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 Lixiviación
Para realizar el proceso de lixiviación se requiere disponer de un patio, o superficie de apoyo de la pila, en la que se coloca la impermeabilización. Cuando el patio es recuperado para reutilizarlo con nuevo material se trata de lixiviación en depósitos. Si el patio no es recuperado y el mineral agotado queda en la pila como vertedero que se restaura, se trata de lixiviación en pilas.
Apilador usado en Radomiro Tomic, con una capacidad de 10.500 t/h.
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Una vez preparado el mineral, se coloca en montones de sección trapezoidal y altura calculada (pilas) para proceder a su riego con una solución preparada. Tras percolar la solución a través de toda la pila, se recolectan los líquidos enriquecidos que se llevan a la planta de proceso de recuperación de la sustancia mineral (sal o metal).
Para la lixiviación en pilas se requiere de ciertos elementos, condiciones y consideraciones tales como:
Pilas de lixiviación de Radomiro Tomic, de dimensiones 1300 m de largo por 380 m de ancho, con un apilamiento de 10 m de altura y un ángulo de reposo del material de 37º.
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 Disponer de amplias superficies de terreno, relativamente llanas, con menos de 10% de pendiente.
Calcular los flujos de aporte y evaporación para mantener un balance equilibrado de líquidos efluyentes.
Disponer de represas de líquidos intermedios y finales.
Considerar un margen de sobrecapacidad del sistema para absorber situaciones de exceso por tormentas lluvias en el área en explotación o explotada.
Capacidad y flexibilidad para admitir grandes variaciones de leyes de mineral y tiempos de lixiviación.
Utilizar láminas impermeables sencillas para evitar pérdidas por infiltración y la contaminación del subsuelo.
Realizar un estudio geomecánico del material depositado para alcanzar la máxima altura posible y evitar el derrumbe de la pila.
Preparar el material para llevarlo al tamaño adecuado, de manera de lograr una permeabilidad mínima suficiente, que libere el mineral en la superficie y percole adecuadamente.
Organizar un conjunto de pilas de manera de ordenar el flujo de líquidos en forma seriada, para lograr un enriquecimiento progresivo de la solución al pasar de una pila en otra.
Etapas de la lixiviación
Para que la lixiviación tenga éxito se tienen que considerar una serie de factores, siendo el primero asegurar la permeabilidad de la masa a lixiviar, de manera que el líquido lixiviante pase a través de todo el material y que el contacto entre el agente lixiviante y el mineral sea el óptimo. El óptimo contacto entre el material y el agente lixiviante depende de los siguientes factores, los que deben ser considerados en todas las etapas del proceso:
La localización de los minerales a disolver
Volumen del material y distribución de tamaños
Área expuesta
Superficie específica
Tamaño de partículas
Porosidad
Presión capilar
Rugosidad o aspereza de las superficies.
Construcción de las pilas y apilamiento
El mineral aglomerado con cierta cantidad de ácido y de agua (en kg/t) según su mineralogía y su ganga, se acomoda en las pilas, que formarán los módulos de riego, con superficie y altura determinadas, ángulo de reposo del mineral ya establecido, y con pendiente en dos sentidos:
 Inclinación lateral, para el drenaje
Inclinación en sentido longitudinal, para la evacuación de las soluciones
A este material mineralizado apilado y preparado, se le determina la densidad aparente que varía según su porcentaje de finos.
El apilamiento se puede realizar por distintos métodos, entre ellos mediante un sistema de correas o mediante apiladores móviles.
Las pilas se cargan habitualmente entre 3 y 8 metros, sobre un sustrato impermeable, normalmente protegido con una membrana de plástico que puede ser de tipo polietileno de alta densidad (HDPE), de baja densidad (LDPE), de muy baja densidad (VLDPE) o de cloruro de polivinilo (PVC), que puede tener desde 0,1 a 1,5 mm de espesor según las exigencias de cada aplicación.
Para ayudar a la recolección de las soluciones, se usan cañerías de drenaje perforadas y canaletas abiertas.
