Diseño y optimización experimental del proceso de flotación de un mineral aurífero

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1 Diseño y optimización experimental del proceso de flotación de un mineral aurífero Design and experimental optimization of flotation process of an auríferous mineral Luis Sánchez Resumen 66 El objetivo del estudio metalúrgico consiste en determinar el rendimiento de la aplicación del proceso de flotación sobre un mineral aurífero que proviene de la zona sur del país. El alcance de las pruebas metalúrgicas se realizó en los laboratorios del Departamento Química y Metalurgia y consistió en la ejecución de las pruebas de flotación con el fin de obtener los niveles óptimos de dosificación de reactivos. La metodología empleada en las pruebas metalúrgicas se aplicó en un diseño factorial con seis variables y mediante el análisis estadístico se logró optimizar parámetros del proceso de flotación cuyas variables fueron: dosificación de reactivos y el número de etapas de limpieza. The methodology used in the metallurgical tests included applying a factorial design with six variables and by using statistical analysis, by which we were able to optimize the flotation process parameters whose variables were: Reagent level dosage and the number of the cleaner stage. By applying flotation gives a 90% recovery of gold at a grade of 63% grinding mesh 200. The conclusion of the experimental work is that the mineral under study is likely to be treated by flotation and laboratory results are the basis for developing the profile of the treatment project at an industrial level. Palabras claves Mediante la aplicación de flotación se obtiene una recuperación de 90% de oro a un grado de molienda 63% menos malla 200. La conclusión del trabajo experimental es que el mineral aurífero es factible de ser tratado por flotación y los resultados de laboratorio sirven de base para elaborar el perfil del proyecto de tratamiento a nivel industrial. Abstract The objective of the metallurgical study, is to determine the performance of the implementation of the flotation process on a gold-bearing mineral which comes from the south of the country. The tests were conducted in the laboratories of the Chemistry and Metallurgy Department, through flotation tests in order to obtain optimum levels of reactive dosage. Diseño experimental, flotación, recuperación oro, ratio concentración, reactivos. Key words Experimental design, flotation, recovery of gold, ratio of concentration, chemical reagents. Introducción Los tratamientos metalúrgicos que se aplican a los minerales de oro se basan en las siguientes características tecnológicas: a) La gran diferencia de densidad y/o gravedad especifica del oro con respecto a la ganga, así como su masa y volumen considerable de la partícula de oro. b) La solubilidad del oro en soluciones alcalinas diluidas de cianuro.

2 c) La reconocida flotabilidad del oro cuando se presenta al estado libre o asociado a sulfuros. El proceso de flotación es una técnica de concentración que utiliza las propiedades fisicoquímicas de los minerales. En este proceso, partículas flotables son colectadas en los productos espumas dejando la parte no flotable en la pulpa. La ley del concentrado es un parámetro crítico, el cual decide la solidez financiera del proceso industrial. Para producir un concentrado de ley requerida, el grado de influencia de los parámetros del proceso y su optimización requiere de la aplicación de un diseño factorial. Fundamentos La actividad de una superficie mineral en relación con los reactivos de flotación en el agua depende de las fuerzas que operan sobre esa superficie. En la Figura 1 se muestran las fuerzas que tienden a separar una partícula y una burbuja. Las fuerzas de tensión conducen al desarrollo de un ángulo entre la superficie mineral y la superficie de la burbuja. En el equilibrio: S/A = S/W + W/A cos Donde: S/A, S/W, W/A son las energías superficiales entre las fases sólido-aire, sólido-agua y agua-aire, respectivamente y es el ángulo de contacto entre la superficie mineral y burbuja. La fuerza necesaria para romper la interface partículaburbuja es llamado trabajo de adhesión, S/A, y es igual al trabajo necesario para separar la interface sólido-aire y produce las interfaces separadas aire-agua y sólidosagua es decir S/A = W/A + S/W - S/A Al combinar con la ecuación anterior se tiene: S/A = W/A (1- cos ) Mientras mayor sea el ángulo de contacto más grande será el trabajo de adhesión entre la partícula y la burbuja; además el sistema es más elástico ante las fuerzas de rompimiento. Por consiguiente la flotabilidad de un mineral aumenta con el ángulo de contacto se dice que los minerales con alto ángulo de contacto son aerofílicos, es decir tienen mayor afinidad por el aire que por el agua. La mayor parte de los minerales en estado natural no son repelentes al agua y, por tanto, conviene agregar reactivos de flotación a la pulpa. Figura 1. Ángulo de contacto entre burbuja y partícula en un medio acuoso. Procedimiento Caracterización mineralógica De acuerdo con el estudio mineragráfico, las principales especies observadas en el mineral son: esfalerita, enargita, galena, limonita y pirita, siendo la pirita la principal portadora de oro y plata. Los sulfuros observados al microscopio indican la siguiente relación entre elementos químicos y minerales portadores: Cu Presente en cobre gris, calcopirita, enargita y sulfuros secundarios de cobre Pb Presente en galena Zn Presente en zinc As/Sb Presente en cobre gris, enargita La característica mineralógica se muestra en la Tabla 1. Especie mineralógica Fórmula química Cobre gris (Cu,Fe,As) 12 (As,Sb) 4 S 13 (grupo de tetraedrita) Calcopirita CuFeS 2 Covelita CuS Digenita Cu 9 S 5 Esfalerita (Zn,Fe)S Enargita Cu 3 AsS 4 Galena PbS Pirita FeS Tabla 1. Especies mineralógicas presentes en el mineral. 67

