Fluorosurfactantes para la Hidrometalurgia del Cobre y Oro, EXPOMIN 98, Santiago - Chile, X. G. Olave; E. A. Pavez, 3M Chile

Transcripción

1 Fluorosurfactantes para la Hidrometalurgia del Cobre y Oro, EXPOMIN 98, Santiago - Chile, X. G. Olave; E. A. Pavez, 3M Chile Tabla de Contenidos 1. Resumen 2. Introducción 3. Fundamentos Técnicos 4. Descripción de los Productos Fluorosurfactantes 3M 5. Aplicaciones de los Productos Fluorosurfactantes 3M G.Olave; E.A. Pavez, 3M Chile

2 1.0 Resumen La utilización de surfactantes fluoroquímicos en procesos hidrometalúrgicos, ha sido comprobada consistentemente tanto en pruebas a escala de plantas piloto cómo en operaciones de tamaño comercial. El surfactante fluoroquímico 3M Fluorad FC-1129 es un aditivo usado en la lixiviación de minerales de cobre, demostrando que al aumentar la humectación del mineral se obtiene un incremento en la cinética y en la recuperación del metal, sin afectar adversamente los resultados de los procesos posteriores de extracción por solventes y electrobtención. El aditivo fluoroquímico 3M Fluorad FC-GOLD permite aumentar en forma significativa tanto la cinética como la eficiencia de extracción de oro, sin afectar el proceso posterior de adsorción con carbón activado. El agente tensoactivo 3M Fluorad FC-1100 permite reducir significativamente la emisión de neblinas ácidas desde las celdas de electrobtención, sin afectar los procesos de extracción por solventes y electrobtención. El uso de estos fluorosurfactantes es factible debido a la elevada resistencia del enlace flúor-carbón, lo que se traduce en su habilidad para actuar sin degradarse al ser utilizados bajo las condiciones cada día más exigentes de los procesos hidrometalúrgicos. 2.0 Introducción A medida que en 3M aumentamos el conocimiento y la comprensión sobre la relación entre la estructura y el rendimiento de los surfactantes, continuamos aplicando esta experiencia para innovar soluciones a problemas de la hidrometalurgia. Los mejoramientos resultantes tanto en los rendimientos del producto como con la comercialización de nuevas tecnologías, serán beneficiosos para las necesidades operacionales presentes y futuras de esta rama industrial. Esto es especialmente válido para aquellas operaciones mineras con baja ley de mineral, altos costos de producción unitarios y durante los periodos de bajos precios del metal. Además, ante el aumento de exigencias relacionadas con mantener bajo control y cumplir las Regulaciones Ambientales. Nuestra aproximación hacia soluciones innovadoras con el uso de aditivos fluoroquímicos en la industria minera, esta basada en nuestro conocimiento sobre sus propiedades especiales. Esto nos ha permitido desarrollar numerosas aplicaciones en las cuales 2

3 nuestros productos han encontrado ser beneficiosos, agregando un valor significativo para el cliente. En 3M nos especializamos en la manufactura de una clase específica de surfactantes llamados "surfactantes fluoroquímicos" ó fluorosurfactantes, los que son fabricados mediante la aplicación de un proceso de fluoración electroquímica, patentada por 3M. Vendemos esos productos bajo la marca comercial FLUORAD, la que llega a una variedad de empresas para diferentes usos industriales, adicionales a la minería. 3M es el líder mundial en la producción y comercialización de este tipo de productos, y tiene establecida instalaciones de producción para soportar la demanda creciente de ellos. Los surfactantes fluoroquímicos poseen una especial combinación de propiedades de estabilidad y compatibilidad con los procesos industriales, lo que ha permitido su aplicación tanto en lixiviación cómo en electrobtención de cobre, impulsando a 3M hacia la formulación y comercialización de nuevas versiones de fluorosurfactantes para aumentar la recuperación de oro en operaciones mineras de lixiviación con soluciones cianuradas. 3.0 Fundamentos Técnicos Los aditivos químicos, tales cómo los surfactantes, son una importante herramienta que permite colaborar en el aumento de la eficiencia de los procesos o la reducción de los costos de producción. Los surfactantes se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en la industria minera. Comúnmente se conocen mas por su función: agentes humectantes, agentes desimpregnantes, ayuda flotación, espumantes, desespumantes, emulsificantes, deemulsificantes, dispersantes y otros, más que por sus características físicas: aniónicos, catiónicos, hidrocarbonados, fluoroquímicos. Esta aparente dicotomía entre formulación y función causa considerable confusión y malas interpretaciones si observamos las propiedades, comportamiento y uso de estos compuestos en solución. En realidad, su rendimiento depende de una propiedad subyacente, su habilidad para modificar interfaces, la cual esta relacionada a su propiedad molecular y sus interacciones intermoleculares. El término fluorocarbonado se refiere a cualquier compuesto orgánico donde el enlace hidrógeno - carbono es reemplazado por el enlace flúor - carbono. Si el compuesto esta completamente fluorado, es decir, no queda ningún enlace hidrógeno - carbono o cualquier otro grupo funcional, el compuesto es considerado un perfluorado. Un ejemplo sería el perfluoroctano, C8Fl8. Si un compuesto contiene un grupo fluorocarbonado, tal como el C8F17, unido directamente a un grupo funcional ú otro grupo químico, este compuesto se describe 3