De acuerdo con la utilización de las pilas se tienen:
Pilas dinámicas
denominadas también de tipo "on-off", en las que el mineral se remueve, se envía a botadero después de la lixiviación y la base de la pila se puede reutilizar. Para las pilas dinámicas, se puede elegir cualquier configuración que sea aceptable para la operación de los equipos de carga y descarga, pero generalmente, se prefiere un rectángulo alargado. En el caso particular de las operaciones mayores, que presentan cierta rigidez con los equipos de transferencia de minerales, se ha preferido una configuración rectangular doble (dos rectángulos paralelos y adyacentes) con semicírculos en los extremos, donde se forma la pista de giro de los equipos de carguío y de descarga.
Pilas permanentes
en las que las nuevas pilas se cargan sobre las anteriores, aprovechando o no la impermeabilización existente.
La configuración de una pila existente puede tener cualquier geometría según las disponibilidades de espacio de cada lugar. Pero cuando no hay restricciones topográficas, normalmente se usa una configuración rectangular, en que una nueva capa sólo se podrá colocar cuando haya concluido la lixiviación de la capa inferior que se debe cubrir.
Para el carguío del material se utiliza una variedad de sistemas según el tamaño de las instalaciones de cada faena.
En el caso de faenas pequeñas que van desde 300 a 2.000 ton/día, como por ejemplo Dos Amigos y Punta del Cobre, hasta 5.000 y 10.000 ton/día, como Quebrada - Damiana en Salvador y Lince, en Michilla, se usan sistemas de camiones y apiladores de correa autopropulsados, evitando el uso de cargadores frontales, ya que destruyen los aglomerados. Este sistema de carguío se puede aplicar a pilas dinámicas y permanentes.
En faenas mayores, que van desde 10.000 y hasta 50.000 ton/día (Mantoverde, Cerro Colorado y Quebrada Blanca) se usan correas modulares articuladas (grasshoppers) que terminan en un apilador de correa o "stacker". En este caso la operación puede ser realizada con pilas dinámicas o permanentes, sin restricción.
En faenas aún mayores, desde 75.000 a 150.000 ton/día (El Abra y Radomiro Tomic) donde se prefieren complejos sistemas apiladores sobre orugas alimentados con correas transportadoras estacionarias y móviles. Cuando se requiere mover el material ya lixiviado desde las pilas, por ser un sistema de pilas dinámicas, normalmente se utilizan recolectores tipo pala de rueda con capachos, conocidos como "rotopala" o "bucketwheel".
Rotopala de capacidad nominal de 11.500 t/h.Sistema de traslación sobre orugas.
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En estos casos de faenas mayores, se ha preferido en general el sistema de canchas de lixiviación dinámicas por el excesivo tonelaje de mineral, puesto que obligaría a un complicado movimiento permanente de avance de las correas alimentadoras, si se quisiera operar en pilas permanentes con avance continuo.
Pero en Zaldivar y en el proyecto de ripios aglomerados de Chuquicamata, estos equipos han operado con un apila de tipo permanente y, por lo tanto, no han requerido instalar el sistema recolector de la rotopala.
Sistema de riego y recolección de soluciones
El material mineralizado y apilado debe ser regado con una solución lixiviante, para lo cual se tiende la malla de riego, que cubre toda el área.
El sistema de riego instalado permite distribuir las soluciones ya sea por medio de un sistema de goteros, que hasta pueden estar instalados bajo la superficie de las pilas cuando las condiciones son extremas (Quebrada Blanca a 4.400 msnm y temperaturas muy bajas) o por medio de aspersores tipo wobblers o sprinklers, dependiendo de la evaporación y de la disponibilidad de agua de cada operación. Los sistemas de riego pueden ser de dos tipos:
Cañerías de irrigación por goteo dispuestas en malla para obtener una tasa de goteo determinada, la que se expresa en
Aspersores tipo wobblers, en toda el área, y también para cubrir las áreas no irrigadas por el goteo.
El sistema de riego implementado en la pila tiene la función de permitir la circulación de tres tipos de soluciones: las soluciones de refino, la solución intermedia y/o el agua.
Una vez que la solución lixiviante llega a la superficie de la pila y del mineral se producen una serie de etapas secuenciales. Fundamentalmente, existe un proceso de difusión (transporte) y un ataque químico sobre la superficie del mineral.
