajo costo, especial para operaciones de pequea
escala La desventaja es el tiempo de ciclo alto.PROCESO DE DESORCIN
CON ALCOHOL (1976 - Heinen)Caractersticas: Solucin con 0.1 % NaCN;
1 % NaOH y 20 % etanol a temperatura de 80 C. La adicin de etanol
reduce el tiempo de ciclo de desorcin (5 a 6 horas) Menor tamao de
seccin de desorcin con respecto a proceso Zadra La desventaja es el
riesgo de incendio y explosin por el uso de alcohol Otra desventaja
es el alto costo de operacin debido a la prdida de alcohol por
volatilizacin por lo cual se requiere de equipos para la
recuperacin de vapor. Carbn no requiere frecuente
regeneracinPROCESO DE DESORCIN A ALTA PRESION ( 1973 - Ross)
Solucin con 0.1 % NaCN y 1% NaOH a temperatura de 160 C y 350 kPa
(50 psi) Alta presin reduce el consumo de reactivos, inventario de
carbn y tamao de seccin de desorcin. Tiempo de desorcin entre 2 y 6
horas Alto costo de capital en su instalacin por la presin y
temperatura empleada, asi como el tiempo que se requiere para
enfriar las solucionesPROCESO DE DESORCION ANGLO-AMERICANO
(Davidson - 1980) Considera un pre-acondicionamiento del carbn
cargado con un medio volumen de lecho de 5 % NaOH y 1% NaCN por 30
minutos. Luego viene la desorcin con cinco volmenes de lecho de
agua caliente (110 C) a una razn de flujo de 3 volmenes de lecho
por hora. La temperatura de 110 C origina una presin de operacin de
7 a 14 psi0 El tiempo de ciclo, considerando el pre-lavado es de 8
a 9 horas Requiere un alto costo de capital en la instalacin y el
requerimiento de flujos mltiples incrementa la complejidad del
circuito.REGENERACION DEL CARBON.-Regeneracin trmica(eliminar
materia orgnica e impurezas inorgnicasNo son eliminadas ni por
desorcin ni lavado cidoCalentar carbn hmedo entre 650 - 750 C en
ausencia de aire por 30 minutos.Fleming y Nicol demostraron que el
calentamiento de carbn hmedo resulta en una combustin parcial:C +
H2OCO + H2C + 2H2OCO2 + 2H2Adems calcinacin(> Capacidad de
adsorcinaguaDespus de calcinacin(enfriamientoAire (>
actividad)Antes de recircular a la adsorcin debe ser tamizado (200
# TyReactivacin en hornos rotatorios calentados externamente por
energa elctricaVapor generado por agua del carbn hmedo(sacar aire
del hornoCOMPARACION DEL PROCESO DE CEMENTACION MERRILL-CROWE V/S
ADSORCION CON CARBON ACTIVADO.-PROCESO MERRILL-CROWEPROCESO CARBON
ACTIVADOVENTAJAS: Bajo costo de labor para operacin y mantencin.
Concentracin de metales preciosos en solucin de lixiviacin tiene un
pequeo efecto en el requerimiento de reactivos qumicos Costos bajos
de capital para la instalacinVENTAJAS: La solucin rica no requiere
de pre-tratamiento El proceso maneja menas lamas y carbonosas
Recuperaciones muy eficientes, independiente de la concentracin de
metal precioso en solucin. Mayor recuperacin de oro (99.9 %) que
proceso merrill-croweDESVENTAJAS: La solucin rica necesita
pre-tratamiento antes de la precipitacin El proceso es sensible a
iones interferentesDESVENTAJAS: Leyes altas de plata en la solucin
rica originan demasiado movimiento de carbn. El carbn es
susceptible de bloquearse por sales de Ca y Mg La desorcin y
regeneracin del carbn son labores intensas. La implementacin de
procesos de adsorcin es ms costosa que las operaciones de
cementacin con Zn. Prdidas de oro en carbn finoCEMENTACION CON Zn.-
(1884)Cementacin con Zn en polvo (1904, Merril)(> Area
superficial2Au(CN)-2 + Zn(2Au + Zn(CN)-242Au(CN)-2 + Zn + 3OH-(2Au
+ HZnO2- + 4CN- + H2Opero el Zn tambin puede producir H2Zn + 4CN- +
2H2O(Zn(CN)-24 + 2OH- + H2Zn + 2H2O(HZnO2- + H+ + H2Puede existir
precipitacin de oro a travs de la formacin de H2Au(CN)-2 + H2(Au +
2H+ + 2CN-Pero esto ocurre a bajas velocidades y temperatura y
presion alta.Se ha propuesto la siguiente reaccin general para el
proceso de cementacin con ZnZn + Au(CN)-2 + H2O + 2CN-(Au +
Zn(CN)-24 + OH- + 0.5H2Cementacin con Zn es un sistema redox
hetereogeneo, donde: iones aurocianuros y cianuros tienen que
transferirse a la superficie del Zn Los reactantes tienen que ser
adsorbidos en ella La reaccin de reduccin toma lugar en dicha
