CAPITULO 3 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS

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1 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 34 CAPITULO 3 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 3.1 INTRODUCCIÓN Un mineral es una sustancia que existe en forma natural y que tiene una composición química característica, expresada por una fórmula química. La mayoría de los minerales en la faz de la tierra se encuentran en formas diseminadas. Algunas referencias listan sustancias orgánicas, como el carbón y el petróleo, como recursos minerales, sin embargo, esos no son minerales sino mezclas complejas sin fórmula química definida. Los minerales tienen un nombre químico y un nombre mineralógico. Por ejemplo, el sulfuro de plomo es llamado galena, el cloruro de sodio, halita, etc. La tabla 2.1 lista algunos de estos nombres. Tabla 3.1: Nombres de especies mineralógicas. Nombre Formula Química Nombre Formula Química Apatita 3 Ca 3 (PO 4 ) 2 CaF 2 Gypsum CaSO 4 2H 2 O Arsenopirita FeAsS Hematita Fe 2 O 3 Bauxita Al 2 Si 4 O 10 (OH) 2 Kaolin Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 Bórax Na 2 B 4 O 7 10H 2 O Magnetita Fe 3 O 4 Carnalita KCl MgCl 2 6H 2 O Molibdita MoS 2 Calcocita Cu 2 S Pirita FeS 2 Calcopirita CuFeS 2 Silvita KCl Cuprita Cu 2 O Sílice SiO 2 Galena PbS Talco Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 El objetivo fundamental en el tratamiento de minerales es la separación de los componentes con valor de las impurezas que los acompañan. Esto ocurre porque los minerales no se encuentran solos en la naturaleza. Por ejemplo, los minerales de cobre son acompañados de óxidos de hierro y silicio, los cuales son impurezas en la producción de cobre. Algunos procesos extraen más de un componente con valor, por ejemplo en algunos procesos de extracción de cobre también se obtiene molibdeno, plata y oro. Generalmente el diagrama conceptual para el tratamiento de minerales consiste de tres etapas: 1. preparación 2. extracción 3. recuperación La figura 3.1 ejemplifica el diagrama conceptual.

2 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 35 En la etapa de preparación el mineral es preparado para su extracción. Esta etapa consiste, generalmente, de varias etapas de trituración y molienda. Estas operaciones juegan un importante rol en los costos de capital y operación porque ello representa un factor importante en los costos totales de tratamiento. En la etapa de extracción se separa el mineral de la ganga. Generalmente esta etapa consiste de una operación, tal como lixiviación, medio denso, flotación, o separación magnética. Algunas veces la etapa de extracción utiliza dos operaciones, como por ejemplo, calcinación y lixiviación. Finalmente, operaciones como cristalización, precipitación, reducción, extracción por solventes, calcinación, adsorción, intercambio iónico, o reducción, permiten recuperar el (los) componente(s) valioso(s) del mineral. MINERAL PREPARACION EXTRACCION RECUPERACION Figura 3.1: Diagrama Conceptual para el procesamiento de minerales. 3.2 TECNOLOGIA DE PROCESOS Los procedimientos de extracción de metales desde minerales y/o concentrados se pueden clasificar en hidrometalúrgicos y pirometalúrgicos. La pirometalurgia consiste de los procesos tradicionales de alta temperatura de calcinación, fusión, conversión y refinación. La hidrometalurgia es relativamente nueva en comparación a la pirometalurgia, e incluye procesos donde metales, sales u otros compuestos son tratados químicamente involucrando agua u otro solvente. La hidrometalurgia opera generalmente en el rango de temperatura de 25 a 250 ºC. La figura 3.2 muestra la relación entre hidrometalurgia y pirometalurgia.