3 Composición química El mineral en estudio presenta la siguiente composición química resumida en la Tabla 2. Azufre Au Ag Pb Zn Mn Fe (sulfuro) g/t g/t % % % % % 7, ,095 0,17 0,1 3,6 2,24 Las condiciones comunes de trabajo de las pruebas se presentan a continuación: Peso mineral : 1000 g. PH : Natural Concentración sólidos : 32,0 % Velocidad de agitación rougher : 1300 rpm Velocidad de agitación cleaner : 1000 rpm 68 Tabla 2. Composición química del mineral Condiciones experimentales El mineral, previamente molido al tamaño apropiado, fue adicionado a una celda de acero inoxidable de 2,7 L. La flotación se realizó en la celda mecánica Denver D-12. La velocidad del impulsor fue ajustado a 1300 RPM (Rougher y Scavenger), 1000 RPM (Limpieza). La succión generada por el impulsor provee la aireación requerida para la formación de la espuma. Las espumas fueron retiradas manualmente con una paleta de jebe y colectada en bandejas de loza donde el mineral fue decantado, se trabajo a temperatura ambiente. El mineral flotado fue filtrado a presión, la muestra fue secada mediante una estufa a 110ºC. Flotación experimental El objetivo de las pruebas de flotación experimental consiste en determinar el efecto de la fineza de molienda en la recuperación de oro y plata privilegiando la recuperación en el circuito rougher-scavenger y la determinación del radio de concentración. El trabajo experimental consistió en la ejecución de tres pruebas metalúrgicas de flotación rougher-scavenger, en las que se estudió el efecto de la fineza de molienda y de la dosificación de los reactivos promotores/colectores. Granulometría % menos malla Dosificación de reactivos (g/t) 200 Z 6 MIBC PF 1 58 PF PF 3 68 Tabla 3. Condiciones de trabajo. PF 1 PF 2 PF 3 Tiempo (minutos) Limp. Cleaner Acond. Rougher Scav. Scav. 1 Cleaner Tabla 4. Tiempo de flotación. Diseño experimental El objetivo de las pruebas de flotación mediante diseño experimental consiste en obtener recuperaciones de plata y oro sobre el 90%, con leyes de concentrado de calidad comercial y altos radios de concentración, tomando como factores de evaluación la dosificación de colectores principales/secundarios, dosificación del depresor de lamas y el número de etapas de limpieza. Se ejecutaron nueve pruebas metalúrgicas de flotación experimental con el mineral aurífero. El diseño de pruebas se presenta a continuación: Silicato de sodio Dosificación de reactivos (g/t) A-208 A-404 Z-6 A-3418 PF PF PF PF PF PF PF PF PF Tabla 5. Diseño de s de Flotación. 2 Etapas de Limpieza

