PRODUCTOS DERIVADOS
DE MINERALES METALICOS: COBRE
CAPITULO 5 PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
5.1 INTRODUCCION
El destino económico de Chile
esta indiscutiblemente ligado al desarrollo amplio de la minería,
y este determinismo geológico-histórico se ha mantenido y se
mantendra, con toda certeza para contribuir poderosamente al porvenir de
nuestro país. La minería del
cobre es hoy en día, la mas grande fuente de explotación del mundo, dando
así origen a innumerables empresas dedicadas a este rubro, entre las que
mencionamos: Codelco, Cía. Minera Zaldívar, Cía. Minera
Doña Inés de Collahuasi, El Abra, Radomiro Tomic, Doña
Ada, Minera Escondida Ltda., entre otras. Cabe mencionar que debido a problemas
como sobresaturación en los mercados del cobre,
economía mundial actual y agotamiento de recursos, muchas empresas de la
pequeña y mediana minería han cesado sus producciones ya sea
parcial o totalmente. Chile, ha llegado a ocupar lugares importantes a nivel
mundial en producción de cobre, tal es el caso del año 1995 en
que alcanzó el primer lugar como productor de cobre de occidente, al
generar 2.509.644 toneladas de cobre fino. En la última década la
producción chilena de cobre ha presentado un notable incremento,
figurando entre las principales productoras las que se muestran en la figura
5.1 En cuanto a las reservas cupríferas nacionales, medidas y factibles
de explotar, éstas suman 134 millones de toneladas de cobre fino,
volumen suficiente para continuar la producción a los nivelesactuales
durante 60 años mas. Este volumen implica que el país
posee el 37% de las reservas de cobre de todo el mundo. En la actualidad, el
precio del
cobre presenta una baja debido a los problemas económicos que se
aprecian a nivel mundial, se estima que esta situación no
perdurara por mucho tiempo, debido a que, según expertos este es
un problema cíclico, lo que mantiene en cierta forma tranquilos a los
productores nacionales. En la figura 5.2 se muestra la variación que ha
presentado el precio del
cobre en el último periodo. El cobre no se encuentra en estado de
pureza. Por lo menos 165 minerales oxidados y sulfurados lo contienen. Entre
los oxidados estan la cuprita, atacamita, antherita, brochantita y
crisocola. Entre los sulfurados destacan la calcopirita, covelina, bornita,
energita y calcocita. Los minerales sulfurados son, casi siempre, mezclas
complejas de sulfuro de cobre y fierro, combinados con compuestos de otros metales,
tales como
zinc, arsénico, antimonio, bismuto, teluro, plata y oro. La ley de cobre
es el porcentaje de cobre contenido en los oxidos y sulfuros. Así, por
ejemplo, cuando se habla de 1% de ley, significa que por cada 100 Kg de
material extraído hay 1 Kg de cobre puro. El resto se conoce como estéril. Los
procesos mas utilizados en Chile para la extracción de
mineral de cobre son flotación y lixiviación. El uso de uno u
otro sistema depende de la procedencia del
mineral. Es decir, si se trata de sulfurados (sulfuros) generalmente se usa
flotación; y si se trata de oxidados, lalixiviación. Ultimamente
varias empresas han comenzado a procesar minerales sulfurados o mixtos por
medio de lixiviación.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
MICHILLA 2%
CANDELARIA 6% M.BLANCOS 3%
ENAMI 5%
CODELCO-CHILE 47%
DISPUTADA 8% OTROS 7%
C.COLORADO 1%
ESCONDIDA 19%
Q.BLANCA 2%
Figura 5.1: Distribución de la producción Chilena de cobre, 1995
(Minería chilena).
120,0 110,0 100,0
95,6 111,2 102,1 93,9
90,0
87,0 79,9 76,6 75,5 75,3 79,3 81,7 78,6 74,9 73,5 72 64,9 74,7 72 71,4
80,0 70,0 60,0
Jul-97
May-98
Sep-97
Feb-98
Ago-97
Nov-97
Ago-98
Sep-98
Nov-98
Oct-97
Dic-97
Oct-98
Ene-98
Abr-98
Dic-98
Mar-98
Figura 5.2: Precios del cobre (Minería Chilena).
Ene-99
Jun-98
Jul-98
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
64 POR MEDIOS
5.2
PRODUCCIÓN DE PIROMETALÚRGICOS.
COBRE
El cobre esta presente en la corteza terrestre principalmente en forma
de materiales sulfurados como
la calcopirita (CuFeS 2), bornita (Cu5FeS4) y calcocita (Cu 2S). La ley o
concentración de estos minerales en un mineral es baja, las menas
mas comunes contienen de 0,5% (minas a cielo abierto) hasta 1 a 2% de
cobre (en minas subterraneas). En la figura 5.3 se bosquejan los
procesos para la recuperación de cobre puro a partir de tale minerales.
5.2.1
EXTRACCION DE COBRE A PARTIR DE MENAS SULFURADAS.
Casi el 90% del
cobre que se produce en el mundo proviene de los minerales de sulfuro. Estos no
setratan facilmente con los métodos hidrometalúrgicos (no
se lixivia con facilidad), de manera que la mayor parte de la extracción
es mediante técnicas pirometalúrgicas. Los primeros en tratarse
son los concentrados de cobre. La extracción consiste en las cuatro etapas
siguientes: Concentración por flotación de espuma
Fundición de matas Conversión de cobre blister (cobre ampollado)
Refinación a fuego o electrorefinación a cobre ultra fino. El
producto final de esta sucesión de etapas es el cobre blister impuro, el
cual debe ser sometido a altas temperaturas y electrorrefinación antes
de que se pueda utilizar. a. b. c. d.
5.2.2
CONCENTRACION POR FLOTACION EN ESPUMA
En la actualidad, la extracción de cobre de las menas es tan baja en
este metal ( ≈ 1% Cu) que no vale la pena la fundición en directo.
El calentamiento y fundición de enormes cantidades de material residual
requeriría cantidades exorbitantes de combustible. Afortunadamente, los
minerales de cobre contenidos en la mena pueden extraerse por medios
físicos y formarse concentrados con alto contenido de cobre, los cuales
pueden ser fundidos con un rendimiento económico bueno. El método
mas efectivo de concentración es la flotación en espuma,
mediante la cual a los minerales de cobre se les obliga a que se adhieran
selectivamente a las burbujas de aire, elevandose a través de la
pulpa espumosa de la mena pulverizada. La selectividad de la flotación
se crea al usar reactivos, los cuales extraen los minerales de cobre
hidrofóbico (avido de aire), mientrasque los minerales
”flotados” se mantienen en una espuma estable encima de la celda de
flotación, desde donde son retirados mecanicamente para formar el
concentrado. Los concentrados característicos de cobre contienen de 20 a
30% de éste. A la flotación la precede la molienda y
pulverización de la mena para obtener partículas finas: su uso ha
dado como resultado que se pase de la fundición en alto horno a la
fundición en horno de hogar abierto, puesto que el primero puede
solamente operar con materiales aterronados en la alimentación.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
65
Menas de sulfuros(0.5 – 20% Cu)
Reducción de tamaño
Concentrados(20 – 30% Cu)
Flotación
Desecación y tostación
Desecación
Desecación
Desecación
Otros procesos de fundición
Horno reverbero
Horno de Fundición instantanea
Multi horno continuo
Directo a fundici n de ó cobre
Mata(35 – 70%Cu)
Cobre blister(99% Cu)
Refinación y colada de anodos
Anodos(99,5% Cu)
Electrorefinación
Catodos
Fundición
Cobre fundido(20 ppm impurezas – 250 ppm oxógeno)
Figura 5.3: Principales procesos para extracción de cobre desde mineral
sulfurado. Las líneas paralelas indican procesos alternativos. (
disminuyendo en importancia. Poco común pero aumentando en importancia)
(Biswas
& Davenport, Metalúrgia Extractiva, 1994).
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
66
5.2.3
FUNDICION DE MATAS
Los objetivos de la fundición de mata son formar una fase líquida
de sulfuro(mata) la cual contiene todo el cobre de la carga y una fase
líquida de escoria sin cobre. La mata posteriormente es oxidada para
formar cobre blister impuro (cobre ampollado) y la escoria fundida se desecha
directamente o después de una etapa de recuperación de cobre. La
fundición o fusión de matas se lleva a cabo al fundir la carga
total del
horno, a una temperatura aproximada de 1200°C, normalmente con fundente de
sílice. La sílice, alúmina, óxidos de hierro, cal y
otros óxidos menores forman la escoria fundida; el cobre, azufre, hierro
sin oxidar y los metales preciosos, forman la mata. La escoria es mas
ligera que la mata, y casi inmiscible en ella y es posible retirarla con
facilidad. Un objetivo importante de la fundición de matas es producir
una escoria de desecho, cuyo contenido de cobre debe ser tan bajo como sea posible. Esto se
lleva a cabo al mantener la escoria cerca de su saturación con
sílice (lo cual fomenta la inmisibilidad mata-escoria) y el horno lo
suficientemente caliente de manera que la escoria se funda y fluya, evitando
así condiciones excesivamente oxidantes. Esta última
condición es necesaria para minimizar la formación de magnetita
sólida (Fe3O4, temperatura de fusión 1597°C), la cual crea
condiciones viscosas y, posteriormente, dificulta la separación de la
mata y la escoria. La fundición se realiza con frecuencia en hornos de
reverbero en funcionamiento. Los altos
hornos todavía se usan en varias localidades, particularmente donde
aún se dispone de menas aterronadas. Los hornoseléctricos se usan
en varias localidades donde la energía eléctrica no es costosa.
Un proceso mas nuevo, la ”fundición o fusión
instantanea”, en el cual se usan las reacciones de
tostación como
una fuente de calor para la fusión, ha sido instalada en muchas
fundiciones nuevas debido a su baja demanda de combustible.
