Lixiviacion en Pilas Cu v01

Revisión de la Lixiviación en Pilas de Minerales de Cobre; Página 1 de14 LX Users Conference Chile; La Serena, Junio 2004 Carlos Avendaño Varas – Sociedad Terral S.A.

REVISION DE LA LIXIVIACION EN PILAS DE MINERALES DE COBRE

Carlos Avendaño Varas Ingeniero Civil Químico Sociedad Terral S.A 1. INTRODUCCION Hoy en día, la lixiviación en pilas es un proceso industrial ampliamente difundido para el tratamiento de minerales con especies oxidadas y sulfuros secundarios de metales base –en este caso, generalmente con apoyo de técnicas bacterianas- y que ya se intenta y explora intensamente para el tratamiento de los sulfuros primarios. Las metodologías usadas se originaron en el procesamiento de minerales oxidados y generalmente se basan en pruebas metalúrgicas y la experiencia industrial, que terminan por relacionar las variables económicas primarias (recuperación, consumo de ácido y cinética) con las condiciones adoptadas (granulometría de mineral, dosis de ácido en curado, tasa de riego, altura de apilamiento y aplicación de soluciones con alguna forma de contracorriente), para obtener resultados que se expresan en las duraciones de los ciclos y en las concentraciones de especies en las soluciones ricas. Hasta cierto punto, este enfoque usual presenta una cierta dosis de fatalismo, en el sentido que se basa en adoptar un respeto estricto del comportamiento del mineral, con pocas posibilidades de manipularlo para lograr objetivos más bien basados en los requerimientos económicos en una faena hidro-metalúrgica. Este documento presenta un enfoque diferente, basado en reconocer las características y el comportamiento del mineral, para separar simultáneamente aquellas condiciones que deben respetarse y los grados de libertad disponibles, de modo que sea posible conciliar ambos aspectos para establecer y lograr un objetivo más bien basado en los criterios económicos de una operación completa.


2. CARACTERISTICAS DE UNA LIXIVIACION IDEAL Partiendo de la base que el comportamiento del mineral, dentro de ciertos límites, puede ser dirigido hacia un comportamiento objetivo, proponemos los siguientes requerimientos para una lixiviación ideal, algunas de interés de la lixiviación y otras deseables por la Planta SX que procesará sus soluciones: Del interés de la lixiviación: • Debe maximizar la recuperación metalúrgica y minimizar consumos de ácido, de agua y de

energía.

• Debe anular los efectos de eventuales reductores, arcillas intercambiadoras iónicas y silicatos complejos en el mineral.

• El curado -si se usa- debe adoptar dosis calculadas de modo que sean compatibles: * una máxima ganancia de cinética, * un mínimo potenciamiento del consumo de ácido y contribución de exceso a la solución

rica, y * una nula o mínima incorporación de impurezas solubles a las soluciones ricas. • Debe evitar la formación de capas freáticas e inundaciones localizadas, que se traducen en

canalizaciones y deslizamientos o derrumbes del apilamiento. • Debe permitir idealmente, el tratamiento conjunto de minerales de diversa mineralogía,

incluidas especies de óxidos y de sulfuros. • Debe permitir administrar el comportamiento del fierro de modo que: * Se mantengan en solución las cantidades y proporciones "férrico-ferroso" para producir

las interacciones deseadas, en cuanto a: la regeneración de ácido, a la creación de condiciones oxidantes y a la co-precipitación de impurezas.

* Se mantengan en solución los contenidos necesarios para el comportamiento adecuado de bacterias en la lixiviación de sulfuros.

* Se evite la formación de precipitados férricos coloidales que fomenten canalizaciones de soluciones.

* Se permita la remoción de agua de esos precipitados, cuando ellos inevitablemente se formen.

Deseables por SX: • El PLS debe cumplir consistentemente con las condiciones de concentración de cobre y ácido,

para que la planta SX se mantenga en su eficiencia máxima de diseño.


• Debe generar una solución rica limpia, sin sólidos suspendidos, coloides, fierro, cloro, manganeso y sulfatos totales, para minimizar peligros de borras y de traspasos al electrolito que causen descartes y consumos de agua tratada, aditivos y energía en calentamiento.