4 Resultados Las variables fueron: Se realizaron inicialmente tres pruebas de flotación a fín de determinar el efecto de la granulometría en la recuperación de oro y poder definir el grado de molienda más óptimo. Los resultados se presentan en la Tabla 6. Granulometría % menos malla 200 Ensaye Au (g/t) Radio de Concentración Concentrado Relave Recuperación Au (%) PF ,18 0,62 88,1 14,89 PF ,12 0,62 90,1 15,08 PF ,7 0,68 85,9 17,72 Tabla 6. Resultados de las pruebas de flotación. Los resultados nos demuestran que la granulometría producida en la molienda del mineral es importante porque permite liberar el oro asociado a los sulfuros. De esta forma, la molienda a 63% menos malla 200 permite recuperar 90% de oro, incrementar la molienda mayor a 63% menos malla 200 la recuperación de oro decrece según se puede ver en la Figura 2. Min Máx. Silicato de sodio (g/t) A-208 (g/t) A-404 (g/t) A-3418 (g/t) Z-6 (g/t) Limpieza (etapa) 2 3 Ensaye Au (g/t) Recuperación Radio de Concen- Concentrado Relave Au (%) tración PF 4 130,52 0,56 84,3 22,27 PF 5 96,54 0,54 89,8 15,93 PF 6 230,67 0,72 66,8 75,48 PF 7 189,46 0,58 66,3 54,19 PF 8 111,56 0,56 78,4 23,51 PF 9 91,04 0,52 88,3 15,64 PF 10 67,27 0,61 50,4 137,94 PF ,66 0,62 80,6 37,22 PF ,62 0,58 88,4 18,70 69 Tabla 7. Resultados metalúrgicos obtenidos en el diseño factorial de las pruebas de flotación. La calidad de los concentrados oro-plata puede ser mejorado mediante etapas de limpieza. Para mejorar la calidad del concentrado oro-plata se realizaron dos etapas de limpieza. El diagrama de flujo donde se indica las condiciones de flotación demostrado en la Figura 3. Figura 2. Recuperación de oro vs. granulometría. A continuación se aplicó un diseño factorial a fin de determinar el efecto de cinco variables: adición de silicato de sodio, A-208, A-404, Z-6, A-3418 y el número de etapas de limpieza. De acuerdo con la metodología del diseño factorial es importante determinar los efectos de las variables estudiadas sobre la variable respuesta (recuperación de oro) y a continuación modelizar el proceso, por lo que se presentan las Tablas 8 y 9.

5 X0 X1 X2 X3 F1 X4 X5 X6 Y , , , , , , , ,6 Tabla 8. Plantilla codificada de experimentos con un criterio de optimización y una variable ficticia. X 0 X 1 X 2 X 3 F 1 X 4 X 5 X 6 Y , , , , , , , ,6 (X)T(Y) 604,9 33,7-23,3-25,3 17,5 8,9 29,7-81,1 Efectos 8,425-5,825-6,325 4,375 2,225 7,425-20,275 75,61 4,21-2,91-3,16 2,19 1,11 3,71-10,14 70 Tabla 9. Determinación de los efectos de las variables. Figura 3. Esquema de flotación PF 5.