3 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 36 EXPLOTACION PREPARACION Tratamiento Hidrometalurgico LIXIVIACION TRATAMIENTO DE SOLUCION EXTRACCION CONCENTRACION FUSION CONVERSION REFINACION Tratamiento Pirometalurgico Figura 3.2: Relación entre pirometalurgia e hidrometalurgia OPERACIONES DE PREPARACIÓN DE MINERALES Las operaciones de preparación de minerales consisten generalmente en la reducción de tamaño, clasificación y lavado. La operación de lavado es usada para remover polvos y materiales silicosos. Las operaciones más importantes corresponden a la reducción de tamaño. La clasificación y separación por tamaño es parte del sistema de reducción de tamaño. El propósito de la reducción de tamaño es exponer o soltar el material deseado del mineral. La reducción de tamaño se realiza en varias etapas. Estas etapas se dividen en operaciones de trituración y molienda, basado en el nivel de reducción de tamaño. La trituración reduce el tamaño de partículas grandes, mientras que la molienda reduce el tamaño de partículas pequeñas. A la vez estas operaciones se dividen en operaciones primarias, secundarias, etc. La figura 3.3 representa las etapas de reducción de tamaño. El número de etapas depende de las características de la alimentación, la posterior operación de extracción y las características del material. La trituración es generalmente seca, mientras que la molienda se realiza generalmente húmeda.

4 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 37 ALIMENTACION PRIMARIA SECUNDARIA TERNARIA MOLIENDA PRIMERIA MOLIENDA SECUNDARIA Figura 3.3: Proceso de reducción de tamaño con cinco etapas. Por lo general estas etapas forman circuitos, los que permiten clasificar el material por tamaño y así procesar el material que necesita ser reducido y recircular el que no cumple con las especificaciones o tamaño deseado. Existen tres tipos básicos de circuitos (figura 3.4): a. circuito abierto b. circuito cerrado c. circuito de pre-clasificación. En la figura 3.4 la reducción de tamaño representa una o varias etapas, y la clasificación representa la separación de partículas basado en su tamaño. En un circuito abierto no existe recirculación de material. Esto supone que la alimentación y el producto no tiene una distribución de tamaño significativa o que la distribución del tamaño no juega un papel importante en el proceso. En un circuito cerrado, todo el producto debe cumplir ciertas características de tamaño. Aquellas partículas que no cumplen con el tamaño deseado (oversize) son recirculadas al (los) equipo(s) de reducción de tamaño. Si la alimentación tiene una gran distribución de tamaño, entonces es posible preclasificar la alimentación de modo que sólo se procese el material que no cumple con las especificaciones de tamaño. Esto se logra con un circuito de preclasificación. Una variedad de circuitos pueden ser generados por combinación de los circuitos básicos. Por ejemplo, la figura 3.5 muestra dos tipos de circuitos de trituración, uno abierto y uno cerrado, ambos de dos etapas. En el primer circuito, el material undersize (muy fino) es mezclado con el producto de trituración secundaria y luego enviado a la siguiente operación. En el circuito cerrado el producto del triturador secundario es clasificado de

5 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 38 modo que el material bajo malla es el producto final. Observe que en ambos casos el triturador primario, como pasa generalmente, es operado en un circuito abierto. ALIMENTACION ALIMENTACION REDUCCION DE TAMAÑO REDUCCION DE TAMAÑO (a) CIRCUITO ABIERTO CLASIFICADOR Oversize ALIMENTACION REDUCCION DE TAMAÑO (b) CIRCUITO CERRADO CLASIFICADOR Oversize (c) CIRCUITO CON PRE-CLASIFICACIÓN Figura 3.4: Circuitos básicos de reducción de tamaño.

6 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 39 ALIMENTACION ALIMENTACION PRIMARIA PRIMARIA CLASIFICACION Oversize CLASIFICACION Oversize Undersize SECUNDARIA Undersize SECUNDARIA a) CIRCUITO ABIERTO DE DOS ETAPAS b) CIRCUITO CERRADO DE DOS ETAPAS Figura 3.5: Circuito de trituración de dos etapas.

7 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 40 ALIMENTACION PRIMARIA SECUNDARIA SECUNDARIA Undersize CLSF Oversize CLSF Undersize TERCIARIA TERCIARIA TERCIARIA CLSF CLSF CLSF Undersize Oversize Oversize Figura 3.6: Circuito de trituración de tres etapas. El tipo de máquina de reducción de tamaño depende de varios factores. Algunos de estos factores son mencionados en la tabla 3.2. El tamaño de la alimentación es un factor fundamental en la selección de cada máquina. Además, cada máquina puede realizar sólo cierto nivel de reducción. Por ejemplo, en un triturador de mandíbula la razón tamaño de la alimentación/tamaño del producto se encuentra entre 5:1 a 10:1, dependiendo del material. A medida que el tamaño es más pequeño, menor es la capacidad de la máquina. Por eso en la figura 3.6, se utilizan dos trituradores secundarios y tres trituradores ternarios. Los trituradores primarios y secundarios operan en circuito abierto, mientras que los trituradores ternarios operan en circuito cerrado.