5.2.4
HORNO DE REVERBERO
El horno de reverbero es esencialmente un horno de hogar en el cual la carga
sólida consiste en concentrados, calcinados y fundentes, junto con
escoria fundida y polvos recirculados provenientes del convertidor y que contienen cobre. Dicha
carga se calienta a 1200 o 1250°C debido a los gases calientes de
combustión que se extiende sobre la superficie del baño. En la figura 5.4 podemos
apreciar un horno representativo. Este horno consiste en un hogar revestido de
material refractario (normalmente magnesita o cromomagnesita) con una
bóveda fija (sílice) o suspendida (magnesita). El horno se
calienta por la flama de la hulla pulverizada, aceite combustible o gas
natural, proveniente de un extremo, para producir gases calientes que se
difunden a través del
horno y así fundir la carga. Los productos del horno de reverbero son la escoria
fundida que se desecha y la mata fundida, la cual se transfiere al convertidor
para su oxidación y llega a cobre blister. La mata y la escoria son
sangradas por separado a medida que se acumulan dentro del horno. El horno de reverbero tiene dos
defectos principales: a) comparado con otras unidades de fundición
consume considerable energía (en laforma de combustible de
hidrocarburos) y b) produce grandes volúmenes de gases de
combustión diluidos en SO 2 (≈ 1% en volumen). Es difícil
eliminar eficientemente el SO2 de los gases a estas concentraciones bajas y de
ese modo el horno de reverbero causa serios problemas de contaminación del aire al ser
descargado a la atmósfera.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
67
Concentrado o calcinado Transportador de carga
Salida de gas (a las calderas de calor residual)
Combustible
Escoria del convertidor
Escoria
Aire Mata Quemadores Mata
Escoria
Tubos de carga
Figura
5.4: Vista de un horno de reverbero para la producción de mata de cobre
a partir de concentrados de sulfuros calcinados y tostados (Biswas &
Davenport, Metalúrgia Extractiva, 1993).
5.2.5
HORNO ELECTRICO
La fundición en el horno eléctrico es similar a la efectuada en
el horno de reverbero, con la excepción de que no se usa combustible
externo. El calor necesario para la fundición se genera por la resistencia de la escoria
al paso de una corriente de alto amperaje entre los densos electrodos de
carbón sumergidos en la escoria. El horno eléctrico usa
eficientemente la energía eléctrica debido a que la
pequeña cantidad de gases
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
68
(principalmente aire infiltrado) producida por el proceso arrastra poco calor
sensible. Sin embargo, la energía eléctrica es costosa y el horno
eléctrico predomina donde la electricidad es abundante y barata. Elhorno
eléctrico tiene las ventajas de una buena flexibilidad y control de temperatura
y, debido a que no existen gases de combustión, hay buen control sobre
las condiciones de oxidación. Estos dos factores conducen al control
excelente de las propiedades de la escoria (es decir, concentración de
magnetita, viscosidad) lo cual permite bajas pérdidas de cobre en las
escorias de fundición. En el horno eléctrico solamente se
producen pequeñas cantidades de gas; la concentración de SO2 de
los gases se controla facilmente ajustando la cantidad de aire que entra
al horno. Con una cantidad mínima de infiltración de aire, los
gases contienen menos de 0.5% en volumen y se descargan a la atmósfera. Como opción, la entrada controlada de aire hacia el
horno conduce a la oxidación de una parte de la carga y a gases que
contienen cerca de 5% de SO2 en volumen, a partir de los cuales el SO 2 puede
ser recuperado como
acido sulfúrico. Este control de volumen de gas y de la
concentración de SO2 ha permitido al horno eléctrico reemplazar
al horno reverbero en varias areas susceptibles de contaminarse.
5.2.6
HORNO DE FUNDICION INSTANTANEA
Los altos hornos, los hornos de reverbero y
eléctricos usan cantidades considerables de combustibles de
hidrocarburos o energía eléctrica para la fundición a
pesar del
hecho de que se puede obtener gran cantidad de energía por la
oxidación de las cargas de sulfuros. Por otra parte, la fundición
en el horno de fundición instantanea utiliza gran parte de esta
energía de combustión de lossulfuros a) oxidando parte de la
carga de sulfuro y b) utilizando el calor así liberado para la
fusión de la mata y escoria. Existen dos tipos de fundición
instantanea, en el proceso Outokumpu se usa
aire precalentado (o aire enriquecido con oxígeno) como
oxidante y en el proceso INCO se usa oxígeno. En ambos
procesos, los concentrados finos y secos se inyectan al interior de un horno
tipo hogar, donde se queman con aire y oxígeno. La reacción de
combustión puede representarse por la siguiente ecuación: 2CuFeS2
+ 5/2O2 + SiO2 CuS FeS + FeO SiO2 + 2SO2 + calor Esta reacción proporciona la mayor
parte o todo el calor necesario para el calentamiento y fundición de la
carga. Se necesita mas combustible de hidrocarburos cuando el aire es el
combustible, pero cuando hay oxígeno la ausencia de calor arrastrado por
el nitrógeno en los gases de salida hace que el proceso sea
autógeno. Se produce una cantidad importante de SO2 mediante las
reacciones dentro del
horno de fundición instantanea. Por fortuna, la
concentración de SO2 en los gases efluentes de este horno es alta ( >
10% de SO 2) y el SO2 puede ser eliminado eficientemente de dichos gases en
forma de H2SO4 o como
SO 2 líquido. Las ventajas principales de los procesos del horno de fundición
instantanea son: a) su baja demanda de combustible de hidrocarburos y b)
la facilidad y eficiencia con la cual el SO2 puede ser eliminado de sus gases
efluentes. Su única desventaja son las pérdidas altas de cobre en
la escoria y en los polvos de chimenea, pero la mayor partede este cobre se
recupera mediante tratamiento de estos materiales.
PRODUCTOS DERIVADOS DE
MINERALES METALICOS: COBRE
69
5.2.7
CONVERSION
La conversión del
cobre consiste en la oxidación (con aire) de la mata líquida
proveniente de la fundición. La conversión elimina el hierro y el
azufre de la mata, dando por resultado la producción de un cobre
“blister ”(cobre ampollado) sin refinar(99% de Cu). El proceso se
lleva a cabo en un convertidor horizontal cilíndrico Peirce-Smith
revestido con refractario basico (figura 5.5), algunas veces modificado
con un sistema mejorado de recolección de gases. La mata líquida
se vierte dentro del convertidor a
través de una entrada grande central y el aire de oxidación se
introduce por una línea simple de toberas que esta a lo largo del recipiente. La mata
se adiciona a una temperatura próxima a los 1100ºC y el calor
generado en el interior de convertidor por la oxidación del hierro y del
azufre es suficiente para hacer el proceso autógeno. La
conversión se lleva a cabo en dos etapas consecutivas, en las cuales se
utiliza la inyección de aire hacia el interior de la fase del sulfuro fundida.
Estas son: a) La etapa formadora de escoria o de eliminación del FeS, es
decir, 2FeS + 3O2 + SiO2 2FeO · SiO2 +
2SO2
aire fundente escoria
y b) La etapa formadora de cobre blister, es decir, Cu2S + O 2 2Cu + SO2
aire cobre bliste r
La formación de cobre (etapa b) no sucede hasta que la mata no contiene
menos de 1% de Fe, de modo que casi todo el hierro se eliminadel convertidor
(como escoria) antes de comenzar la producción de cobre. En la industria
el convertidor se carga con mata en varias etapas, y cada etapa es seguida por
oxidación parcial y remoción de escoria. Esto da por resultado
una acumulación gradual de Cu2S dentro del convertidor, seguido por una
inyección ”formadora de cobre” final. El producto del proceso de
conversión es el cobre blister el cual contiene entre 0.02 y 0.1% de
azufre. No ocurre formación significativa de óxido de cobre hasta
que el contenido de azufre no esta por debajo de 0.02% de modo que la
oxidación del
cobre no es un problema. La mayor parte del
níquel y los metales preciosos contenidos en la mata forman parte del cobre blister . El
hierro y el zinc estan casi completamente oxidados en la escoria,
mientras que el antimonio, arsénico, bismuto, cadmio y plomo tienden a
vaporizarse. La escoria del
convertidor inevitablemente contiene de 2 a 10% de cobre, el cual se recupera
al transferir la escoria al horno de fundición; o al enviarla a un horno
eléctrico pequeño para que haya asentamiento en condiciones
reductoras. Otra forma de recuperación común es por flotación
en espuma del
cobre contenido en la escoria enfriada y solidificada lentamente. El SO2 es un
subproducto de las reacciones de conversión. La concentración en
los gases del
convertidor es moderadamente alta (> 5% de SO 2) y puede ser eliminado eficientemente
de los gases en forma de acido sulfúrico. Sin embargo, se escapa
una pequeña parte del
SO 2 hacia la atmósfera durante lasoperaciones de carga y vaciado.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
70
Salida de gas
Campana
Fundente de silice
Tubos para las toberas
Cañon de fundente Aire
Punzones neumaticos Aire
Figura 5.5: Corte del convertidor Peirce-Smith de soplo lateral horizontal para
producir cobre blister de la mata(Biswas & Davenport, Metalúrgia
Extractiva, 1994).