4 como un fluoroquímico. Los surfactantes cómo el perfluorooctano sulfonado de potasio (C8Fl7SO3-K+), es por definición un fluoroquímico y no un fluorocarbonado. Los productos fluorocarbonados de 3M no contienen compuestos de clorofluorocarbonos (CFC), por lo que no contribuyen en la disminución de la capa de ozono. La energía procedente de la radiación solar, en forma de rayos ultravioleta, rompe los enlaces carbono-cloro de las moléculas de CFC situadas en la estratósfera. Este átomo de cloro liberado ataca la molécula de ozono y le quita un átomo de oxígeno para formar una molécula de monóxido de cloro y una molécula de oxígeno. Un átomo de oxígeno libre, rompe la molécula de monóxido de cloro para formar una molécula de oxígeno y un átomo de cloro, que queda nuevamente libre para atacar a otra molécula de ozono y continuar este proceso. Dado que los productos de 3M no contienen cloro, no intervienen en las reacciones de destrucción de la capa de ozono. Los fluorosurfactantes se asemejan a los hidrosurfactantes en que ambos son compuestos anfipáticos, donde el grupo hidrófobo insoluble de la molécula surfactante contiene un grupo fluorocarbonado ligado a un grupo funcional soluble, el que es seleccionado por su efectividad y compatibilidad. Sin embargo, existen diferencias notables entre los surfactantes hidrocarbonados y los fluorocarbonados, las cuales pueden ser atribuidas a una característica especial de los compuestos que contienen carbón ligado a átomos de flúor. El enlace carbón-flúor es en sí mismo una entidad químicamente estable, dado en parte a la alta electronegatividad del átomo de flúor y su subsecuente pequeño radio atómico. En muchas instancias, los surfactantes fluoroquímicos son los únicos aditivos estables para los ambientes más exigentes de la minería, y para otras aplicaciones industriales. En resumen, la cola fluorocarbonada de la molécula surfactante es hidrofóbica y oleofóbica. Cuando las soluciones de ácido sulfúrico que contienen un fluorosurfactante se ponen en contacto con las soluciones del proceso de SX de cobre, por ejemplo, el surfactante muestra una ligera o nula tendencia a ser extraído por la fase orgánica o a reducir la tensión interfacial entre las fases acuosa y orgánica. En cambio, los surfactantes hidrocarbonados convencionales sí pueden ser extraídos, induciendo la formación de una emulsión muy estable debido a su habilidad para efectivamente unir la interfase acuoso orgánica. En sistemas acuosos, no sólo se alcanza la mayor reducción de la tensión superficial al usar fluorosurfactantes respecto a hidrosurfactantes, sino que además se requiere una concentración significativamente menor. La tensión superficial mínima para sistemas acuosos se alcanza con concentraciones entre 25 y 100 ppm al usar fluorosurfactantes; en cambio, se necesita concentraciones entre a ppm para hacerlo con un 4