8 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 41 Tabla 3.2: Características de las máquinas de reducción de tamaño. TIPO DE MAQUINA MAXIMO TAMAÑO ALIMENTACION MINIMO TAMAÑO CAPACIDAD (tons/d) HUMEDO / SECO LIMITE DE DUREZA (Mohs) TRITURADORES GIRATORIO mm 300 mm > 10 3 S 9 MANDIBULA < 1 - > 10 3 S 9 CONO SEC > 10 3 S 9 CONO TER S 9 MARTILLO > 10 3 S 7 RODILLO D > 10 3 S 7,5 RODILLO S > 10 3 S 7,5 MOLINOS AUTOGENO mm 100 mm > 10 3 H 9 BARRAS > 10 3 H 9 BOLA > 10 3 H o S 9 RODILLOS S OPERACIONES DE CONCENTRACIÓN DE MINERALES Generalmente las operaciones de concentración de minerales consiste en la separación de un sólido de otro sólido. Estas operaciones explotan diferencias en propiedades como tamaño, densidad, permeabilidad magnética, conductividad eléctrica y tensión superficial. La reducción de tamaño juega un papel muy importante en estas operaciones, porque éstas funcionan sólo en ciertos rangos de tamaño de partículas. En algunos casos la separación es realizada con etapas de reducción de tamaño intercaladas. Una variedad de etapas de separación explotan diferencias en tamaño, forma y densidad. El uso adecuado de las fuerzas gravitacionales, boyantes y fuerzas superficiales permiten una separación de sólidos que difieren en tamaño y densidad. Un ejemplo lo constituye la separación por medio denso, en el cual las partículas sólidas son mezcladas con un fluido de densidad intermedia, de modo que las partículas más densas sedimentan mientras que aquellas partículas menos densas que el fluido, flotan. Un número limitado de materiales pueden ser influenciados por campos magnéticos o campos electrostáticos. Estos equipos permiten separar sólidos magnéticos de sólidos menos magnéticos. La operación más utilizada para la separación de sólidos en la industria metalúrgica es la flotación. La flotación se puede aplicar siempre que existan diferencias superficiales que permitan la adherencia de las partículas a burbujas de aire. Estas burbujas suben a través de la pulpa arrastrando a aquellas partículas que se pueden adherir. Algunas sustancias no polares, como el azufre y el carbón, tienden a adherirse, pero otras necesitan

9 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 42 de una modificación de sus propiedades superficiales. Esto se logra con la ayuda de ciertos aditivos químicos. La figura 3.7 muestra una celda de flotación y explica las etapas internas de la flotación. Aire Concentrado Figura 3.7: Celda de Flotación. Generalmente la flotación se realiza en varias etapas, y cada etapa a la vez consta de varias celdas de flotación. Los flujos entre estas etapas forman circuitos. Generalmente esas etapas son clasificadas en rougher, scavenger y cleaner, dependiendo de las características de la alimentación y la función de cada etapa. En la etapa rougher la alimentación consiste de la alimentación al circuito y el objetivo es realizar una separación gruesa dándole menor importancia a la pureza del producto. La alimentación a una etapa cleaner consiste generalmente de un producto de otra etapa y su objetivo es limpiar el producto obtenido en la etapa anterior. En la etapa scavenger, la alimentación es una cola de una etapa anterior y su objetivo es recuperar el mineral valioso aún presente en la cola. La figura 3.9 representa estas definiciones.

10 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 43 ROUGHER CLEANER F 1 R T 1 P 1 C T 2 P 1 P 2 SCAVENGER T 1 T S 2 F 2 F R S T C P Figura 3.8: Circuito de flotación y definición de etapas HIDROMETALURGIA La hirometalurgia está, tal vez, más ligada a la ingeniería química y ofrece varias ventajas frente a la pirometalurgia. Algunas de esas ventajas son:

11 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS Flexibilidad en el tratamiento de minerales complejos y en la producción de subproductos. 2. Menor costo en el tratamiento de minerales de baja ley. 3. Factibilidad de separar metales con características semejantes, como el tratamiento de tierras raras. 4. En algunos casos no necesita de preparación de minerales como trituración y molienda. 5. Menor consumo energético. 6. Menor contaminación, especialmente gaseosa. 7. Fácil transporte de corrientes intermedias. Sin embargo, los procesos hidrometalurgicos también poseen algunas desventajas, por ejemplo: 1. Sofisticados sistemas de control de procesos. 2. Ingeniería más compleja. 3. Se puede producir grandes cantidades de desechos líquidos y sólidos. Generalmente la preparación del mineral consiste en la trituración. La etapa de extracción corresponde a la de lixiviación, mientras que la etapa de recuperación puede consistir de extracción por solventes, adsorción, intercambio iónico, cristalización, etc. La figura 3.9 muestra secuencias alternativas de operación, las que dependen de factores como: características del mineral, concentración de la solución obtenida en la lixiviación y del producto deseado. Estos factores son determinantes para la elección del circuito de operación. A modo de ejemplo se puede tomar la hidrometalurgia del cobre, la cual comienza con la preparación del mineral pasando posteriormente a la lixiviación, luego a la etapa de extracción por solventes, para terminar con la electroobtención y así obtener un metal puro.

12 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 45 MINERAL PREPARACION LIXIVIACION ADSORCION EXTRACCION POR SOLVENTES INTERCAMBIO IONICO CRISTALIZACION REDUCCION CON GAS ELECTRO OBTENCION PRECIPITACION IONICA REDUCCION ELECTROQUIMICA COMPUESTO PURO METAL O SU OXIDO METAL PURO COMPUESTO METAL PURO SOLUCION CONCENTRADA SOLUCION DILUIDA Figura 3.9: Secuencia operacional en hidrometalúrgia OPERACIONES DE EXTRACCION Después de la etapa de preparación varias rutas de proceso son posibles. En procesos hidrometalúrgicos, generalmente la etapa de extracción consiste en la disolución de los constituyentes valiosos del mineral. Esto es conocido como lixiviación, una operación de transferencia de masa sólido - líquido, que puede ocurrir a condiciones ambiente o a elevadas temperaturas y/o bajo presión. Las condiciones del proceso dependen de las reacciones que se llevan a cabo. El agente lixiviante debe cumplir con las siguientes características: 1. Disolver el mineral lo suficientemente rápido para que el proceso sea comercialmente posible, y ser inerte con las especies químicas de la ganga. 2. Ser barato y estar disponible en grandes cantidades. 3. Si es posible, debe de ser regenerado en las etapas posteriores a la lixiviación. El agua es el solvente más usado, pero otras especies como ácidos (sulfúrico, nítrico y clorhídrico), álcalis (amoníaco, soluciones de hidróxido de sodio, y de carbonato de sodio),y sales (soluciones de cianuro de sodio, cianuro de potasio, férrica y cúpricas) son también usadas. Los métodos de lixiviación pueden ser clasificados por percolación y por agitación. La figura 3.10 muestra una clasificación de los métodos de lixiviación.

13 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 46 LIXIVIACION POR PERCOLACION LIXIVIACION IN SITU LIXIVIACION EN PILAS LIXIVIACION EN BATEAS METODOS DE LIXIVIACION LIXIVIACION POR AGITACION Figura 3.10: Clasificación de los métodos de lixiviación OPERACIONES DE RECUPERACIÓN Las soluciones obtenidas en la etapa de lixiviación son enviadas a operaciones de recuperación. Esta etapa de recuperación puede consistir de una o más operaciones. Cuando más de una operación es incluida, esto se realiza con el objetivo de purificar la solución. Esta purificación es generalmente realizada por adsorción, extracción por solventes y por intercambio iónico. En la adsorción, una especie iónica es adsorbida sobre la superficie de un sólido (el adsorbente), separado de las especies no deseadas y luego desorbido permitiendo reutilizar el adsorbente. Los adsorbentes más conocidos son el carbón activado y la zeolita. Esta tecnología ha sido usada con éxito en la industria del oro, utilizando carbón activado como adsorbente. La operación de intercambio iónico consiste en una reacción reversible entre un intercambiador iónico sólido y una disolución acuosa, de modo que los iones son intercambiados entre la fase sólida y líquida. Un intercambiador iónico puede intercambiar cationes o aniones. Existen intercambiadores iónicos inorgánicos y orgánicos, pero en la extracción de metales se utilizan generalmente resinas. La extracción por solvente o extracción líquido-líquido es un proceso de transferencia de una sustancia en disolución en un líquido a otra disolución en un segundo líquido. Este segundo líquido es parcialmente o totalmente insoluble con el primero. El proceso es simple y es mejor entendido con la ilustración de la figura En esta última la disolución a corresponde a la mezcla que contiene las sustancias de interés (círculos negros) y las sustancias de desechos (círculos blancos). En b se mezcla la disolución con el solvente S2 produciéndose la extracción. En c se produce la separación de las disoluciones por simple decantación. La separación de las fases permite separar las disoluciones obteniéndose en d el solvente S1 con las sustancias de desechos. Esta disolución puede ir nuevamente a lixiviación para cargarse con sustancias de interés y volver al proceso de extracción. La disolución e es enviada a un proceso de reextracción (f), pero ahora con una disolución acuosa S3 con el objetivo de recuperar el solvente S2 (h), previa separación por decantación (g), y permitir por una parte, la electroobtención del elemento de interés contenido en S3 (i), y por otra el envío de S2 a la extracción (b).