5.2.8
REFINACION A FUEGO O ELECTROREFINACION A COBRE ULTRA FINO
Virtualmente todo el cobre blister producido por los procesos anteriores es
refinado electroquímicamente a catodos de cobre de alta pureza
(< 20ppm de impurezas indeseables), el cual se puede utilizar con fines
eléctricos. La electrorefinación requiere de anodos
delgados y fuertes para intercalar con catodos en las celdas de
refinación. Esos anodos son producidos a partir de cobre blister
por refinación a fuego para remover azufre y oxigeno. La electrorefinación
incluye: Disolución electroquímica del cobre desde el anodo impuro en un
electrolito CuSO 4-H2SO4-H2O; b. Electrodepositación del cobre puro en
un catodo de cobre o acero inoxidable. El cobre es típicamente
depositado sobre los catodos por siete a catorce días. Los
catodos son luego removidos desde la celda y lavados. a.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
71
-3 El electrolito es una solución acuosa de HSO4 (150 a 200 Kg m ) y
CuSO 4 (40-50 2 Kg m ). También contiene impurezas y cantidades trazas
de cloruro y agentes organicos agregados. Muchas impurezas del anodo
soninsolubles en el electrolito (Au, Pb, Pt, Sn) y ellos no interfieren con la
electrólisis. Ellos son recolectados en una planta de
recuperación. Otras impurezas como As, Bi, Fe, Ni y Sb son parcialmente
o totalmente solubles, ellos no se depositan electroquímicamente con el
cobre a bajo voltaje en la celda de electrorefinación, pero se deben
mantener bajos niveles en el electrolito para evitar contaminación
física del catodo. Esto se realiza por purgas continuas del electrolito. -3
5.3
PRODUCCION DE HIDROMETALURGICOS
COBRE
POR
MEDIOS
Aunque el cobre se encuentra mas frecuentemente en la forma de sulfuros,
también se encuentra en forma oxidada como carbonatos, óxidos, silicatos y
sulfatos. Estos materiales oxidados, cuando estan presentes en cantidad
suficiente en la mena, pueden ser reducidos pirometalúrgicamente a cobre
impuro en el alto horno, como
se hizo en el pasado. Sin embargo, las menas de óxido que se explotan en
la actualidad tienen una concentración muy baja de cobre para que se
utilice la reducción pirometalúrgica directa. Ademas, la
mayor parte de los minerales de óxido no pueden ser concentrados
eficientemente por flotación en espuma y, por consiguiente, se tratan
con mayor efectividad con técnicas hidrometalúrgicas, es decir,
por la lixiviación mediante acido sulfúrico seguida por la
precipitación o electrólisis del cobre de la solución. La
mena se prepara para la lixiviación quebrandola (por trituración
y molienda si es necesario) para exponer una superficie amplia que permita
laextracción eficiente. Después se pone en contacto con un
disolvente, casi siempre acido sulfúrico en medio acuoso, ya sea
por gravedad en terrenos grandes; por pilas de mena de baja ley o por
agitación mecanica en tinas o tanques (para menas de alta ley).
Las soluciones resultantes de la lixiviación son tratadas para recuperar
el c obre ya sea por precipitación, con hierro desechado (cementación)
o, en caso de soluciones de lixiviación concentradas (40 Kg/m 3 Cu2+)
por electrólisis. El cobre obtenido por cementación esta
contaminado con hierro y se vuelve a tratar normalmente en el horno de
fundición o convertidor de una fundidora de sulfuros común. El
cobre obtenido por separación por electrólisis se funde, se cuela
y se envía normalmente al mercado para usos no eléctricos. Las
técnicas hidrometalúrgicas para la extracción de cobre se
aplican principalmente a los minerales de cobre con oxígeno y a los
desechos de óxido y sulfuro de baja ley. La hidrometalúrgia
también se aplica en varios casos a la lixiviación por
agitación de minerales de sulfuro tostados. Aproximadamente se producen
900.000 toneladas de cobre al año por técnicas hidrometalúrgicas
que representan el 15% de la producción mundial de cobre a partir de
minerales. La lixiviación de desechos minerales mejora la eficacia con
la cual el cobre es obtenido de un mineral y por lo cual este proceso cada vez
tiene mas aceptación. Ademas, el problema de las emisiones
de SO2 de las fundidoras ha dado considerable impulso al estudio de
técnicas hidrometalúrgicas para eltratamiento de sulfuros. Un
importante avance tecnológico que ha causado un uso creciente de la
hidrometalurgia, ha sido el tratar las soluciones acidas de lixiviación
(con bajo contenido de cobre) mediante un proceso de extracción por
disolventes. Este proceso consiste en:
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
72
la extracción selectiva del cobre de soluciones diluidas de
lixiviación (1a 5 Kg de Cu / m3; 1a 10 Kg H2SO4 / m3) en una fase
organica; b. la separación del cobre de la fase organica
mediante una solución acuosa fuertemente acida (150 Kg H2SO4 /
m3), la cual absorbe los iones cobre en una alta concentra ción (30 a 50
Kg Cu / m3). En esta forma, la extracción con disolventes separa al
cobre de las impurezas de la solución de lixiviación original y
produce un electrolito apropiado para su separación directa como
catodos de alta pureza (99.9% de Cu), mediant e un proceso de
electrólisis. En la figura 5.6 se presentan tres diagramas de flujo
típicos hidrometalúrgicos.
a.
1 a 5 Kgm-3 H2 SO4 Ajuste agua - acido Pila o terreno de mena
Desperdicio de acero
Ajuste
pH 2.5
de acido
RECIRCULACION DEL LIXIVIANTE
Depósito de solución saturada (1-5 Kgm-3 Cu)
Cono de cementación
Bombas
Cobre cementado (90% de Cu, 1% de Fe, 9% de O)
A fundición y refinación
Figura 5.6.a: Lixiviación en terrenos, pilas o in situ;
recuperación de cobre por cementación (Biswas & Davenport,
Metalúrgia Extractiva, 1993).
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
73
1a 5 Kgm-3 H2 SO4
Pila o
Ajuste agua acido
terreno de mina pH 2.5 Extacción de cobre medriante disolvente
RECIRCULACION DEL LIXIVIANTE
Ajuste de acido
Depósito de solución saturada (1-5 Kgm-3 Cu)
Disolvente cargado
Disolvente estéril
Bombas
Agotamiento del electrolito Electrolito rico (40-50 Kgm -3 Cu, 140 H2 SO4 )
Electrolito gastado (10 Kgm-3 H2 SO4 , 25-30 Kgm -3 Cu) Celdas de
separación por electrólisis Catodo de Cobre (99.99% de Cu)
Figura 5.6.b: Lixiviación en terreros, pilas o in situ;
recuperación de cobre por extracciónmediante disolventes y
separación por electrólisis (Biswas & Davenport,
Metalúrgia Extractiva, 1993).
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
74
Lixiviante (50 a 100 Kg m-3 H2SO4)
Menas de óxidos, concentrados o calcinados Ajuste de acido (si es
necesario) Tanques o tinas de lixiviación Electrolito -3 (30 a 50 Kg m
Cu) Bombas Recirculación de electrolito agotado
Circuito de purificación
Residuo
Fe(OH)3 Impurezas
Celdas de electroobtención
Catodos 99.9% Cu
Figura 5.6.c: Lixiviación por agitación; recuperación de
cobre por separación por electrólisis (Biswas & Davenport,
Metalúrgia Extractiva, 1993).
5.3.1
LIXIVIACION : MINERALES Y REACTIVOS
El medio de lixiviación para minerales de cobre casi siempre es una
solución acuosa de acido sulfúrico. El amoníaco y
el acido clorhídrico se usan en dos o tres casos para minerales
de sulfuro Ni-Cu o mata y también han sido propuestos para concentrados
de cobre. El acidosulfúrico (en varias concentraciones) es con
mucho el reactivo mas común. Las ventajas principales del acido
sulfúrico son su bajo costo, su acción rapida sobre los
minerales de cobre que contienen oxígeno y el hecho de que es regenerado
cuando son lixiviados minerales de sulfato o sulfuro. Las fuentes principales
de cobre para la extracción hidrometalúrgica son los llamados
minerales de óxido, los mas importantes se muestran en la tabla
5.1. Otros minerales con oxígeno, menos comunes, son los óxidos y
fosfatos. Estos productos oxidados son los productos de la degradación
de los depósitos de sulfuro originales y en ellos siempre se encuentran
pequeñas cantidades de sulfuro de hierro y sulfuro de cobre. Los
minerales de sulfuro también son lixiviados con acido
sulfúrico para la extracción de cobre, pero el proceso es muy
lento. Esto ha restringido la lixiviación de sulfuros al tratamiento
prolongado de desechos minerales de óxidos y sulfuros por periodos de 3
a 30 años. No obstante, son extraídas grandes cantidades de cobre
mediante estas técnicas de lixiviación prolongadas (≈
300.000 toneladas en 1973) y su importancia como suministro de cobre va en aumento. Los
principales minerales de sulfuro encontrados en los
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
75
depósitos de lixiviación son la calcopirita (CuFeS2), calcosita
(Cu 2S) y pirita (FeS2). Los componentes de fierro de la mineralización
son importantes porque conducen a la formación de sulfato
férrico, el cual contribuye a la lixiviación de losminerales de
cobre. Tabla 5.1:Minerales de óxidos mas importantes. Tipo
Carbonatos Silicatos Sulfitos Minerales Comunes Azurita 2 CuCO3 Cu(OH)2
Malaquita CuCo 3 Cu(OH)2 Crisocola CuSiO3 2 H2O Antlerita 3 CuOSO 3 2H2O EEUU, Zaire
Chuquicamata La Exotica
Fuente: Biswas & Davenport, Metalúrgia Extractiva, 1994.
Localización Zaire, Zambia
5.3.2 •
PROCESOS QUIMICOS DE LA LIXIVIACION
OXIDOS Los minerales de cobre que contienen oxígeno son muy solubles en
acido sulfúrico diluido. La rapidez real de disolución
depende del tipo de lixiviación y de las condiciones de contacto, pero
los ciclos de lixiviación típicos para los minerales que
contienen oxígeno son 2 a 5 horas para concentrados finos con
lixiviación por agitación, 5 a 10 días para
partículas trituradas en la lixiviación en tanques y 100 a 180
días para la lixiviación en monticulos. Los factores que
favorecen que la rapidez de lixiviación aumente son la alta
concentración de acido (hasta 150 Kg H2SO4/m3), temperaturas
elevadas(hasta 60°C), grandes areas de contacto y, cuando es
posible, la buena agitación. • SULFUROS Los minerales de sulfuro
de cobre no son solubles en acido sulfúrico a menos que se tengan
condiciones oxidantes. Aun así, las reacciones de lixiviación
tienden a ser lentas si es que las condiciones oxidantes no son extremadamente
fuertes, como
las obtenidas con altas presiones de oxígeno.
5.3.3
LIXIVIACION DE SULFUROS MEDIANTE BACTERIAS
Las condiciones oxidantes para la lixiviación prolongada de minerales de
sulfuro (lixiviaciónen depósitos de los desechos minerales) son
proporcionadas por el aire atmosférico. Los mecanismos del proceso no se conocen bien, pero se sabe
que diversas bacterias autotrópicas(bacterias que no requieren materia
organica para su desarrollo) aceleran las reacciones de
lixiviación en algún grado. Se piensa que la bacteria activa es
la Thibacillus ferrooxidans la cual se alimenta de la reacción: Fe2+ Fe3+ (en solución)
Se cree que el proceso de lixiviación causado por bacterias tiene lugar como sigue:
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
76
a.