superficie Los productos de la reaccin son desorbidos y
transportados a la solucin La velocidad de reaccin es proporcional
al area del Zn (polvo de Zn)Velocidad de Cementacin de Au esta
controlada por la velocidad de transferencia de los iones
Au(CN)-2CONDICIONES PARA UNA BUENA CEMENTACION.-1.- Solucin Rica:
estar clarificada con menos de 5 ppm dde slidos estar desoxigenada
hasta 1 ppm de oxgeno tener una concentracin de cianuro libre >
0.035 M (1.7 g/L NaCN) tener un pH en el rango de 9 a 11 (con una
adecuada adicin de cal) contener una adecuada cantidad de nitrato
de plomo (alrededor de 0.5 a 1 parte de nitrato de Pb por 1 parte
de Au) y no una alta concentracin de plomo.2.- Adecuada adicin de
Zn en polvo de alta pureza (5 a 12 partes de Zn por parte de
Au)PROCESO MERRILL-CROWE.-xito del proceso: Adicin de Sales
solubles de plomo Uso de Zn en polvo Desoxigenacin de la solucin
rica (1918)Cuatro etapas bsicas:1.- Clarificacin de la solucin de
cianuro rica2.- Desoxigenacin3.- Adicin de Zn en polvo y sales de
plomo4.- Recuperacin del precipitado Zn-AuSolucion de
lixiviacinIngreso Solucin RicaAdicin de
reactivosClarificadorFiltros de placas o velasa la solucin,
sirevestidas de diatomita.es necesarioDesaireadorProceso de Polvo
de Znextraccin de oro y sales de PbFiltrado delPrecipitado de Zn
OROSolucin EstrilRecirc. SolucinestrilFIGURA: Flujograma tpico de
una planta de precipitacin Merrill-CroweELUCION O DESORCION.-Antes
de encontrar un proceso adecuado para la desorcin de oro, el CA no
fue usado en los procesos de cianuracin.PROCESO ZADRA:
(1950)Caracteristicas: Solucin con 0.1 a 0.2 % NaCN y Temperatura
de 85 - 95 C Tiempo de desorcin 24 a 60 horas Presin atmosfrica
Proceso simple y bajo costo, especial para operaciones de pequea
escala La desventaja es el tiempo de ciclo alto.PROCESO DE DESORCIN
CON ALCOHOL (1976 - Heinen)Caractersticas: Solucin con 0.1 % NaCN;
1 % NaOH y 20 % etanol a temperatura de 80 C. La adicin de etanol
reduce el tiempo de ciclo de desorcin (5 a 6 horas) Menor tamao de
seccin de desorcin con respecto a proceso Zadra La desventaja es el
riesgo de incendio y explosin por el uso de alcohol Otra desventaja
es el alto costo de operacin debido a la prdida de alcohol por
volatilizacin por lo cual se requiere de equipos para la
recuperacin de vapor. Carbn no requiere frecuente
regeneracinPROCESO DE DESORCIN A ALTA PRESION ( 1973 - Ross)
Solucin con 0.1 % NaCN y 1% NaOH a temperatura de 160 C y 350 kPa
(50 psi) Alta presin reduce el consumo de reactivos, inventario de
carbn y tamao de seccin de desorcin. Tiempo de desorcin entre 2 y 6
horas Alto costo de capital en su instalacin por la presin y
temperatura empleada, asi como el tiempo que se requiere para
enfriar las solucionesPROCESO DE DESORCION ANGLO-AMERICANO
(Davidson - 1980) Considera un pre-acondicionamiento del carbn
cargado con un medio volumen de lecho de 5 % NaOH y 1% NaCN por 30
minutos. Luego viene la desorcin con cinco volmenes de lecho de
agua caliente (110 C) a una razn de flujo de 3 volmenes de lecho
por hora. La temperatura de 110 C origina una presin de operacin de
7 a 14 psi0 El tiempo de ciclo, considerando el pre-lavado es de 8
a 9 horas Requiere un alto costo de capital en la instalacin y el
requerimiento de flujos mltiples incrementa la complejidad del
circuito.REGENERACION DEL CARBON.-Regeneracin trmica(eliminar
materia orgnica e impurezas inorgnicasNo son eliminadas ni por
desorcin ni lavado cidoCalentar carbn hmedo entre 650 - 750 C en
ausencia de aire por 30 minutos.Fleming y Nicol demostraron que el
calentamiento de carbn hmedo resulta en una combustin parcial:C +
H2OCO + H2C + 2H2OCO2 + 2H2Adems calcinacin(> Capacidad de
adsorcinaguaDespus de calcinacin(enfriamientoAire (>
actividad)Antes de recircular a la adsorcin debe ser tamizado (200
# TyReactivacin en hornos rotatorios calentados externamente por
energa elctricaVapor generado por agua del carbn hmedo(sacar aire
del hornoCOMPARACION DEL PROCESO DE CEMENTACION MERRILL-CROWE V/S
ADSORCION CON CARBON ACTIVADO.-PROCESO MERRILL-CROWEPROCESO CARBON
ACTIVADOVENTAJAS: Bajo costo de labor para operacin y mantencin.