14 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 47 S1 S2 EXTRACCION a b LIXIVIACION S2 S1 c SEPARACION S1 S2 d e S3 S2 S3 STRIPPING O LIMPIEZA g f S2 S3 ELECTROOBTENCION h i Figura 3.11: Proceso de extracción por solventes. La cristalización es el proceso físico de separar sales en la forma de cristales desde una disolución acuosa. Los pasos en un proceso de cristalización consisten de sobresaturación, nucleación de cristales y crecimiento de cristales. Dependiendo de la variación de la solubilidad con la temperatura se debe escoger entre cristalización por enfriamiento o cristalización por evaporación. La precipitación iónica puede ser definida como el proceso en el cual un ion metálico presente en disolución reacciona con un compuesto metálico insoluble. La precipitación ocurre rápidamente porque el compuesto formado tiene baja solubilidad. Los

15 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 48 metales pueden ser removidos desde disolución en una gran variedad de compuestos, como hidróxidos, sulfuros, carbonatos, peróxidos, etc. La reducción con gas, tales como H2, SO2, o CO, es utilizada principalmente para la producción de metales nobles. La recuperación de metales desde disolución por cementación es conocido desde varios siglos. Todavía, es utilizada la cementación de cobre y antes de la utilización de la adsorción con carbón, el oro y la plata eran obtenidos por cementación con Zn. La cementación es un proceso de precipitación de un metal desde una disolución acuosa por la adición de otro metal. Este último debe tener una fuerza electromotriz mayor que la del metal a ser cementado. La electroobtención de metales consiste en la deposición de un metal por la acción de la corriente eléctrica PIROMETALURGIA La pirometalúrgia incluye operaciones en las que se aplican tratamientos en hornos a temperaturas elevadas, para separar los valores metálicos de la considerable cantidad de roca de desecho, todavía presente en el concentrado beneficiado. En la mayoría de los casos se separa el producto de los desechos o escoria. Los tratamientos extractivos de los metales no ferrosos tienen muchas características en común, éstos pueden a la vez dividirse en metales reactivos y no reactivos. Los metales no reactivos son cobre, níquel, plomo, cobalto, oro y plata, y los metales reactivos son aluminio, titanio, magnesio, zinc y uranio. Los metales no reactivos pueden procesarse simplemente en atmósfera de aire sin problema alguno, es decir, sin que ocurra oxidación durante las reacciones mediante las que los óxidos del metal son reducidos por carbón u otro reductor. La figura 3.12 ilustra el proceso típico para el tratamiento pirometalúrgico de metales no reactivos. Por otra parte, los metales reactivos requieren de procesamientos especiales de manera que se mantengan fuera de contacto con el aire atmosférico y, por lo tanto, de la oxidación. Ejemplos de estos equipos pueden ser hornos sellados con atmósfera de un gas inerte o que trabajen al vacío. La figura 3.13 ilustra los procesos típicos para este tipo de metales.

16 PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS 49 TOSTACION FUSION CONVERSION REFINACION PIROMETALURGICA REFINACION ELECTROLITICA REFINACION QUIMICA METAL METAL METAL Figura 3.12: Tratamiento pirometalúrgico de metales no reactivos. TOSTACION FUSION REFINACION PIROMETALURGICA REFINACION ELECTROLITICA METAL METAL METAL Figura 3.13: Tratamiento de metales reactivos.