En la superficie del mineral tienen lugar las siguientes etapas:
Difusión de los reactivos (agente lixiviante, agente lixiviante o reductor, iones H+ o OH- en la superficie del mineral.
Adsorción de los reactivos sobre la superficie del mineral.
Reacción química entre los minerales y los reactivos.
Deserción de los productos de la reacción de la superficie del mineral.
Difusión de los productos solubles en la solución.
La rentabilidad y eficiencia económica del proceso de lixiviación es función del grado de disolución o del porcentaje de extracción.
Sin embargo, factor de más importancia es el tiempo necesario para lograr una extracción aceptable, es decir, la velocidad a la cual ocurre la disolución del mineral.
Al inicio del proceso, se produce una rápida extracción de mineral, posteriormente ésta decrece al mínimo posible de obtener para un tamaño de partícula dado. Esta disminución puede deberse a varias causas como:
Disminución de la superficie expuesta al ataque químico, lo que a su vez puede explicarse por el menor el número de partículas a disolver o porque en ella se forman compuestos insolubles.
Disminución de la concentración de reactivos.
Aumento de la concentración de minerales en la disolución, lo que puede llegar a la saturación.
Disminución del grado de lixiviación en partículas porosas al aumentar la distancia desde el punto de difusión inicial.
Recolección de soluciones
Al costado de cada pila se encuentran las canaletas de recolección de las soluciones. Estas canaletas están divididas en dos secciones para poder conducir por gravedad, separada e independientemente las soluciones ricas pobres y en mineral lixiviado.
Transporte de soluciones. Faena Radomiro Tomic.
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Las soluciones recogidas son llevadas primero a piscinas desarenadoras, para ser clarificadas y desde allí fluyen a diferentes piscinas según la calidad de la solución:
piscina de solución rica (PLS), que tiene una dimensión tal que permite conocer el tiempo de retención de la solución.
piscina de solución intermedia (ILS), que se utiliza para regar el aglomerado fresco y generar así PLS, según corresponda.
En la base de las pilas se instalan membranas impermeables (geomembranas de origen sintético) fabricadas de un material variante del polietileno, que permite interceptar las soluciones que escurren desde lo alto de la pila y conducirlas a las canaletas de recolección. Sobre las membranas se instalan cañerías perforadas de drenaje y una cubierta de grava drenante.
El control de la permeabilidad de la pila, es fundamental para evitar las fugas. Además de las membranas o láminas de impermeabilización de polietileno, éstas pueden ser fabricadas de los materiales arcillosos compactados que se encuentran en el propio terreno o a partir del suelo del patio el que se debe mejorar con aditivos químicos o minerales.
El diseño de la alternativa más conveniente de membrana o sistema de sellado es un desafío importante de la ingeniería y no debe hacerse sólo por criterios económicos o de permeabilidad, sino por otros factores como durabilidad, picado, resistencia a la corrosión y otras condiciones ambientales que deben requerir experiencia y conocimiento previo.
Se pueden disponen de membranas o sellados simples, dobles o triples, de acuerdo con el número de capas impermeables o membranas de igual o diferente tipo que se hayan utilizado. A continuación se entrega una tabla de factores de selección del tipo de láminas.
Tipo de láminas
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Materiales
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Factores de selección
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Geomembranas
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P.V.C.
Polietileno de alta densidad (HDPE)
Polietileno clorosulfurado (Butilo)
Monómero dietilen-propileno (EPDM)
Membrana industrial Chevron (CIM)
Resina sintética (Hypalon)
Asfalto u hormigón asfáltico
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Tipo material (espesor, resistencia, duración)
Material de apoyo y cobertura
Método de colocación y unión
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Suelo natural o mejorado
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Suelo natural del sitio
Suelo natural de otro lugar
Mezclas de suelo naturales
Mezclas con bentonitas
Mezclas con aditivos minerales
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Disponibilidad de materiales
Composición del suelo
Permeabilidad
Tamaño de granos
Plasticidad
Factibilidad de trabajo
Estabilidad química
Construcción
Espesor de la lámina
Preparación /mezclado
Compactación (reducir huecos, humedad óptima y espesor)
Protección
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En el caso del cobre, los procesos hidrometalúrgicos de lixiviación producen en general dos tipos de soluciones:
Soluciones fuertes con contenidos de cobre en soluciones entre los rangos de 30 – 50 g/L que son aptas para entrar directamente al proceso posterior de electroobtención.