Afirmamos que tal lixiviación es factible de obtener, por lo que:

- La recuperación metalúrgica es una meta objetivo y no necesariamente un resultado o variable dependiente del mineral, al menos en un rango que generalmente es mayor de lo que se piensa.

- Esta meta objetivo de recuperación queda limitada por factores económicos asociados a la

técnica de la lixiviación. - Diferentes técnicas de lixiviación proceden a cinéticas y a costos diferentes. - Entonces, la principal variable independiente resulta ser la “técnica de lixiviación” conveniente

para lograr la recuperación objetivo.

Tales “técnicas de lixiviación” tienen como parámetros independientes: * La definición de la base de la técnica: química o rédox. * Si la base es rédox, la definición de si las oxidaciones serán bacterianas o atmosféricas. * La forma de usar las reacciones rédox en la lixiviación, aunque la técnica base sea química. * La forma de resolver la ecuación de "aporte = consumo de ácido".

Las variables dependientes de las técnicas de lixiviación resultan ser: * La recuperación metalúrgica, muy incidente en los costos del proceso. * El consumo de ácido, también muy incidente en los costos del proceso. * La cinética, incidente en la configuración de las instalaciones y por lo tanto en las inversiones. * El contenido de impurezas de las soluciones, a su vez incidente en las configuraciones,

inversiones y costos de los procesos que siguen a la lixiviación.

Que deben combinarse para resolver simultáneamente los problemas operacionales de la lixiviación; algunos con incidencia en los diseños e inversiones y otros en los costos, y que generalmente se refieren a los temas de: • Manejo de minerales: Chancado, aglomeración, carga y configuración de pilas. • Manejo de soluciones: Configuración de riego, secuencia de aplicación de soluciones,

tasas y medios de riego, formas de recolección de soluciones, consumo de aguas.

• Aspectos de operación: Arrastres de finos, inundaciones y canalizaciones de solución, derrumbes de pilas, inyección de aire y otros.

A continuación proporcionaremos una descripción de los mecanismos que permiten lograr los objetivos planteados, en el rango en que sea posible.


3. REVISION DEL EQUILIBRIO DEL ACIDO Partiendo de la base de considerar al ácido sulfúrico como una de las fuerzas impulsoras más importantes de la lixiviación, podemos comenzar el análisis con la simple ecuación de equilibrio:

APORTE DE ACIDO = CONSUMO + SOBRANTE DE ACIDO

- En el Curado Por cobre y por ganga. - En el Riego El sobrante de ácido sólo aparece luego de satisfechos los

consumos. - Por generación interna

El problema de esta igualdad es que el consumo de ácido de la ganga depende de la disponibilidad de ácido (al menos en un rango); así, el consumo también depende del aporte y los términos de la ecuación son mutuamente dependientes.

Consecuentemente, debe incorporarse una referencia de la relación entre el ambiente generado por el aporte de ácido y la recuperación metalúrgica, a partir de la cual debe establecerse la condición adicional en la que debe verificarse la ecuación, para que sus resultados sean aplicables industrialmente.

Si: APORTE DE ACIDO < CONSUMO DE ACIDO Entonces: - Se afecta la recuperación metalúrgica Si: APORTE DE ACIDO > CONSUMO DE ACIDO Entonces: - Casi se logra la recuperación metalúrgica máxima. - Se obtiene una buena cinética. - Aumenta el "consumo neto" de ácido. - Se incorporan impurezas al sistema. - Puede existir un sobrante de ácido. Si: APORTE DE ACIDO…..=…..CONSUMO DE ACIDO Y además: EN UNA CONDICIÓN DE BAJA CONCENTRACION DE ACIDO EN LA SOLUCION RICA Y EN UN AMBIENTE QUE FOMENTE REACCIONES REDOX.


Entonces se obtiene Efectos positivos: * Se activan las oxidaciones del fierro y del cobre * Se inactivan interferentes: se oxidan los reductores y se pasivan las arcillas con capacidad de intercambio iónico. * Se logra la recuperación metalúrgica máxima, al contar con Fe+3

como colaborador para lixiviar sulfuros y el Cu0 que los reductores precipitaron.