Los iones ferrosos pasan a la solución por la acción
química del acido sulfúrico y el oxígeno sobre los
minerales de sulfuro de fierro, por ejemplo CuFeS 2 + 4 O2 CuSO 4 + FeSO4 (en solución acuosa) (5.1)
b.
La Thibacillus ferrooxidans ataca químicamente los iones ferrosos para
formar iones férricos 2FeSO 4 + H2SO4 + ½ O2 Fe2(SO 4)3 + H2O (5.2)
Acción bacteriana
c.
Los iones férricos actúan como un lixiviante para los minerales
de sulfuro, por ejemplo Fe2(SO 4)3 + Cu2S + 2 O2 2 FeSO4 + 2 CuSO 4 o
bien, (5.4) (5.3)
Fe2(SO 4)3 + CuFeS 2 + 3 O2 + 2 H2O FeSO4 + CuSO4 +
FeSO4 o también, Fe2(SO 4)3 + FeS 2 + 3 O2 + 2 H2O 3 FeSO 4 + FeSO4
(5.5)
Los esquemas de reacción b) y c) entonces se vuelven cíclicos.
Todas estas reacciones pueden proceder sin la presencia de bacterias, pero las
encimas de la Thibacillus ferrooxidans catalizan la reacción (5.2) y
aceleran el proceso total de lixiviación. Se creyó que otrasbacterias
como la Thibacillus thiooxidans atacaban directamente los minerales de sulfuro
(como en la reacción 5.1) pero ahora hay pruebas de que los minerales de
cobre no son atacados directamente en esta forma, aun cuando el azufre
elemental y los sulfuros de hierro lo puedan ser. El hecho de que la
Thibacillus thiooxidans viva en un ambiente de sulfuro indica que contribuye en
alguna forma a la oxidación de los sulfuros, tal vez en las etapas de
oxidación intermedias del azufre, por ejemplo: S2O22- + ½O
2
S2O32-
S2O32- + 5/2 O2 2 SO 42La mayor parte de las aguas de minas de
sulfuro contiene bacterias autotrópicas activas. El uso de esta agua
mineral para las soluciones de lixiviación (con H SO4 diluido), 2
automaticamente proporciona los cultivos iniciales de bacteria para los
sistemas de lixiviación. Para una acción bacteriana
óptima, la lixiviación se debe llevar a cabo en condiciones donde
la bacteria prospere y éstas son: a. b. c. d. Un pH entre 1.5 y 3.5;
Temperaturas entre 25 y 40°C; Un suministro adecuado de oxígeno
(obtenido por aireación de las soluciones y drenado periódico de
la pila de mineral); Evitar la exposición de las soluciones a la luz
solar.
PRODUCTOS DERIVADOS DE
MINERALES METALICOS: COBRE
77
Ademas, es determinante el buen contacto del lixiviante (y sus bacterias) con los
sólidos para obtener una rapida lixiviación. El contacto
se puede mejorar en algún grado si se agrega un humectante a la
solución de lixiviación. Se puede observar que el comportamiento
cíclico de lasreacciones (5.2) y (5.4) o (5.5) genera H2SO4 y iones
fierro. La generación de H2SO4 compensa las pérdidas de
acido en los materiales de la ganga. Por lo que el aumento de
acido es útil. Sin embargo, las soluciones de lixiviación
se saturaran en algún momento con el sulfato férrico que
precipitara como
sulfato férrico basico o jerosita en los depósitos de
lixiviación. En algunos casos, el precipitado puede impedir el
escurrimiento del
lixiviante a través de la pila de la mena. Este problema se puede
resolver en parte, si se pasa, ocasionalmente, una solución reductora
(por ejemplo, bisulfito de sodio) a través de los montículos
depositados.
5.3.4
METODOS DE LIXIVIACION
Los métodos de lixiviación mas comunes que se utilizan en
la extracción hidrometalúrgica del cobre son: a. b. c. d.
Lixiviación in situ Lixiviación en terrenos y pilas
Lixiviación en tanque Lixiviación por agitación En la
tabla 5.2 se dan los detalles de producción característicos de
estos tipos de platas. La lixiviación in situ, en terrenos y pilas es
escencialmente la misma técnica. La mena o mineral se tritura para
exponer los minerales de cobre en las interfases de fractura generalmente
débiles; y el lixiviante (soluciones diluidas de acido
sulfúrico que por lo general contienen bacterias) escurre por gravedad
entre las piezas de mena. Las condiciones especiales para los tres
métodos son una base impermeable (natural y artificial) en la que puedan
recolectarse las soluciones de lixiviación saturadas; y una roca
huésped que no consumacantidades fuera de lo ordinario de acido
sulfúrico. Las características de cada método son (figura
5.7):
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
78
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
79
a) Lixiviación de superficie en terreno, pilas e in situ
b) Lixiviación in situ de labo res de mina vieja
c) Lixiviación in situ de depósito subterraneo fracturado
Figura 5.7: Esquemas de varios tipos de sistemas industriales de
lixiviación en terreros, pilas e in situ (Biswas & Davenport,
Metalúrgia Extractiva, 1993).
a.
La lixiviación in situ implica el rompimiento de la mena in situ con
explosivos sin que la mena sea extraída por los métodos
mas usados en las minas. Esto puede hacerse en depósitos
superficiales de baja ley o minas subterraneas ya trabajadas. Una
técnica que ha tenido aceptación es la fractura de roca
subterranea bajo presión hidraulica.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
80
La lixiviación en terreros se aplica a los desechos con bajo contenido
de cobre provenientes de los métodos comunes de explotación,
generalmente operaciones a cielo abierto. La roca se amontona en grandes
depósitos (millones de toneladas) y el lixiviante se distribuye
periódicamente sobre la superficie para que escurra a través del depósito. La
mayor parte del
cobre lixiviado en los terreros proviene de minerales sulfurados para lo cual
es necesario el oxígeno (ecuaciones 5.1 y 5.5). El oxígeno es
suministrado entre las aplicaciones periódicas de lixiviante (≈mensualmente)
de modo que el aire suba a través de los depósitos. c. La
lixiviación en pilas es exactamente lo mismo que la lixiviación
en terreros sólo que los depósitos de mineral oxidado
superficiales, a diferencia de los desechos de mina, se parten y apilan en
montones de 100.000 a 500.000 toneladas. Los materiales sólidos en los
montones son algo mas pequeños que los de los depósitos
(es decir, alrededor de –10 cm) y la lixiviación es continua y
considerablemente mas rapida. El cobre obtenido de los minerales
de sulfuro que suele estar en los montones es poco, debido a los tiempos de
lixiviación cortos (100 a 180 días). En los tres casos, la
solución de lixiviación concentrada tiene poco cobre (1 a 5
Kg/m3) y, por tanto, el proceso posterior es la cementación del cobre de
la solución con chatarra de acero o la extracción con disolventes
del cobre para la precipitación del electrolito. Después de la
eliminación del
cobre, las soluciones se saturan con acido sulfúrico para
compensar las pérdidas en la roca huésped y son devueltas al
sistema de distribución para continuar la lixiviación. Las
adiciones de acido normalmente no son necesarias para lixiviación
de desechos en depósitos porque las reacciones mismas reabastecen el
lixiviante (ecuaciones 5.4 y 5.5). Los caudales de aplicación de lixiviante
son 3 del
orden de 0.01 a 0.05 para depósitos in situ y 0.1 a 0.5 m de lixiviante
por día/m2 de superficie horizontal (pilas).
b.
5.3.5
LIXIVIACION EN TANQUE DE MENAS DE COBRE OXIDADAS
La lixiviación entanques de los minerales de cobre que contienen
oxígeno, (1 a 2% de Cu) se realiza para producir directamente una
solución de lixiviación concentrada, con el suficiente cobre para
la separación por electrólisis (30 a 50 Kg de Cu/m3). Comparada
con la lixiviación in situ, en terreros y pilas, éste es un
método de alto nivel de producción que emplea acido
sulfúrico concentrado. La lixiviación en tanque incluye mineral
triturado (-1 cm) con soluciones de 50 a 100 Kg de H2SO4/m3 en grandes tanques
rectangulares (ejemplo de dimensiones: 25 m de largo, 15 m de ancho, 6 m de
profundidad, apropiados para 3.000 a 5.000 toneladas de mineral). La
lixiviación normalmente tiene lugar en una secuencia de cuatro a siete
ciclos de llenado y desagüe. Las soluciones concentradas de las primeras
dos a tres operaciones de llenado se usan como
electrolitos (que estan mas diluidas en cobre) se vuelven a usar
para lixiviar los lotes nuevos de mineral. La lixiviación continua en
tanque mediante la cual el lixiviante fluye sin interrupción a
través del
mineral en una serie de tanques, se practica en la actualidad en varias
instalaciones. El ejemplo mas importante de lixiviación en tanque
ha sido la planta de Chuquicamata, la cual recupera hasta 150.000 toneladas de
cobre en solución por año a partir de minerales de sulfito (por
ejemplo, antlerita 3 CuO SO3 2H2O). Gran
parte del mineral de sulfito de Chuquicamata
actualmente esta agotado y la planta de lixiviación ahora se usa para tratar
el mineral de óxido de la Exótica. Infortunadamente,el mineral de
La Exótica no es tan apropiado para la lixiviación en tanques como los sulfitos de
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
81
Chuquicamata y se deben buscar otros métodos de lixiviación, en
particular la lixiviación por agitación, seguida por
extracción con disolventes.