Concentracin de metales preciosos en solucin de lixiviacin tiene un
pequeo efecto en el requerimiento de reactivos qumicos Costos bajos
de capital para la instalacinVENTAJAS: La solucin rica no requiere
de pre-tratamiento El proceso maneja menas lamas y carbonosas
Recuperaciones muy eficientes, independiente de la concentracin de
metal precioso en solucin. Mayor recuperacin de oro (99.9 %) que
proceso merrill-croweDESVENTAJAS: La solucin rica necesita
pre-tratamiento antes de la precipitacin El proceso es sensible a
iones interferentesDESVENTAJAS: Leyes altas de plata en la solucin
rica originan demasiado movimiento de carbn. El carbn es
susceptible de bloquearse por sales de Ca y Mg La desorcin y
regeneracin del carbn son labores intensas. La implementacin de
procesos de adsorcin es ms costosa que las operaciones de
cementacin con Zn. Prdidas de oro en carbn finoELECTRODEPOSITACION
DE ORO.-Desarrollada en el siglo XIX por Fisher y WeimerAplicada a
escala industrial por Siemens-Halske a fines del siglo
XIXElectrodepositacin de Oro(proceso barato y eficienteCtodo ( Oro
disuelto se reduce a oro metlico y genera hidrgeno por
descomposicin del aguaAnodo(ion hidroxilo se oxida a agua con
evolucin de oxgenoCtodo:Au(CN)-2 + e-(Au + 2CN-H2O + e-(0.5H2 +
OH-Anodo:2OH-(H2O + 0.5O2 + 2e-Reaccin Global:Au(CN)-2 + OH- ( Au +
2CN- + 0.5H2 + 0.5O2Alta eficiencia(constante de estabilidad del
ion aurocianuro(Au(CN)-2(= 1038(Au+((CN-(2Por reduccin electroltica
no se agregan reactivos qumicos(recircular solucionesEW de Oro Oro
depositado es de alta purezaaunque las soluciones de baja
concentracin tienen velocidad lenta de depositacin.Concentracin de
soluciones ricas son bajas 0.035 0.9 g/L(Densidades de corriente
son bajas(velocidades de depositacin bajasMtodos de
Electrodepositacin: (en base al tipo de celdas)Celda Zadra (1950):
Recipiente cilndrico con un ctodo central de lana de acero,
protegido dentro de un canasto de plstico perforado para aislacin,
y un nodo concntrico de malla de acero inoxidable. Solucin ricaTubo
de alimentacin yDistribuidor de corrienteAnodoCtodoCompartimiento
delCtodo (lana de acero)Seccin TransversalVista lateralCelda AARL
de Anglo American:Semejante a la Celda Zadra, las diferencias son:
Solucin alimentada por un tubo en el fondo del ctodo y sale sin
contactarse con el nodo El contacto elctrico se efecta por medio de
una membrana de intercambio inicoCelda Mintek: (ctodo de
grafito)Celda tipo sandwichcon ctodo permanente de grafito separado
del compartimiento andico por una membrana de intercambio
inico.Despus de la depositacin del oro el grafito es disuelto como
aurocianuro de potasio por inversin de la polaridad y finalmente
re-depositado sobre placas de titanio, en una pequea celda
externa.El problema es la pasivacin que sufre el grafito, por lo
cual a veces es necesario fundir el grafito para recuperar el
oro.Celda Mintek: (ctodos de lana de acero)Celda rectangular con
ctodos permeables rellenados con lana de acero y nodos de acero
inoxidable perforados (flujo uniforme de solucin).Es posible
obtener 2 Kg de Au en 0.5 kg de lana de aceroPosteriormente la
eficiencia de corriente disminuye al bloquearse el ctodo por el oro
depositadoCtodos son calcinados(700 C por 20 horas40 % boraxCalcina
es mezclada con30 % Na2CO3(T 1300 C25 %
sliceMINERALSOLUCIONMineralProducto slido poroso EMBED PBrush EMBED
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