* Disminuye el consumo neto de ácido. * Las soluciones se limpian y se incorporan menos impurezas al

sistema. Efectos negativos: * Se afecta la cinética. 4. REVISION DE LA “RAZON DE LIXIVIACION” De acuerdo con la experiencia y observaciones de Terral S.A. la ecuación base de una lixiviación está condicionada cinéticamente por la “razón de riego” necesaria para suministrar las soluciones que activan la físico-química del sistema, ya que está asociada a las condiciones adicionales necesarias para resolver: - El aporte de ácido necesario para obtener simultáneamente concentraciones de cobre, ácido e

impurezas pre-establecidas como objetivo para la solución rica, - A las interacciones detectadas en estudios metalúrgicos y por experiencia operacional, entre las

cinéticas del consumo de ácido, de la recuperación metalúrgica y de la disolución de impurezas y,

- La definición previa de una recuperación objetivo factible de obtener bajo criterios económicos,

bajo condiciones estudiadas en las pruebas metalúrgicas y en la experiencia operacional.


5. LA ACTIVACION DEL PROCESO 1a Serie de Reacciones: 4 FeSO4(impregn.) + O2(gas) + 10 H2O 4 Fe(OH)3(sólido) + 4 H2SO4(soluc.) 4 Fe(OH)3(sólido) + 6 H2SO4(soluc.) 2 Fe2(SO4)3(soluc.) + 12 H2O 4 FeSO4(impregn.) + O2(gas) + 2 H2SO4(soluc.) 2 Fe2(SO4)3(soluc.) + 2 H2O

- Las especies de fierro se disuelven, principalmente al estado Fe+2. - El Fe+2 queda impregnado en la roca al detener el riego - Luego se oxida a Fe+3 en contacto con el oxígeno gaseoso o por acción bacteriana y - El Fe+3 queda en un estado hidrolizado, simple o complejo. - El Fe+3 hidrolizado se re-disuelve al aportar más ácido en el riego siguiente y consume 0,86

Kg de ácido fresco/Kg de ión ferroso oxidado. - El Fe+3 eventualmente participa en reacciones rédox y retorna al estado ferroso Fe+2.

2a Serie de Reacciones: 12 FeSO4(impregn.) + 3 O2(gas) + 30 H2O 12 Fe(OH)3(sólido) + 12 H2SO4(soluc.) 8 Fe(OH)3(sólido) + 12 H2SO4(soluc.) 4 Fe2(SO4)3(soluc.) + 24 H2O 12 FeSO4(impregn.) + 3 O2(gas) + 6 H2O 4 Fe(OH)3(sólido) + 4 Fe2(SO4)3(soluc.) que se combina con: 4Fe(OH)3(sólido) + 4Fe2(SO4)3(soluc.) + 2Na2SO4 + 12H2O 4 NaFe3(SO4)2(OH)6(sólido) + 6 H2SO4(soluc.) 12 FeSO4(impregn.) + 3 O2(gas) + 6 H2O + 2 Na2SO4 4 NaFe3(SO4)2(OH)6(sólido) + 6 H2SO4(soluc.)

- Se repiten las oxidaciones consecuentes de la 1a Serie de reacciones, ó - Participa el fierro férrico que hidrolizó antes, ya re-disuelto según las reacciones. - Al subir el pH (por el consumo de ácido del mineral; esto es, en un ambiente de baja acidez)

y en presencia de otros iones, se forman jarositas. - Así se pierden desde las soluciones: fierro (férrico), sulfatos (1,15 Kg/KgFe) y otros iones

presentes (p.ej.: sodio = 0,13 Kg/KgFe) por precipitación virtualmente permanente y se regenera 0,86 Kg de ácido sulfúrico/Kg de fierro precipitado.


- En consecuencia, las jarositas contribuyen a la eliminación de impurezas desde las soluciones y a la devolución de parte del ácido consumido.

- Existen diversos tipos de jarositas que incorporan otros elementos (se ha controlado Mg, Al y otros) que son también co-abatidos.

- Las jarositas sólo se re-disuelven en ambientes mucho más ácidos que los que las formaron.

Entonces, el proceso de lixiviación, su cinética, recuperación metalúrgica, consumos de ácido y las tasas de abatimientos quedan controladas por:

* La concentración de ácido en las soluciones, que determinan la cinética y las tasas de disolución de fierro según los ambientes de pH al interior de la pila y de modo que terminan por traducirse en un menor contenido de ácido libre en la solución rica y consecuentemente en el refino.