5.3.6
LIXIVIACION POR AGITACION DE CONCENTRADOS OXIDADOS
La lixiviación por agitación es la lixiviación
rapida de partículas finas (normalmente 90% - 75 µm) de
concentrados de cobre oxidados o productos calcinados, provenientes del tostador, en
soluciones concentradas de acido (50 a 100 Kg de H2 SO4/m3). Mientras
que la lixiviación in situ, pilas y terreros toma años y la que
se realiza en tanques toma días, la lixiviación por
agitación toma de 2 a 5 horas. Las razones para esta rapida velocidad
de lixiviación son: El tamaño de las partículas
sólidas. La rapida saturación de la solución de
lixiviación de la superficie de mineral como resultado de la agitación
vigorosa. Los minerales de sulfuros no son lixiviados durante el corto contacto
proporcionado por la lixiviación por agitación. Por lo general,
la lixiviación tiene lugar continuamente en una serie de tres o cuatro
tanques (volumen 50 a 200 m3), el aire o medios mecanicos proporcionan
la agitación. La lixiviación de minerales que contienen
oxígeno es un proceso relativamente simple debido a su alta solubilidad
en H2SO4. Parece que las únicas precauciones necesarias para obtener
extracciones de mas de 95% son: a. b. c. Molienda fina de los
sólidos.Concentración de acido moderadamente alta en el comienzo
y terminación del
ciclo de lixiviación. Agitación adecuada. a. b.
5.3.7
LIXIVIACION TOSTADOR
DE
PRODUCTOS
CALCINADOS
PROVENIENTES
DEL
Las ventajas de lixiviación de concentrados de sulfuro de cobre tostados
son: a. Los productos del tostador contienen sulfatos o sulfa tos basicos,
los cuales proporcionan acido al sistema de lixiviación para
procesar en forma simultanea menas oxidadas de cobre o concentrados, es
decir, el acido es suministrado por la reacción total: CuSO4 (en
solución) + H2O
Cu° + ½ O
2
+ H2SO4
extracción por electrólisis
El acido sulfúrico puede ser producido a partir de los gases del
tostador para otras operaciones de lixiviación. La ventaja a) se explota
combinando la lixiviación del
producto calcinado con la lixiviación de menas de óxido o
concentrados. Todas las plantas de lixiviación de productos calcinados
existentes siguen esta practica. Los productos calcinados provenientes del
b.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
82
tostador se lixivian muy facilmente; pueden ser intercalados en el
circuito de lixiviación en cualquier punto. Una limitación del proceso es el equilibrio entre el sulfato agregado en
los productos calcinados del
tostador y las pérdidas de acido sulfúrico en la ganga de
óxido. Un exceso de sulfato dara por resultado un circuito cada
vez mas acídico, el cual puede requerir, con el tiempo,
neutralización, mientras que si hace falta sulfato se necesitaagregar
acido sulfúrico. La practica normal es evitar la etapa de
neutralización, operando con una ligera deficiencia de sulfato.
5.3.8
ANALISIS DE LOS METODOS DE LIXIVIACION
En las secciones precedentes se ha demostrado que la selección del método de lixiviación depende del tipo y grado del
material que esta por ser lixiviado. En general, las menas de sulfuro
requieren lixiviaciones a largo plazo, las cuales son proporcionadas por la
lixiviación en terreros o in situ, mientras que las menas de
óxido pueden ser tratadas por todos los métodos de
lixiviación. Los costos de capital y operación de la
lixiviación en terreros, in situ y pilas son bajos y, por lo tanto,
estos métodos pueden ser usados para tratar materiales de baja ley. Sin
embargo, la lixiviación en tanque y por agitación son mas
costosas y generalmente estan restringidas a las menas de alto grado o
concentrados. Con anterioridad al desarrollo de la extracción mediante
disolventes, los únicos métodos para producir electrolitos fueron
la lixiviación en tanque y la lixiviación por agitación.
Sin embargo, la extracción mediante disolventes puede usarse ahora para
producir electrolitos a partir de soluciones de lixiviación diluidas, lo
que favorece un creciente uso de la lixiviación en pilas, terreros e in
situ.
5.4
ANALISIS AMBIENTAL DE LA INDUSTRIA MINERA DEL COBRE EN CHILE
La tecnología limpia propende al uso de una tecnología no
contaminante; minimizando el consumo de energía y materias primas; y
maximizando el bienestar del
serhumano, su sociedad y entorno. La tecnología actual del
cobre en Chile
dista de ser una tecnología limpia, por lo cual, plantea el desafío
de la innovación tecnológica para el desarrollo de procesos no
contaminantes. Sin embargo, mientras no alcancemos tal nivel de desarrollo, se
debe considerar la aplicación de la mejor tecnología disponible
al tratamiento de los efluentes industriales. La industria minera del cobre en
Chile es sin duda un proceso productivo de gran escala, con una amplia
cobertura geografica que abarca la zona central y norte del país;
y que por las características de sus procesos, genera efluentes de todo
tipo, incluyendo aguas de desecho, lodos, residuos sólidos y emisiones
gaseosas. Las dos vías tecnológicas productivas principales
incluyen: a. El tratamiento de los minerales sulfurados por procesos combinados
de flotaciónfundición-electrorefinación, que conduce a
cobre refinado y blister.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
83
b.
El tratamiento de minerales oxidados y sulfurados secundarios por procesos de
lixiviación en pila-extracción por
solventes-electrobtención, que produce catodos de EW.
5.4.1
EFLUENTES Y CONTAMINANTES
Para visualizar un proceso en todas sus etapas y simultaneamente sus
efluentes con impacto ambiental, se pueden apreciar las figuras 5.8 y 5.9, los
cuales nos muestran las dos vías principales de tratamiento de minerales
de la industria minera del cobre en Chile. En estas
figuras las etapas de proceso se representan con rectangulos
rectos,mientras que los desechos se representan con rectangulos con
esquinas redondeadas.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
84
Agua Fresca
Faena de mina
Drenaje Acido de Mina
Conminución
Estéril y Mineral de Baja ley
Agua de desecho
Flotación
Lodos (Colas)
Tanque de Relaves
Espesamiento
Agua de Desecho
Lodos
Filtración
Escorias
Acido Sulfúrico
Planta Acido (Captura de SO2 )
Fusión/ Conversión
Refinación Electrolítica
Agua Acido de Desecho
ACIDO SULFURICO
Agua Acido de Desecho
COBRE BLISTER CONCENTRADO DE COBRE
CATODOS DE COBRE
Lodos Electrlíticos
Figura 5.8: Diagrama de procesos y desechos para la vía de tratamiento
de minerales sulfurados pilas e in situ (Minería Chilena, Diciembre
1998).
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
85
Drenaje Acido de Mina
Filtración
Chancado
Acido Sulfúrico
Aglomeración
Lixiviación Emulsión Organico/Agua Extracción por
Solvente Lodos de Clarificador Planta SX
Ripios
Drenaje Acido
Solución de Refino
Lodos Electroobtención
Electroobtención
Neblina Acida
Catodos de Cobre
Figura 5.9: Diagrama de procesos y desechos para la vía de tratamiento
de minerales oxidados y sulfuros secundarios sulfurados pilas e in situ
(Minería Chilena, Diciembre 1998).
5.4.2
ESTIMACION DE EFLUENTES
a. Analisis de residuos sólidos, líquidos y pulpas. La
producción de cobre fino durante 1997 fue de 3.392.000 toneladas, con
una distribución porcentual decatodos de SX -EW de 25.97%; otros
productos refinados 36.43%; cobre blister 4.54% y concentrados 33.06%, figura
5.10. Según una aplicación de indicadores que vinculan la
generación de residuos y desechos sólidos, a la producción
total de cobre en 1997 (Ministerio de Minería, 1997), se puede estimar
una generación anual de desechos sólidos de alrededor de 224
millones de
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
86
toneladas de relaves; 193 millones de toneladas de ripios de
lixiviación; 2.7 millones de toneladas de escorias de fundición;
1.187 millones de toneladas de estéril de mina; y 475 millones de
toneladas de minerales de baja ley. Referente a residuos industriales
líquidos y lodo de la industria minera del cobre, se estima que
diariamente se producirían alrededor de 1 millón de metros
cúbicos de pulpa de relaves, y alrededor de 0.86-2.6 metros
cúbicos por día de aguas de rebalse de tanques de relaves por
tonelada de mineral de cobre tratado por flotación. b. Analisis de
emisiones gaseosas. En las 7 fundiciones existentes en el país se tratan
diariamente alrededor de 13.500 toneladas de concentrado de Cu, con una
razón S/Cu de alrededor de 1/1 y una ley promedio de cobre de 30%. Una
primera estimación global revela que alrededor de 4.450 toneladas de
azufre pasarían a formar alrededor de 8.900 toneladas de
anhídrido sulfuroso, constituyendo así el principal contaminante
presente en los gases de fundición. En ciertas plantas los concentrados de
cobre contienen impurezas de arsénico, el queen la etapa de
fundición genera compuestos volatiles de arsénico que se
incorporan a las emisiones gaseosas, constituyendo otro contaminante peligroso
para la salud humana. Uno de los instrumentos claves de protección del
medio ambiente y la salud humana contemplados en la ley 19.300 “ Sobre
bases generales del medio Ambiente”, promulgada en Marzo de 1994, ha sido
la puesta en marcha de planes de descontaminación, que fueron aplicados
a diversas fundiciones para abatir el SO2 gaseoso mediante la
instalación de plantas de acido sulfúrico. Así, las
dos mas grandes fundiciones de Codelco, Chuquicamata y Caletones de El
Teniente, han implementado plantas de acido sulfúrico, en acuerdo
con sus planes de descontaminación. La última en materializar
este compromiso sera la fundición de Potrerillos de
División El Salvador,
cuya primera planta de acido se encuentra en construcción y
prevé su puesta en marcha para junio de este año. En forma
similar, las fundiciones de ENAMI, Paipote y Ventana, así como también
Chagres de Cía. Minera Disputada de las Condes y Alto Norte, cuentan
también con plantas de acido sulfúrico. Así, las
fundiciones de mayor capacidad han requerido la construcción secuencial
de varias plantas de acido, avanzando en conseguir un mejor nivel de
abatimiento del
anhídrido sulfuroso. En la actualidad algunas de ellas han alcanzado una
eficiencia de abatimiento de SO 2 de alrededor de 95%, pero en otras este
indicador es aún bastante menor. De esta manera, el tratamiento de los
gases de fundición en Chileha sido un ejemplo exitoso de la
aplicación de una tecnología de abatimiento de
contaminantes(SO2), para convertir una impureza con impacto ambiental en un
producto con valor agregado. En efecto, la introducción al mercado
nacional de acido sulfúrico de bajo costo, ha permitido un
desarrollo creciente de la hidrometalúrgia, siendo la tecnología
preferida por la mayoría de los nuevos proyectos cupríferos por
sus claras ventajas en costos de producción. Concluyendo, se presenta a
continuación en la tabla 5.3, un resumen con las principales
tecnologías de abatimiento usadas en Chile y la composición en
términos de contaminantes presentes en los distintos efluentes, tanto en
líquidos, gases, pulpas y sólidos. Se muestra ademas los
productos obtenidos y su eventual confinamiento, así también, como en la figura 5.11
podemos apreciar los distintos tipos de efluentes.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
87
Tabla 5.3: Clasificación de los efluentes minero-metalúrgicos,
sus contaminantes y tecnologías de tratamiento mas frecuentes.