6 En la Tabla 9 determinamos lo siguiente: El efecto de incrementar la adición de silicato de sodio aumenta la recuperación de oro en 4, 2 %. La adición de los colectores A-208 y A-404 no tienen efecto positivo en la recuperación de oro. El incremento en la adición del A-3418 permite aumentar la recuperación de oro en 3%. El incremento del número de etapas de limpieza disminuye la recuperación de oro en 10%. A continuación en la Tabla 10 realizamos el análisis de varianza y determinamos el modelo matemático. SS error 19, SSM 19, Fuente de Variación Suma de cuadrados Grados de Libertad Media de cuadrados F 0 X 1 141, ,96 7,417 74,17 X 2 67, ,86 3,545 35,45 X 3 80, ,01 4,180 41,80 F 1 38, ,28 2,000 20,00 X 4 9,90 1 9,90 0,517 5,17 X 5 110, ,26 5,761 57,61 X 6 822, ,15 42, ,53 SS error 19, ,14 Total 1289,57 8 Tabla 10. Análisis de varianza. Modelo matemático: Y est. = 75,61 + 4,21X 1 3,16X 3 +3,71X 5 10,14X 6 Y Yest. (Y Y est.) 79,47 70,23 9,24 84,05 89,41-5,36 77,72 90,51-12,79 52,02 88,41-36,39 40,46 83,09-42,63 60,83 96, ,09 74,67-12,58 67,56 82,09-14,13 SS error 5084,6176 MSR 1271,1544 F 66,41 71 Para un nivel de significancia del 99% y para 1 y 2 grados de libertad el valor de F es 98,50 y ésta es mayor que 66,41, por lo tanto el modelo matemático ajusta o representa adecuadamente los datos experimentales. Decodificación del modelo matemático a escala natural Descripción Z 1 Z 2 Z 3 Z 4 Z 5 Z 6 Nivel inferior (-) Nivel superior (+) Centro diseño (Z 0 ) ,5 Radio diseño (d Z ) ,5 Relaciòn (e) 1,5 1,67 1,67 1,29 2,00 5,0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 El modelo matemático a escala codificado es: Recuperación Au (%) = 75,61 + 4,21X 1-3,16X 3 +3,71X 5 10,14X 6 Reemplazando los datos a las fórmulas anteriores, tenemos: a0 = 117,84 a1 = 0,21 a2 = -1,90 a3 = 0,37 a4 = -20,28 Recuperación Au (%) = 117,84 + 0,21Z 1-1,90Z 3 + 0,37Z 5-20,28Z 6

7 72 Condición Recuperación (% Au) Calculado Real 1 98,93 84,3 2 91,53 89,8 3 71,25 66,8 4 70,25 66,3 5 78,65 78,4 6 90,53 88,3 7 92,85 50,4 8 62,85 80,6 9 91,03 88,4 En el desarrollo experimental un factor que influye negativamente en la recuperación de oro es el incremento en el número de limpiezas; adicionalmente la recuperación de oro es sensible positivamente a la adición del silicato de sodio y del A Finalmente, sobre la base de los resultados obtenidos en el trabajo experimental es posible diseñar el circuito de tratamiento del mineral en estudio. Conclusiones Las pruebas de flotación del diseño experimental del mineral demuestran que la recuperación de oro es sensible positivamente a la adición del promotor 3418-A y del silicato de sodio. En la prueba más óptima (PF 5) se produce un concentrado que contiene 96,5 g/t de oro con un indicador de recuperación metalúrgica igual a 89,8% y radio de concentración igual a 16. En un proceso continuo la dosificación de reactivos decrecerá por efecto de la recirculación de los medios. Referencias [1] Wills, Barry A. Tecnología de procesamiento de minerales. México. Editorial Limusa [2] Montgomery, Douglas C. Diseño y análisis de experimentos. Nueva York. Editorial Wiley, [3] Cytec. Mining Chemicals. Handbook [4] Ayala Mina, Jorge; Pardo Mercado, Richard. Optimización por diseños experimentales. Concytec. Lima, Perú. [5] Tecsup. Archivo de informes de investigación metalúrgica del Dpto. Química-Metalurgia, años Acerca del autor Luís Sánchez Zúñiga es ingeniero metalúrgico. Es investigador en el área del procesamiento de los minerales. Tiene experiencia laboral en empresas mineras, focalizando su desarrollo profesional en la implementación de procesos metalúrgicos y supervisión en plantas concentradoras de minerales de oro, plata y cobre. Sus áreas de interés son: Hidrometalurgia del oro y diseño de plantas metalúrgicas. Es consultor en Investigación Aplicada de los Servicios a la Industria Minera de Tecsup. De los resultados se puede concluir que para el tratamiento del mineral se requiere un grado de molienda de 63% menos malla 200 y de la adición de los promotores A-3418 y A-208 para obtener recuperación en oro del orden del 90%. Los resultados en cuanto recuperación de oro de las pruebas de flotación PF- 9 y PF-12 tienen valores cercanos al óptimo, pero requieren del incremento de la adición del colector secundario A-3418 entre 30 y 20 g/t. El mínimo radio de concentración obtenido en las pruebas de flotación es 15 y al incrementar dicho valor decrece la recuperación de oro.