Soluciones débiles cuyo contenido de cobre en solución es menor a 10 g/L. Estas soluciones deben pasar por una etapa de concentración vía Extracción por Solventes-Electroobtención o simplemente ser tratadas por cementación.
Lixiviación de minerales de cobre
Los minerales de cobre en sus diferentes menas, se encuentran en la naturaleza asociados entre sí y con otras especies mineralógicas, más o menos diseminadas dentro de una roca matriz con la ganga correspondiente. Para el desarrollo de un proyecto de lixiviación es necesario un conocimiento de las características del yacimiento y de la mena, y los factores que influyen en la lixiviación.
En particular respecto a las características del yacimiento es importante considerar:
Su composición mineralógica, por las interferencias que puedan producir en la lixiviación las diferentes especies conteniendo o no cobre.
Diseminación de las especies: frecuencia y tamaños de los granos
Carácter de la ganga, ya que ciertos minerales pueden estar dentro de una ganga carbonatada y consumir ácido haciendo el proyecto inviable económicamente.
Características físicas de la mena (cantidad de finos o lamas), así como sus propiedades de porosidad y permeabilidad, que son fundamentales en una lixiviación estática.
Comportamiento de la roca en el chancado, en cuanto a crear o aumentar la fracturación, exponiendo una mayor superficie al ataque químico.
Selección de agentes lixiviantes
Teniendo en cuenta las características del mineral, así como las reservas y el valor potencial del yacimiento, se selecciona el o los agentes lixiviantes más idóneos. Para ello se realizan diferentes caracterizaciones mineralógicas previas que permiten determinar los valores iniciales para realizar posteriormente las pruebas de laboratorio de lixiviación en columnas unitarias.
El ideal sería elegir un solo agente químico, que sea económico y recuperable, y un ciclo de lixiviación lo más corto posible (ojalá uno solo), para extraer un máximo de cobre y un mínimo de impurezas, lo cual es difícil en la mayoría de los casos.
En la elección del proceso es fundamental conocer la cinética de la reacción química que las influyen, mediante las diversas fases de investigación en laboratorio. Para ello se hacen análisis preliminares en botellas rotatorias y en columnas o vasijas, según si el mineral es apto a la lixiviación estática o dinámica.
Por último, al seleccionar previamente el agente lixiviante se debe considerar el proceso posterior de recuperación del cobre a partir de la solución madre. Así, por ejemplo, si el lixiviante es el sulfato férrico, deben tenerse en cuenta los efectos perjudiciales del aumento de iones férricos en la solución, para un posterior proceso de cementación (alto consumo de chatarra) o electrodepositación (mala eficiencia de corriente en electrólisis) o extracción por disolventes (purificación de hierro).
En la lixiviación de minerales de cobre, los reactivos normales suelen ser ácido sulfúrico para minerales oxidados y sulfato férrico acidificado en medio oxidante, para minerales sulfurados.
Se distinguen dos casos:
Lixiviante natural: producido por las aguas de lluvia que percolan en el yacimiento, atacando las superficies expuestas y produciendo un lixiviante con contenidos variables de ácido, hierro e incluso cobre, según la estación del año y zonas de producción. Son las aguas de desagüe de minas.
Puede ocurrir que, mezclando aguas de distintas procedencias con sulfato férrico suficiente, se controla tan sólo el pH bajo (añadiendo ácido sulfúrico), para regular la acidez e impedir la precipitación del hierro trivalente a hidróxido, que origina bastantes dificultades en la lixiviación. En caso de escasez de agua, se recircula parte de la solución estéril o se aportan aguas más frescas de otras procedencias.
Lixiviante preparado: Se emplea el hierro trivalente en forma de sal ácida (sulfato férrico), cuya concentración en Fe3+ y ácido se ajusta según la investigación y experiencia práctica. Normalmente, las soluciones empleadas no suelen ser muy concentradas. El ácido varía entre 4 y 10 % y el hierro, alrededor del 1%. En algunos casos hay una regeneración del lixiviante en el propio proceso.