Efluente Contaminantes Tecnología Tratamientos de Producto resultante
H2SO4 oxidos y sulfuros As
Destino proceso
Proc.hidromet. Lixiv/precipit. arsenato de fierro
Confinamiento
Gases de fundición
SO 2 gaseoso Compuestos volatiles de As
Planta de acido sulfúrico Precipitación
electrostatica
Arsenato de fierro/calcio en pozos sellados
Precipitación electrostatica Neutralización con cal
Oxidos y sulfuros As Precipitado hidróxidos
Lixiv/precipitarsenato de alcio Secador solar
Relaves de flotación
Aguas drenaje de mina Cu
H + Fe 2+ / Fe 3 +
2 + Metales
Botaderos
pesados
Cementación con chatarra Fe Cemento Cu° Biotratamiento Precipitados
SX-EW Relaves Flotación Sulfatos, molibdatos, arsenatos organicos,
sólidos disp. Disposición en estranque de relave
Cemento de cobre Residuos Separación S/L Catodos de cobre
Sólidos y residuos
Mercado Secado solar Mercado Estanque de relaves
---Botadero ---Tranque seco
Aguas de desecho
H + SO4 2- MO4 2AsO 4 3- metales pesad. organicos
Neutralización, precipitaci n, ó recirculación,
adsorción, etc Disposición
Precipitados y residuos
Secado solar, separación sólido líquido
Botadero, Tranque de relaves
Estéril de mina
Polvo y residuos sólidos Potencial aporte metales pesados y
acido. De bajo impacto
Depósitos
No tiene
Botadero
Minerales de baja ley
Disposición
Depósitos
Potencial aprovechamiento metalúrgico Potencial aprovechamiento
metalúrgico Potencial aprovechamiento metalúrgico
Botadero
Escorias
Disposición
Depósitos
Botadero
Ripios de lixiviación
H +, Met. Pesados, polvo y residuos sol.
Disposición
Depósitos
Botadero
Fuente: Minería Chilena, Diciembre 1998.
PRODUCTOS DERIVADOS DE
MINERALES METALICOS: COBRE
88
Cobre Blister 5% Otros productos refinados 36% Catodos SX-EW 26%
Concentrados 33%
Figura 5.10: Distribución porcentual de productos de cobre en Chile durante
1997 (Minería Chilena, Diciembre1998).
Aguas de drenaje de Minas
Emisiones gaseosas de Fundición Aguas de desecho tranque s de relaves y
Procesos
Escorias de Fundición
Relaves de Flotación
Minerales de baja ley
Estéril de Mina Ripios de Lixiviación
Figura 5.11: Representación esquematica de los tipos de efluentes
de la industria minero-metalurgica del cobre (Minería Chilena, Diciembre
de 1998).
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
89
5.4.3
EL PROBLEMA DEL AZUFRE Y POSIBLES SOLUCIONES
Mas del 90% del cobre del mundo se obtiene de los minerales de sulfuro
de manera que el azufre es en alguna forma un subproducto de la mayor parte del
procesamiento del cobre. Ademas, la mayor parte del azufre son
emanaciones de SO 2 gaseoso, el cual es dañino para la flora y la fauna,
aún si esta presente en el aire en cantidades limitadas. En la
figura 5.12 se muestran algunos efectos del
SO 2. En pocas palabras un concentrado de CuFeS2 produce casi una tonelada de
azufre (2 toneladas de SO2) por tonelada de cobre extraído. En el pasado
y aún ahora, el SO2 se ha descargado directamente a la atmósfera,
pero ésta practica ahora esta prohibida en muchas zonas del mundo. Las normas
para la limpieza del aire varían de
país a país, pero los requerimientos representativos para
controlar las emisiones de las fundidoras de cobre son: No mas del 10% del
azufre que entra a la fundidora puede ser arrojado a la atmósfera. b. El
contenido anual promedio de SO 2 en cualquier parte de la Tierra no debe
exceder 0.03 ppm (en volumen).c. El contenido promedio de SO2 en cualquier
parte en cualquier día no debe exceder 0.14 ppm. Ha habido una tendencia
a construir chimeneas cada vez mas altas las cuales posiblemente pueden
cumplir con los criterios b) y c), pero no cumplen con a). La fundición
de cobre se enfrenta con dos principales problemas: Como captar la mayor parte
del SO2 y fijar el azufre en una forma útil y apropiada (por ejemplo,
azufre elemental, SO 2, líquido o acido sulfúrico) b. Que
hacer con el producto. Este último problema surge de la situación
de que existen mas subproductos de azufre (en todas formas) producidos
por las industrias del
carbón, petróleo, gas natural y metalúrgica que el que
puede ser usado con fines industriales o agrícolas. Las técnicas
hidrometalúrgicas de extracción de cobre a partir de minerales
sulfurados evitan el problema de la emisión de SO2. Sin embargo, el
azufre entra generalmente a las soluciones de lixiviación como sulfatos (u otros aniones de oxi -sulfuro), los
cuales deben ser eliminados para evitar la contaminación del agua. Los procesos
hidrometalúrgicos que producen directamente azufre elemental estan
en investigación y éstos podrían probar que son
útiles en el futuro. a. a.
5.4.3.1 LA FIJACION DEL SO2 El SO2 (y otros compuestos oxi -sulfuro) pueden ser
fijados mediante tres técnicas basicas: Reducción a azufre
elemental; Obtención de acido sulfúrico (o SO 2
líquido); Obtención directa de sulfato de amonio (fertilizante)
lixiviación amoniacales. Todos estos productos son apropiados parausarse
agricultura, pero solamente el azufre elemental sólido se puede a largo
plazo, posiblemente en canteras o minas en explotación. a. b. c.
a partir de soluciones de en la industria o en la almacenar con bajos costos Se
ha recomendado que los
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
90
gases de SO2 o las soluciones de sulfato deben ser tratadas con roca caliza o
dolomita para formar CaSO4 o MgSO4, pero estos productos tienen un mercado
limitado y su estabilidad a largo plazo no es segura.
10 años
36% de cultivos dañados Daño de la vegetación
1 año
Retardo en el crecimiento clorosis del pino blanco 89% de cultivos
dañados Caída prematura de las hojas mas viejas de alfalfa
1 mes
50% de hojas de alfalfa dañadas
Tiempo de exposición
4 días 1 día 8h
Daño severo a las hoajs de arboles y arbustos
1h
Señales de daño en las hojas de alfalfa
5 min
30s
No se ha determinado el grado de daño a la vegetación
3s 0.01 0.02 0.05 0.10 0.2 0.5 1.0 2.0
Dióxido de az ufre, ppm
Figura 5.12: Efecto de los gases portadores de SO2 sobre la
vegetación(los efectos dañinos aumentan al incrementarse la
concentración de SO2 y el tiempo de exposición), (Biswas &
Davenport, Metalúrgia Extractiva, 1993).
En la tabla 5.4 se bosquejan las técnicas para los tres procesos
aceptables de fijación de azufre anteriores, así mismo, se
señalan las c oncentraciones de SO2 necesarias y los efluentes
probables. Los métodos para eliminar el SO2 de los gases de
fundición en forma deacido sulfúrico o azufre elemental se
aplican en las siguientes secciones.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
91
Tabla 5.4: Resumen de los principales procesos fijadores de azufre
Proceso Descripción Concentración de SO 2 Requerida en el gas de
salida(% en vol.)
Normalmente 5%, pero una planta ha operado a 2.2% ± 0.1%
SO2 remanente en el gas después del
tratamiento(% ppm en vol.)
a) Planta de contacto simple: 0.20%(2000 ppm) Planta de contacto
múltiple: 0.08% (800 ppm) b) con neutralización de descarga:
0.01% (100 ppm) 1%
Acido sulfúrico
En el “Proceso de contacto”, el SO2 es oxidado
catalíticamente a SO3 y éste es absorvido en H2 SO4 con lo cual
se tiene un acido de mayor concentración.
b) c)
Azufre elemetal
Reducción de SO2 con hidrocarburo gaseoso (CH ) o 4 carbón
mas reacción Claus de H2 S con SO2. Evaporación de
soluciones de sulfato de amonio agotada en metal(aplicable industrialmente en
este tiempo sólo a menas de sulfuro CuNi, pero el proceso Arbiter puede
usar este método).
10%
Producción directa de NH4SO4 a partir de soluciones de
lixiviación de sulfuros.
No se dan los niveles de SO2 en los gases del evaporador. Los líquidos estan
en circulación en circuito cerrado.
Fuente: Biswas & Davenport, Metalúrgia Extractiva, 1993.
5.4.3.2 OBTENCION DE ACIDO SULFURICO El método mas común
para fijar azufre a partir de los gases de SO 2 es la producción de
acido sulfúrico. Mientras los gases contengan 4% de SO 2 o
mas se pueden usar para obtener acidosulfúrico por el
proceso estandar de contacto. El proceso de obtención de
acido consiste en cuatro etapas basicas: a. Purificación del
gas. Los polvos son removidos por precipitación electrostatica y
se elimina la humedad mediante un lavado con acido sulfúrico
diluido (150°C). Conversión. El SO2 se oxida con el contacto de un
catalizador (generalmente VO5) 2 para dar a SO3 por la reacción
exotérmica. 2 SO2 + O2
b.
2 SO3
La transformación normalmente es de casi 99.6% a 450 °C. Los gases
son muy diluidos, requieren un calentamiento previo a esta etapa. c.