* El ambiente de potencial Eh en la pila, que define las formas de oxidación del ión ferroso;

este ambiente puede controlarse por oxidación atmosférica o con participación de bacterias, en un ambiente que les sea compatible.

* En consecuencia, es conveniente dilucidar la relación entre la acidez que fomenta la cinética

de la recuperación y la que, al mismo tiempo, disuelve impurezas o las abate, a tasas más allá de lo prudente, en la 1ª etapa de lixiviación del mineral fresco alimentado a la pila cuando su consumo de ácido es aún elevado y puede elevar el pH.

* Es también conveniente establecer la relación entre el pH y el contenido de fierro de las

soluciones, ya que este ión es el responsable del ambiente de potencial rédox (Eh) necesario para las oxidaciones y para el abatimiento de impurezas.

* Sobre la base del comportamiento experimental del fierro, se consideran adecuadas tasas

máximas de abatimiento del orden de 2 KgFe/TM, como jarositas dispersas, para evitar bloqueos localizados de la percolación.


6. TECNICAS OPERACIONALES 6.1 El riego pulsante o intermitente

Una técnica asociada a los mecanismos antes indicados es el uso de "pulsos de riego y reposo", según el cual, el ciclo de lixiviación ocurrirá en una sucesión de cortos períodos de riego y de reposo, básicamente de igual duración. El período de reposo permitirá el drenaje y estruje completo de las soluciones, de modo que las partículas permanezcan húmedas en las soluciones de riego, pero sin películas de líquido que las aíslen del aire que se introducirá a la camada mineral. Esta metodología de aplicación de soluciones de riego optimiza la lixiviación en base a los siguientes efectos:

i. Metalúrgicos

* La "razón de lixiviación" necesaria para lograr la recuperación objetivo disminuye, dado que las partículas de mineral admiten con mayor facilidad y eficiencia los reactivos de cada nueva solución de riego y, de la misma forma, se vacían de productos durante el estruje en cada etapa de reposo.

* Esta optimización hace innecesario el recurso de presionar sobre las tasas de riego, para

mejorar cinéticas y recuperaciones y de paso evita el deterioro de la concentración de cobre de las soluciones ricas.

ii Físico-Químicos

* Las múltiples exposiciones de las partículas al aire en los pulsos sucesivos, oxida los reductores presentes y las partículas de cobre metálico precipitadas por ellos, altera las arcillas intercambiadoras iónicas e inhibe su comportamiento y la formación de silicatos amorfos y coloidales durante el proceso.

* En la lixiviación bacterial, proporciona el oxígeno para activar el desempeño de las

bacterias. * El tiempo de exposición de las partículas al aire permite la oxidación de los iones ferrosos

presentes en la solución impregnada en las partículas, que precipitan fácilmente por hidrólisis, pero en forma altamente diseminada y con un mínimo de agua, con lo que se evitan las micelas coloidales capaces de provocar canalizaciones.


* Dependiendo de la posibilidad de asociación con otros iones, parte del férrico hidrolizado se disolverá al disponer de algo de ácido fresco al reponer el riego y parte del fierro quedará precipitado en forma diseminada y virtualmente permanente, al estado de jarositas.

* Los iones férricos hidrolizados y re-disueltos, se incorporan a la lixiviación, apoyan la

recuperación de cobre y retornan al estado ferroso, para luego repetir el ciclo en el pulso de riego siguiente, en función de la disponibilidad de ácido en las nuevas soluciones de riego.

* En el estado de precipitación permanente de los iones férricos al estado de jarositas, se arrastran por diversos mecanismos - notoriamente observados- los iones que constituyen impurezas, entre ellos, parte importante de los cloruros y sulfatos.

* Dependiendo del ambiente específico en torno al ión ferroso al momento de oxidarse a

férrico durante el reposo, se produce una regeneración parcial de ácido, que en el riego siguiente se incorpora a la solución como agente activo, restándose del consumo externo del reactivo.

iii. Hidráulicos

* Se disminuyen las canalizaciones, dado que en el reposo de cada pulso se borran las dejadas por el riego anterior, lo que obliga a la formación de nuevas rutas de paso en el siguiente ciclo de riego.