5 surfactante hidrocarbonado. De esta forma, los fluorosurfactantes no sólo son más efectivos para reducir la tensión superficial sino también más eficientes. 4.0 Descripción de los Productos Fluorosurfactantes de 3M Los surfactantes fluoroquímicos, cómo el 3M Fluorad FC-1100, han sido usados en el proceso de electrobtención de cobre por sobre 15 años como un sistema efectivo y que soluciona el problema en la fuente misma de emisión, para reducir la neblina de ácido sulfúrico resultante de la generación del oxígeno anódico. La combinación especial de estabilidad química y compatibilidad con la solución orgánica de la extracción por solventes, y una alta actividad superficial, son responsables de su utilidad, aceptación y amplio uso en la hidrometalurgia del cobre. 3M Fluorad FC-1100, Agente Supresor de Neblina Acida, representa una nueva generación de surfactantes fluoroquímicos de baja formación de espuma, que ha demostrado su efecto de supresión de la neblina ácida en la operación de producción de cátodos electroobtenidos de cobre, proveyendo un sistema efectivo para mejorar las condiciones de trabajo en la nave. Aunque bajo condiciones operacionales especiales se puede formar una pequeña capa de espuma, esta es inestable, y se disuelve fácilmente por aspersión de agua, tal como la utilizada durante la operación de cosecha de cátodos. Un segundo producto para la industria minera del cobre es el aditivo 3M Fluorad FC- 1129, diseñado para su utilización en el agua o solución de refino usada durante la operación de aglomeración o preacondicionamiento ácido, con el objeto de aumentar la humectación del mineral, abriendo nuevas trayectorias de contacto para el ácido sulfúrico con las especies solubles de cobre. Con esto se obtiene un aumento en la recuperación de cobre, sin producir efectos adversos en las operaciones posteriores de extracción por solventes. Magma Copper Company, en su operación de San Manuel en Arizona, fue la primera empresa en usar este aditivo en una escala industrial, informando una mayor recuperación global de cobre de 5 %. Con posterioridad se ha estado realizando nuevas y positivas evaluaciones y aplicaciones industriales en diferentes operaciones mineras en Norte y Sudamérica. Además, recientemente hemos introducido un nuevo producto para la minería del oro y plata. Se trata del agente de lixiviación 3M Fluorad FC-GOLD, el que ha sido especialmente diseñado para ser usado en el ambiente de soluciones cianuradas, con el objeto de aumentar la humectación del mineral, abriendo nuevas superficies de contacto para la solución cianurada con las especies soluble de oro y plata, obteniendo un aumento significativo en su recuperación. 5

6 El tratamiento de minerales de baja ley se ha hecho viable al utilizar la técnica de la lixiviación en pilas y la aplicación de los fluorosurfactantes, presentándose la combinación ideal de reducción del costo operacional unido a una mayor recuperación metalúrgica, optimizando la obtención de un menor costo de producción. Evaluaciones a escala industrial han entregado resultados de mayor cinética de disolución y eficiencias de extracción, sin afectar adversamente el proceso posterior de adsorción del metal utilizando carbón activado. 5.0 Aplicaciones de los Productos 5.1 Supresión de la neblina ácida en EW usando el tensoactivo 3M Fluorad FC La supresión de la neblina ácida en una nave de Electrobtención es una aplicación ideal para el uso de surfactantes. Durante esta operación, oxígeno (gas) es generado en la superficie del ánodo insoluble. La burbuja de gas se eleva hacia la superficie de la celda donde explota, dispersando pequeñas partículas de solución con alta concentración de ácido sulfúrico en la forma de aerosoles. Este aerosol forma una fina neblina en el interior de la nave de electrobtención, lo que constituye una atmósfera altamente corrosiva, con riesgos asociados hacia las personas, las instalaciones y la eficiencia operacional. La cantidad suficiente de aditivo 3M Fluorad FC-1100 presente en el electrolito, es adsorbida por la interfase líquido-gas de la burbuja de oxígeno reduciendo la tensión superficial de la capa pelicular, estabilizando esta interfase. Las burbujas ascienden, produciéndose algún grado de coalescencia entre ellas, y cuando alcanzan la superficie del electrolito no explotan instantáneamente, sino en cambio, permanecen durante un tiempo, drenando suavemente la mayor parte del electrolito por sus paredes y reduciendo significativamente la cantidad de partículas de electrolito ácido expelido al ambiente, cuando la burbuja finalmente se desvanece. Hemos demostrado que para reducir la emisión de aerosoles a los valores límites permitidos, sólo se requiere reducir la tensión superficial en un nivel moderado. La reducción en electrolitos típicos con alrededor de 75 dinas/ cm hacia valores de 55 dinas/cm, permite reducir la concentración de aerosoles ácidos en suspensión, medidos a 1,5 metros sobre el nivel de las celdas, desde valores tan altos como 6 mg/m3 hacia valores inferiores a 0,5 mg/m3, mediante la mantención de una concentración de aditivo entre 8 y 15 ppm de sólidos activos en el electrolito. Actualmente, las aplicaciones de 3M Fluorad FC-1100 son un método estándar para la supresión de la neblina ácida en las mayores plantas de electrobtención de cobre, tanto en Estados Unidos cómo en Perú y Chile. 6