Absorción. El SO2 es absorbido en H2SO4 al 99% (el resto es agua) para
producir H2SO4 de 99.6%. El hierro vaciado y los aceros aleados no se corroen a
estos altos niveles de acido, lo cual simplifica el bombeo y
recirculación. El control de las
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
92
concentraciones de acido se realiza automaticamente empleando la
conductividad eléctrica como
parametro de control. d. Dilución. El H2SO4 de 99.6% es sangrado del sistema de absorción y diluido con agua hasta
un H2SO4 de 93%, el cual es el producto usual del mercado (el H SO4 de 2 93% tiene una
temperatura de solidificación particularmente baja (-37°C) comparada
con 10°C para el H 2SO4 de 99.6%).
Los gases que dejan la torre de absorción contienen neblina de H SO4, la
cual debe 2 eliminarse con un precipitador electrostatico.
Ademas, los gases contienen hasta 0.2% de SO2 (0.1% con un convertidor
de etapas múltiples). Estas últimas trazas de SO2 deben
serlavadas con una solución acuosa o basica, por lo tant o, este
azufre no se fija de una manera muy satisfactoria. Sin embargo, el contenido de
SO 2 en los gases que salen del horno se reduce hasta menos de 0.01%, lo cual
significa que se ha eliminado mas del 99% de los gases de entrada a la
planta de acido. En la figura 5.13 se representa el diagrama de flujo
para una planta de acido para el tratamiento de gases de bajas concentraciones
de SO 2 (≈ 5%).
Precipitadores electrostaticos Caldera de calor residual Gases de horno
de reverbero (2% de SO2 , 1200°C) Enfriador de agua
35 0°
Refrigerador de 1100 Kw
Precipitador electrostatico
40°C 20°C Intercambiadores de calor de coraza y tubo de grafito H2 O +
polvo Secador de rocío de acido sulfúrico 0.01% de SO2
Polvo (reciclado o fundición)
Precalentador calentado por combustible
Oxidantes catalíticos(V2 O6 ) 2 SO2 + O2 2 SO3
Lavador de gas Precipitador con lechada de cal de neblina
CaSO4 450 °C 99% de H2SO4 H2SO4 diluido Torre de absorción H2SO4
(99.6%) Chimenea
Figura 5.13: Diagrama de flujo de una planta de acido sulfúrico
para el tratamiento de gases de baja concentración de SO2 (Biswas &
Davenport, Metalúrgia Extractiva, 1993).
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
93
5.4.3.3 OBTENCION DE AZUFRE Aunque existe un gran mercado para el acido
sulfúrico, puede decirse que si los gases de todas las fundiciones
fueran hechos acido habría un grave problema de almacenamiento.
Una solución útil en este caso puede ser laobtención de
azufre elemental, el cual tiene características de almacenamiento
permanente extremadamente buenas. La producción de azufre elemental
tiene lugar tiene en tres etapas principales como podemos apreciar en el figura 5.14. a.
b. Purificación del gas: similar a la obtención de acido
sulfúrico (150°C). Reducción catalítica del SO 2 con hidrocarburos (gas natural o carbón)
mediante reacciones de este tipo (500°C): 4 CH4 + 6 SO2
4 CO2 + 4 H2O + 4 H2S + S 2(g)
El azufre elemental líquido (30 a 40% del que hay en el gas original) se condensa
en este punto si la temperatura de los gases baja a 170°C. Reacción
catalítica Claus: (una o dos etapas) en la cual se produce azufre
elemental a partir del
SO2 remanente (240°C), y luego se condensa por enfriamiento. Se estima que
alrededor del 90% del azufre se fija de esta manera, lo cual
significa que, con el tiempo, el proceso tendra que ser mejorado. La
tecnología de la planta Claus representa un avance en las industrias del gas natural y del
petróleo; se dispone de procesos mediante los cuales los compuestos de
azufre sin reaccionar: Se reducen a H2S; Son absorbidos por soluciones de
carbonato de sodio; Se oxidan a azufre elemental por vanadato de sodio. Se
estima que mediante estas técnicas, la concentración de SO 2
puede ser llevada hasta un 0.03%. Del
analisis anterior se puede observar que el azufre elemental puede ser
producido a partir de los SO2 de las fundiciones. Con la tecnología
presente se estima que un gas SO2 de alimentación con
unaconcentración de 5% o mas puede ser tratado con resultados
satisfactorios. Regularmente hay muy pocas plantas, en todo el mundo, que
producen azufre elemental a partir de gases portadores de SO2. Esto se debe a que
se necesita gran cantidad de energía (combustible de hidrocarburos) para
la reducción del
SO 2 y la suficiente demanda actual en cuanto al acido sulfúrico.
a. b. c. c.
Caldera de calor residual Gases provenientes de la fundición 10-15% de
SO2 (1000°C)
Prcipitadores electrostaticos
Polvo (reciclado a fundición) Enfriador y secador con lluvia de
acido
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
94
Figura 5.14: Diagrama de flujo para la recuperación de azufre elemental
a partir de fundición (Biswas & Davenport, Metalúrgia
Extractiva, 1993).
5.4.3.4 CONCENTRACIONES DE SO2 EN LOS GASES DE FUNDICION La
concentración de SO2 en los gases que entran a una planta de
acido sulfúrico o de azufre elemental determina la cantidad de
gas que debe ser tratado por tonelada de azufre fijado. El tamaño de la
planta y el costo de la fijación de azufre se incrementa cuando
disminuye la concentración de SO 2. Ademas, existen
concentraciones de SO2 mínimas que pueden ser tratadas sin nececidad de
agregar etapas a la planta. Por ejemplo, las plantas de contacto
estandar para acido sulfúrico pueden tratar gases que
contengan 5% de SO 2, pero gases con SO 2 mas diluido requieren etapas
de refrigeración, calentamiento, transformación y absorción
para que sea eficiente la fijación de azufre. La tabla 5.5 indicalas
concentraciones de SO 2 en los gases de salida de varios procesos de
fundición. Se puede observar que el único proceso de
fundición que produce gas con menos de 4 ó 5% de SO 2 necesario
para las plantas de contacto estandar para acido sulfúrico
(o de azufre elemental) es el horno de reverbero. El convertidor también
crea algunos problemas porque alrededor de un 30% de su tiempo de
operación se consume en cargarlo y vaciarlo; durante este tiempo nada de
SO2 se entrega a la planta de fijación de
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
95
azufre. Sin embargo, la mayor parte de las fundiciones tienen mas de un
convertidor en operación de manera que la propagación adecuada
reduce el suministro discontinuo de SO2. Ademas, los diseños de
las plantas de acido incluyen ahora instalaciones y controles de
calentamiento auxiliares que permiten interrupciones temporales en el
suministro de SO 2. El horno de reverbero es el principal problema en la
fijación de azufre. Se ha demostrado que el enriquecimiento con
oxígeno en el sistema de combustión, ademas del control del
tiro y la reducción de la infiltración de aire pueden dar
resultados satisfactorios para llevar la concentración de SO2 en los
gases de reverbero hasta un 2.2%. Este gas ha sido tratado con buenos
resultados en una planta de contacto modificada para acido, pero parece
que no es redituable el proceso. Otra importante dificultad en la
fundición es el escape del
gas SO2 dentro de la misma fundición, lo cual no solamente significa
riego en eltrabajo, sino que también causa que el SO 2 sea arrojado a la
atmósfera. La cantidad real de azufre arrojado en esta forma no es
grande (alrededor del 1 ó 2% del azufre total), pero como
se arroja a nivel del
suelo puede causar daño en el vecindario cercano a la fundición.
Las fugas internas provienen de: Infiltraciones a través de
bóvedas y paredes laterales refractarias de los hornos de
fundición, mal unidas; b. Emisiones durante el sangrado de la mata y su
transporte entre los hornos de fundición y los convertidores; c.
Emisiones cuando el convertidor gira hacia las posiciones de carga o vaciado.
Durante este tiempo, las toberas estan operando y se esta
produciendo SO2, pero la boca del
convertidor esta fuera de la camp ana de colección de gas. Las
fugas de horno de fundición y las emisiones de convertidor son las
fuentes mas importantes de SO2 y pueden ser al menos parcialmente
resueltos: Sellando herméticamente el horno de fundición y
operando a una presión ligeramente negativa (por ejemplo, la
atmósfera que rodea al horno de fundición instantanea INCO
revestido de acero no contiene SO 2), b. Manteniendo un fuerte tiro en las
campanas de colección de gas arriba del convertidor o, posiblemente,
usando el coonvertidor de tipo sifón Hoboken. Si los procesos de
fabricación continua de cobre mediante los cuales se lleva a cabo la
obtención de éste en un depósito sellado dan resultados
satisfactorios en la industria, ayudaran a resolver estos problemas. a.
a.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE96
Tabla 5.5: Concentración de SO2 en los gases producidos por varios
procesos de fundición y conversión. % de SO2 en vol. en humos
Promedio
Tostador de hogar Tostador de lecho fluidif icado Horno de reverbero 5 10
– 5 0.5 – 1.5 La fundición Onahama tiene por enriquecimiento
con oxígeno, control del tiro y reducción de la
infiltración de aire mejorada un gas de salida del horno de reverbero
con 2 a 3% de SO2. Horno eléctrico 4 –8 Los hornos
eléctricos también pueden ser operados en condiciones no
oxidantes, en cuyo caso los gases contienen alrededor de 0.4% de SO2(Mostert,
1973). Horno de fundición instantanea INCO Outokumpu Procesos
continuos Mitsubishi Noranda 12 8 (mas alto con enriquecimiento de O ) 2
8 – 12
(rama de reacción )
Maximo
Mínimo
Referencias
Blair (1967) Anderson(1970)
80 12 – 30
Merla y colaboradores(1972) Kimatura y colaboradores(1972)
EMJ(1972) Themelis y colaboradores(1972) 1– 2
(rama de asentamiento de escoria)
Worcra
5
Worner y colaboradores(1970)
Convertidor Peirce - Smith Hoboken
4 -5
10
0
Messner y Kinneberg(1969) Machim(1972)
8
11
0
Fuente: Biswas & Davenport, Metalúrgia Extractiva, 1993.