* Disminuyen los peligros de inundación y derrumbes de pilas, dado que se permite el

drenaje del lecho de mineral antes de su saturación. * En los reposos se deshidratan los voluminosos geles de jarositas coloidales y cambian al

más des-hidradatado estado “sol”, de menor tamaño, con lo que se mantiene la porosidad del lecho de mineral.

6.2 La secuencias de aplicación de las soluciones

Las formas de aplicación de las soluciones dependen de la mineralogía del mineral –principalmente debido a la eventual presencia de interferentes- y de la concentración deseada de cobre, ácido e impurezas en la solución rica: * La presencia de arcillas con propiedades de intercambio iónico en el mineral aconseja que

las primeras aplicaciones de soluciones contengan iones de poco valor; concretamente sugerimos curados con refino, para que los centros activos capturen inmediatamente los iones de impurezas y se encuentren ocupados cuando existan las soluciones con cobre lixiviado. (preg-robbin).


* Sugerimos iniciar el riego del mineral fresco con refino, para garantizar la acidulación interna de las partículas –para evitar la precipitación interna de jarositas- antes de producir las soluciones ricas iniciales.

* La presencia de reductores en el mineral aconseja crear inicialmente ambientes oxidantes

en la pila, para destruirlos e inhibir su capacidad para precipitar cobre. Al respecto sugerimos considerar alternativamente:

i. Curados con refino, seguidos de reposos prolongados para permitir la oxidación de

su Fe+2 a Fe+3, para que cumpla el mismo rol. Durante el primer reposo prolongado antes de regar, se aconsejan humectaciones sucesivas que contribuyan con más iones al mismo proceso.

ii. Curados son solución intermedia (normalmente es la mayor Eh).

* Altos contenidos de óxidos en el mineral también aconsejan iniciar los riegos de mineral fresco con refino para acelerar la etapa química, hasta la aparición de ácido en la solución rica. Ello proporciona ventajas cinéticas al proceso dada la mayor disponibilidad de ácido de esas soluciones. El saldo del refino se destina al lavado de las pilas y a generar solución intermedia.

* Bajos contenidos de óxidos en minerales mixtos aconsejan iniciar los riegos de mineral

fresco con solución intermedia. El refino se destina al lavado de las pilas y a generar solución intermedia, parte de la cual avanza a la generación de solución rica, mientras otra parte recircula sobre si misma para alcanzar la pre-concentración de cobre necesaria para alcanzar la concentración de cobre deseada en la solución rica.

* La concentración de cobre en la solución rica puede ser definida a voluntad y se traduce en

una "razón de concentración" (ó m3 de PLS drenada por tonelada de mineral alimentado). Esta se compara con la "razón de lixiviación" (ó m3 de solución por tonelada de mineral alimentado) necesaria para lograr la recuperación objetivo. La diferencia entre ambas representa la recirculación necesaria para lograr la concentración objetivo en el PLS.

* Las formas de recirculación experimentadas corresponden a:

i. La ya mencionada recirculación de solución intermedia contra sí misma, típica de minerales de cinética más bien lenta. Esta solución intermedia puede controlarse para lograr un ambiente oxidante (por bacterias u oxidación atmosférica) en una zona amplia, para lixiviar sulfuros.

ii. La recirculación de solución rica (con el ácido remanente o directamente re-


acidulada), para lixiviar de óxidos y las más dóciles calcosinas. iii. En todos los casos debe usarse las relaciones cinéticas y físico químicas

previamente estudiadas en laboratorio. iv. Es conveniente sobredimensionar las instalaciones de recirculación para ajustar la

lixiviación de minerales de menor cinética, sin afectar las concentraciones objetivos de la solución rica.

v. La altura de la pila pasa a tener una consideración independiente de la

concentración de la solución rica, dado que en el contexto expresado, el ajuste de concentración se obtiene mediante del arreglo de las recirculaciones. La definición de la altura queda dependiente de otros aspectos tales como: disponibilidad de área, relación del costo de apilamiento con la altura o en superficie, la cinética y costos de descarga (si proceden, en una pila renovable).