7 5.2 Aumento de Recuperación de Cobre en Operaciones de Lixiviación, usando el surfactante 3M Fluorad FC Al haber posicionado el uso de los fluorosurfactantes cómo supresores de neblina ácida, demostrando su compatibilidad para actuar en un medio de alta acidez, impulsó a 3M a buscar otras aplicaciones en el campo de la hidrometalurgia, encontrando una alta potencialidad cómo reductores de la tensión interfacial en sistemas líquido-sólido, cómo los que se presentan en la lixiviación con soluciones de ácido sulfúrico de minerales de cobre. Si la tensión superficial de la solución ácida lixiviante es mayor que la energía superficial del mineral, se tendrá una baja apertura de trayectorias de penetración de humedad, favoreciendo la aparición de capas impermeabilizadas y canalizaciones del lecho de lixiviación. La resolución de estos problemas de humedecimiento del mineral es una aplicación típica para los fluorosurfactantes. Al producirse una mejor humectación de las partículas individuales, la superposición de fuerzas capilares mejorarán la tasa de difusión del cobre solubilizado desde el interior de las partículas. La primera evaluación en una pila industrial, utilizando el fluoroquímico 3M Fluorad FC- 1129, fue en Magma, San Manuel, Arizona, en Julio de Dos pilas de ton de mineral cada una, fueron lixiviadas bajo condiciones estándar, una utilizó surfactante y la otra se usó como control. La adición de FC-1129 se efectuó en la solución de preacondicionamiento a un nivel de 80 ppm y luego en la solución de lixiviación (con refino) a nivel de 30 ppm. Después de 30 días de lixiviación, la contabilidad de cobre en las soluciones ricas (PLS) de la pila de prueba presentaba una mayor extracción de cobre. Una vez obtenidas las leyes de cobre en los ripios se demostró una mayor recuperación de 5 % en relación a la pila de referencia. El beneficio de utilizar los surfactantes fluoroquímicos en la hidrometalurgia del cobre esta directamente relacionado con las propiedades inherentes a los compuestos que contienen enlaces carbono flúor. Su baja interacción con el orgánico de la extracción por solventes y su habilidad para actuar en ambientes químicos difíciles, conteniendo altas concentraciones de ácido sulfúrico, significa que los fluorosurfactantes son una de las pocas clases de compuestos que reúnen los requerimientos para esta tecnología en expansión. El surfactante 3M Fluorad FC-1129 tiene una historia probada sobre su beneficio en la lixiviación de minerales de cobre, sin interferir con el proceso posterior de extracción por solventes. 7

8 Evaluaciones efectuadas han mostrado que la adición de surfactante se requiere sólo en la etapa de aglomeración, y la dosis típica oscila entre 5 y 7 grs FC-1129 por ton. de mineral. 5.3 Aumento de Cinética y Recuperación de Oro y Plata, en Operaciones de Lixiviación usando el fluorosurfactante 3M Fluorad FC-Gold. Los resultados más impactantes observados en los estudios de laboratorio y pruebas piloto fueron los aumentos en la cinética de lixiviación. También quedó demostrada la habilidad de los fluorosurfactantes cuando son aplicados en la etapa de pretratamiento, en el aumento de la tasa de extracción del metal, en comparación con las pruebas sin uso de surfactante y en relación con las razones y ciclos de lixiviación aplicados para obtener la misma recuperación de oro. La misma recuperación de oro se obtenía con una razón de lixiviación de 1,0 al usar surfactante versus una razón 2,0 al no usarlo. Además, el uso del fluorosurfactante demostró un positivo impacto en la eficiencia de consumo de cianuro desde los primeros días del ciclo de lixiviación, resultando requerir entre un 50 a un 100 % de menor cantidad durante el periodo inicial. Desde pruebas típicas en columnas se observa una mayor recuperación de oro entre 3 y 5 %, lo cual debe ser corroborado para cada operación minera particular mediante pruebas en terreno. Incluso se ha observado una mayor incidencia en la extracción desde las fracciones granulométricas más gruesas, tal como se esperaba. En las fracciones superiores a 1 pulgada se demostró un aumento entre 5 y 15 % de recuperación, lo cual significó en menores requerimientos de trituración y menores costos de operación e inversión para el chancado del mineral. Estudios previos (Metcon, Nov.1994), han demostrado que el FC-Gold es compatible con el uso del Carbón Activado utilizado para adsorber el complejo de cianuro de oro desde las soluciones ricas de lixiviación, mostrando pequeña o nula interferencia con este proceso. El uso de pequeñas cantidades, en el orden de 5 a 10 grs de FC-Gold por tonelada de mineral, en las soluciones de pretratamiento, ha demostrado ser una solución de costo efectiva para el aumento de las cinéticas y tasas de recuperación, tanto del oro cómo de la plata contenida en las partículas mineralizadas, cuando se utiliza el proceso de lixiviación en pilas o botaderos. 8