5.4.3.5 RESUMEN DE LA SITUACIÓN DE LA PIROMETALURGIA DEL SO2 Es factible
fijar técnicamente arriba del 95% del azufre que entra a
una planta pirometalúrgica. Esto es particularmente cierto si el horno
de fundición es eléctrico, de fundición instantanea
o, en el futuro, de tipo de fabricación continua de cobre. El
convertidor Hoboken
detipo sellado también presenta ventajas para mejorar la
colección de SO2. Con extraordinario cuidado sera posible evitar
que el 99% del
azufre que entre a la fundición pase a la atmósfera.
PRODUCTOS DERIVADOS DE
MINERALES METALICOS: COBRE
97
El SO 2 se fija mas facilmente como H2SO4 y se dispone de técnicas
para tratar gases que contengan hasta 2% de SO 2. Aun los gases de descarga
provenientes de las mejores plantas de acido contienen del orden de 0.1% de SO2, el cual solamente
puede ser recuperado con un lavado con soluciones basicas. Los productos
de estos sistemas depuradores son pequeñas cantidades de sulfatos
basicos (CaSO 4, MgSO 2, Na2SO4) los cuales son solubles en agua y, por
lo tanto, no son buenos almacenadores de azufre. Pueden recircularse al horno
de fundición(después de someterlos a evaporación) para
mantener esta parte de la corriente de azufre en un circuito cerrado; en
ocasiones, tales sulfatos pueden ser vendidos como subproductos. El azufre elemental es la
mejor forma para almacenar permanentemente el azufre. La producción de
azufre elemental a partir de gases que contienen 5% de SO 2 es
técnicamente posible, pero las plantas hasta la fecha no han operado con
menos de 10% de SO2. Las plantas de azufre elemental han podido fijar solamente
el 90% de su admisión de azufre, pero la tecnología existente de
la planta Claus puede elevarla hasta mas del 95%. Los costos para la
fijación de azufre a partir de los gases de fundición se estiman
en la tabla 5.6. Se puede observar que los costos(1975) son del orden d 2 a 3 centavos por e kilogramo
de azufre para la producción de acido sulfúrico y 4 a 5
centavos para la producción de azufre elemental (sin contar los costos
incurridos al mejorar la impermeabilidad al gas de hornos y fundición).
Estos costos son de considerable importancia en la fundición de cobre
porque: a. b. Para la mayoría de los
concentrados, se debe fijar aproximadamente 1 tonelada de azufre/tonelada de
cobre producido. El costo directo de la fundición es del orden de 26 centavos/Kg de cobre.
5.5
RESPUESTAS HIDROMETALURGICAS DEL AZUFRE
AL
PROBLEMA
Los sulfuros de cobre pueden ser sometidos a tres procesos
hidrometalúrgicos basicos: Tostación de sulfuros(para
obtener sulfatos u óxidos) seguida por lixiviación en
acido sulfúrico diluido. En este caso, el azufre es expulsado
principalmente en una corriente continua de gases de tostador(10 a 15% de SO
2). b. Lixiviación de sulfuros para desintegrar al cobre en forma de
cationes y al azufre como
aniones de oxi -sulfuro(por ejemplo, los procesos Sherrit Gordon o Arbiter de
lixiviación con amoniaco-oxigeno). c. Lixiviación de los sulfuros
para disolver el cobre en tanto que el azufre sólo queda parcialmente
oxidado, es decir, en su estado elemental. En lo futuro sera mejor
producir gran parte del subproducto azufre como azufre elemental, así
que la ruta c), lixiviación y producción directa de azufre
elemental, merece una considerable atención. a.
PRODUCTOS DERIVADOS DE
MINERALES METALICOS: COBRE
98
Tabla 5.6: Costosestimados (1973) para fijar azufre como
acido sulfúrico y azufre elemental a partir de los gases de S O2.
Forma de fijación Acido sulfúrico Contacto simple Doble contacto
con calentamiento Tratamiento del gas de descarga de la planta de acido
con solución basica Azufre elemental Reducción de metano +
planta Claus Tratamiento de gas de descarga de la planta de azufre para formar
azufre elemental
**
Tipo de planta
Eficiencia aproximada
Concentración mínima de SO 2 (% vol.)
Concentración de SO2 en gas de salida(% vol.)
Costo total de producción* por/t de S o Cu **, dólares, (1975)
95%
4%
0.2%
21(Connor, 1968, actualizado a 1975) 23
96%
2.2%
0.08%
99% (total)
< 0.01%
28 (Acido total planta +
tratamiento del gas de descarga)
90%
5%
1%
30 – 40 (Estimado;
Hunter y Michener, 1973)
99%(total )
0.03%
40 – 50 (total para
planta de azufre + tratamiento gas de descarga; Beavon, 1971)
Incluye interés sobre capital de inversión y depreciación
de equipo. Se supone que 1 t de azufre equivale a 1 t de Cu, es decir, un
concentrado de CuFe 2.
Fuente: Biswas & Davenport, Metalúrgia Extractiva, 1993.
5.5.1
PROCESO TOSTACIÓN-LIXIVIACION
En el proceso de tostación-lixiviación la mayor parte del azufre se extrae como SO2. Esto tiene la ventaja de que se
produce una sola corriente continua de gas de tostador con alto contenido de SO
2(10 a 15%), y no diversas corrientes de gas como en las operaciones de
fundición. En esa forma, el SO2 se recuperafacil y casi
completamente en concentraciones apropiadas para la fabricación de
acido o de azufre elemental. Desde un punto de vista teórico, la
oxidación del azufre a SO2 seguida por la reducción a azufre
elemental(y no oxidación directa de S2- a S 0) es una etapa de retroceso
pero utiliza directamente tecnología ya probada. Entonces, el
planteamiento tostación-lixiviación se
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
99
continuara usando en pocas localidades, principalmente donde coexisten
menas de sulfuro y óxido.
5.5.2
LIXIVIACION COMPLETA DE SULFUROS
La lixiviación a presión con amoníaco-aire ha sido usada
extensamente en los concentrados de níquel-cobre. También se han
propuesto procesos similares para los concentrados de cobre y varios de ellos
han sido sometidos a extensas pruebas en planta piloto, especialmente el
proceso Arbiter de lixiviación amoníaco-oxígeno
atmosférico. El principal problema con estos procesos es que la
totalidad del azufre de los minerales de cobre entra a la solución de
lixiviación como aniones oxi-sulfuro (por ejemplo, SO 42-). Estos aniones
pueden ser eliminados con el tiempo de las soluciones de lixiviación y
el azufre debe ser fijado en una forma útil o almacenable. Los
métodos de lixiviación(a presión) acido
sulfúrico-oxígeno también enfrentan problemas similares.
El método mas común de recuperar el azufre disuelto es formar
un sulfato de amonio. Este producto se usa como fertilizante en agricultura y
es, por consiguiente, un subproducto que tienemercado. Sin embargo, parece que
el tamaño del mercado es algo restringido y como el sulfato de amonio
siendo soluble en agua no se almacena bien, la cantidad de azufre que puede ser
fijada en esta forma es limitada. Otro subproducto es el yeso (CaSO4), el cual
es usado en el revoque o encluido de muros, papel enyesado para muros y
cemento. En general, los mercados para estos subproductos no son grandes y el
problema de recuperar en una forma útil o facilmente almacenable
los aniones oxi -sulfuro disueltos parece restringir la viabilidad de los
procesos que disuelven el azufre en esta forma.
5.5.3
PROCESOS HIDROMETALURGICOS DE AZUFRE ELEMENTAL
Las rutas hidrometalúrgicas mas promisorias para la
lixiviación directa de minerales sulfurados de cobre son aquellas en las
cuales el azufre es producido directamente como azufre elemental. Un resumen de
estos procesos aparece en la tabla 5.7. Se puede observar que tres de estos
planteamientos alcanzan altas recuperaciones de azufre elemental(lixiviaciones
en cloruro férrico, cloruro cúprico y acido oxi
-sulfúrico), y que dos producen a pequeña escala. Ademas
de estos procesos, también es posible descomponer
electroquímicamente anodos compactados de concentrado de cobre
que, bajo potenciales apropiadamente controlados, son corroídos para
formar metales en solución mas azufre elemental, es decir,
similar al proceso INCO con anodo de mata-níquel. Para resumir,
la producción hidrometalúrgica directa de azufre elemental como
subproducto de la extracción de cobre esta enintensa
investigación. Otro planteamiento para la fijación de azufre es
la tostación-lixiviación en la cual gran parte del azufre es
expulsado en forma de SO2 en una sola corriente continua de gases de tostador
apropiada para la fabricación de acido o azufre elemental.
lixiviación a presión atmosférica con NH3 – O2 ; un
circuito de recuperación d cobre por extracción mediante e disolventes
– separación por electrolisis; y una etapa de flotación de
residuo, para recuperar los minerales de cobre no lixiviados.
PRODUCTOS DERIVADOS DE MINERALES METALICOS: COBRE
100
Tabla 5.7: Procesos hidrometalúrgicos para la producción directa
de azufre elemental como sub producto.
Nombre del proceso Descripción Forema del azufre como subproducto S°
Estado del proceso
Proceso CYMET
Lixiviación con cloruro férrico, o sea CuFeS + 3 2 FeCl3 (sol.) CuCl + 4 FeCl2 25° seguida por la purificación del
CuCl y reducción con H2 a polvo de Cu Lixiviación con cloruro
cúprico ½ Cu2S + CuCl 2 (sol.) 2 CuCl + ½
S° seguida por la separación por electrólisis del polvo de
cobre Tostación parcial, lixiviación H2SO4-O2: Cu2S + 2H2SO4 + O2
2 CuSO4 + 2 H2O + S° (etapa final)
seguidas por separación por electrólisis de catodos de
cobre.
En producción, 6 t de Cu/día
Proceso Duval
S°
En producción, 80 t de Cu/día
Proceso Sherrit-Cominco
S° (60%) Arosita (40%)
Pruebas de planta piloto (han sido completadas 9 t Cu/día)
Fuente: Biswas & Davenport, Metalúrgia Extractiva, 1993.