* Las tasas de riego se relacionan con las formas de lograr las "razones de lixiviación", que

resultan más incidentes en la cinética y en la recuperación:

i. Consideraciones operacionales relacionadas con apozamientos, canalizaciones y derrumbes de pilas resultan más incidentes e importantes que la cinética asociada a tasas elevadas, para procurar disminuir los tiempos de tratamiento.

ii. Las soluciones limpias, los minerales competentes (que no se degraden) y las granulometrías mayores resultan aptas para tasas de riego elevadas.

* Debe recordarse que una lixiviación rápida no es un objetivo económico en sí mismo (en

general más bien se contrapone a ello). Si lo son: una recuperación elevada y un bajo consumo de ácido.

6.3 Respecto de las lixiviaciones bacterianas: Los procesos bacterianos coexisten perfectamente con las lixiviaciones químicas.

* Las tasas de reproducción y de actividad bacterial son mayores en ambientes sólo

húmedos, más bien que líquidos. En otras palabras su actividad ocurrirá principalmente durante los reposos de los ciclos de riego, por lo que los riegos corresponden a las cosechas de los productos de su actividad.

* La temperatura es un factor limitante de la actividad bacterial y debe procurarse medios

para evitar el enfriamiento de pilas y soluciones durante los riegos y también para favorecer su calentamiento en los reposos.


* La oxigenación del lecho es otro factor incidente. Ello conduce a que la altura de las pilas incide en la forma de efectuarla:

- si son bajas y los tamaños de partícula son grandes, basta con la succión de aire

causada por el drenaje de líquido durante los reposos. - si las alturas son mayores y la granulometría es pequeña, debe recurrirse a

aireación forzada.

* Las aireaciones son más efectivas durante los reposos. * Un bajo contenido de impurezas en las soluciones es un factor determinante, dado que ello

somete a las bacterias a una suerte de "stress osmótico". Las bacterias se adaptan lentamente a ambientes algo inadecuados, pero sólo dentro de cierto rango.

7. CONFIGURACIONES OPERACIONALES. En las páginas siguientes se ilustran dos enfoques alternativos de configuración de pilas y plantas, para resolver las técnicas de lixiviación propuestas:


* Acidulación de partículas. * Sulfatación parcial de especies. * Destrucción de interferentes.

AVANCE SOL. INTERMEDIA RECIRCULACION .S. INTERMEDIA REFINO Y AGUA * Ajusta altas concentraciones de cobre * Proporciona la "razón de riego" para lo- * Completa el agotamiento de la cama, y bajas las del ácido en PLS, aún a ex- grar las recuperaciones objetivo, por re- para lograr alta recuperación meta- pensas de una leve menor cinética de circulación de una parte de la pila a su lúrgica. recuperación en el período. pozo, mientras otra parte avanza al rie- * Reincorpora al ILS iones férricos hi- * Precipita controladamente fierro y o- go de mineral fresco para generar PLS. drolizados, pero solubilizables, para tros iones, en compuestos del tipo ja- apoyar la lixiviación del mineral más rositas, para obtener PLS limpio. fresco y luego precipitarlo defini- * Leve adición de refino para completar tivamente en zona de mineral fresco. acidulación de las partículas. * Incorpora el ácido requerido para * Completa destrucción de interferentes agotar el mineral.

* El agua recupera impregnación.

Curado

Mineral

Etapas SXExtracción

Acido (eventual)

S. Rica

Refino

Sol. Interm.

Agua

Ref. a S.Rica

S.Int. a S.Rica

S.Int. a S. Int.

Ref. a S.Int.

Agua a S. Int.

Etapas SXRe-Extrac.

Etapa SXLav. Org.

Nave EW

Tk. Org.

Agua

Ácido

Org. Carg.

Ácido

Agua

Org. Desc.

Agua (eventual)


Curado

Mineral

Etapas SXExtracción

Acido (eventual)

S. Rica

Refino

Agua

Ref. a S. Rica

S. Rica a S. Rica

Ref. a S. Rica

Agua a S. Rica

Ácido

Agua (eventual)

Ácido

D t El t lit

Etapas SXRe-Extrac.

Etapa SXLav. Org.

Nave EW

Tk. Org.

Agua

Org. Carg.

Ácido

Agua

Org. Desc.

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