Las soluciones estériles se recirculan o rechazan, con o sin depuración. La recirculación conlleva un aumento de compuestos tales como hierro, sulfatos, arsénico, cloro, ácidos, etc. Este aumento, sobre todo en sustancias nocivas como el As, Cl, ácidos, etc., puede ser perjudicial al proceso en sí o en estados posteriores, por lo que debe efectuarse una depuración o sangrías, periódicamente.
Entre los agentes lixiviantes en la minería del cobre se cuentan agentes lixiviantes ácidos y básicos.
El agente lixiviante más usado para minerales oxidados es el ácido sulfúrico, por lo que las soluciones que entran a electroobtención son de CuSO4 H2SO4 más impurezas, de modo que fundamentalmente se tienen iones de Cu+2, H+, SO4-2, SO+2.
La elección del agente químico de lixiviación va a depender de su costo, disponibilidad, estabilidad química, selectividad y grado de generación de soluciones ricas en mineral, de tal forma que sea lo más económico y fácil de trabajar.
Agentes de lixiviación más utilizados
Tipo de agente
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Ejemplos
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Ácidos inorgánicos
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ácido sulfúrico
ácido clorhídrico
ácido nítrico
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Bases
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hidróxido de amonio
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Agentes
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oxidantes oxígeno
ión férrico
ión cúprico
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Agentes complejantes
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amoníaco
sales de amonio
cianuros
carbonatos
cloruros
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En general, los minerales de cobre requieren una oxidación previa para la posterior disolución del metal. En el caso de los carbonatos y óxidos de cobre sólo se requerirá un disolvente que es normalmente ácido sulfúrico, y en el caso de los sulfuros, un oxidante, cuya fuerza de oxidación dependerá del tipo de sulfuro.
Al considerar el agente lixiviante, que suele constituir un costo importante del proceso, hay que tener en cuenta su disponibilidad (transporte), precio en planta, consumo y posibilidad de recuperación. Igualmente las características corrosivas, por su influencia en los materiales de la planta industrial. Sin embargo, el aspecto más importante es que el agente lixiviante tiene que ser efectivo y lo más selectivo posible, para la disolución del cobre del mineral a tratar. Las diferencias de las características de las menas son tan amplias, incluso dentro de una misma zona, que los principios químicos establecidos sólo pueden servir de guía para la selección del lixiviante.
Importante
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Al momento de elegir el agente lixiviante es importante tener en cuenta la composición mineralógica del material, tipo de ganga, tamaños de granos y diseminación, contenido de azufre, presencia de carbonato, cloruros u otros constituyentes. Por lo que es necesaria la investigación y la experiencia operativa, para seleccionar el lixiviante y obtener los datos necesarios para predecir el comportamiento de la lixiviación.
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Aplicación de la solución lixiviante
La lixiviación propiamente tal se inicia con el riego por aspersión o goteo Los distintos sistemas de irrigación, de aplicación de la solución, velocidades y efectos de la operación de lixiviación en vertederos, se pueden aplicar al sistema de lixiviación en pilas, donde existe un mayor control de la operación, con lo que se obtienen mejores resultados.
Para el logro de un resultado exitoso, es fundamental cuidar la distribución de la solución lixiviante a la mayor área que sea posible, mediante un sistema de aspersión, y con la velocidad de aplicación conveniente según la adaptación (permeabilidad) de la pila.
Si la solución lixiviante se entrega de manera de aumentar la cantidad de líquido disponible en torno ellas, se trata de un sistema de riego no inundado o trickle-leaching, en el que al excederse los límites de líquido correspondiente al estado capilar, se produce una suspensión sólido/líquido. En ese momento ya no hay fuerzas para mantener las partículas en su sitio, los finos se desplazan, ocupando espacios entre las partículas mayores y, si hay arcillas, ambos factores cumplen un rol sellante, lo que conduce a un lecho inundado. Debe evitarse esta situación, ya que para una buena operación es esencial mantener una adecuada permeabilidad.
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