Este documento presenta información sobre hidrometalurgia. Detalla los temas principales de la metalurgia extractiva química, incluyendo lixiviación, agentes lixiviantes como ácido sulfúrico y agua, y factores a considerar en procesos hidrometalúrgicos. También proporciona detalles sobre una clase de hidrometalurgia en la Facultad de Química de la UNAM y referencias bibliográficas recientes sobre el tema.
1. HIDROMETALURGIA
Clave 1626
Dra. Rosa Elva Rivera Santillán
Curso 2007-1. FQ UNAM. De 15:30 a 17:00 hs.
Facultad de Química. UNAM.
Tel: 55 – 5622 5241, Fax: 55 – 5622 5228
Email: relva@servidor.unam.mx
Grupo de Investigación en Biotecnología de Minerales
Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Laboratorio 212 Metalurgia Química, Cubículo 15, Edificio D
2. CONTENIDO
• Metalurgia extractiva
• Minerales
• Química en solución
• Mecanismos de lixiviación. Fundamentos
• Métodos de lixiviación y equipo
• Aspectos ingenieriles de lixiviación
• Rol de los microorganismos en la lixiviación
• Lixiviación de metales
• Lixiviación de óxidos, hidróxidos y óxidos complejos
• Lixiviación de sulfuros y disulfuros
• Tratamiento de licores de lixiviación I: concentración, purificación (Extracción por
solventes, intercambio iónico)
• Tratamiento de licores de lixiviación II: cristalización, precipitación, cementación
• Reducción
• Casos de estudio: Hidrometalurgia del Cu, Au, Ag; Zn, Pb, As; Al y Mo
3. BIBLIOGRAFIA RECIENTE
METALURGIA EXTRACTIVA VOLUMEN I. FUNDAMENTOS. ANTONIO BALLESTER, LUIS
FELIPE VERDEJA Y JOSE SANCHO.
MADRID, ESPAÑA 2000. EDITORIAL SINTESIS S. A. (http://www.sintesis.com). TEL: 91 593
20 98. FAX: 91 445 86 96 . ISBN VOL I: 84-7738-802-4
ISBN OBRA COMPLETA: 84-7738-804-0
METALURGIA EXTRACTIVA VOLUMEN II. PROCESOS DE OBTENCIÓN. JOSE SANCHO,
LUIS FELIPE VERDEJA Y ANTONIO BALLESTER. MADRID, ESPAÑA 2000. EDITORIAL
SINTESIS S. A. (http://www.sintesis.com). TEL: 91 593 20 98. FAX: 91 445 86 96
ISBN VOL II: 84-7738-803-2 ISBN OBRA COMPLETA: 84-7738-804-0
MINERIA QUIMICA. INSTITUTO TECNOLOGICO GEOMINERO DE ESPAÑA. EDITORIAL
ARTES GRAFICAS MV, S. A. ISBN: 84-7840-082-6 ESPAÑA 1991.
CHEMICAL HYDROMETALLURGY. THEORYAND PRINCIPLES. A. R. BURKIN. IMPERIAL
COLLEGE PRESS (www.icpress.co.uk) ISBN: 1-86094-184-2. LONDRES 2001.
TEXTBOOK OF HYDROMETALURGY. FATHI HABASSI. LAVAL UNIVERSITY
BOOKSTORE ZONE. ISBN: 2-980-3247-7-9. CANADA 1999
10. ...PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS
MINERALES
Formas de agregación -------- Esqueléticos o dendríticos
Raya (cristal-porcelana) Globulares o botroidales
Pleocroismo (color-ángulo) Hojoso o tabulares
Pseudomorfismo (sust) Esferoidales o Esferolíticos
Fibroso aciculares
Eflorescencias terrosas
Formación de maclas (asociación simétrica de cristales
del mismo mineral)
Luminiscencia-Fluorescencia (UV)
Paragénesis (asociación de minerales originados bajo
las mismas condiciones)
11. ESTRUCTURA INTERNA DE
LOS CRISTALES
Cúbico Tetragonal
Hexagonal Trigonal
Rómbico Monoclínico
Triclínico
12. Minerales no polares
Minerales no polares.- Enlaces moleculares
relativamente débiles, moléculas covalentes unidas por
las fuerzas de Van der Waals.
Las superficies no polares no se unen fácilmente a los
dipolos del agua y en consecuencia son hidrofóbicas: el
grafito, azufre, molibdenita, diamante, carbón y talco
tienen alta flotabilidad natural (ángulos de contacto
entre 60o y 90o) , aunque flotan sin ayuda de agentes
químicos, es universal incrementar su capacidad
hidrofóbica por la adición de aceites hidrocarburos o
agentes espumantes.
29. Metalurgia de metales raros
La Segunda Guerra Mundial obligó a dirigir el interés hacia otros metales, además de los ya
empleados, denominados escasos o raros (litio, rubidio, cesio, berilio, estroncio y barios;
escandio, itrio y los metales de las tierras escasas: galio, indio y talio; circonio, hafnio y
torio; germanio; vanadio, niobio y tántalo; molibdeno, wulframio y uranio, y renio. El titanio
ha salido de la agrupación de los elementos escasos o raros, no sólo por su relativa
abundancia sino porque en el año 1953 se obtuvieron unas 3400 toneladas, mientras que
en 1977 se produjeron 1 736 000 toneladas.
El desenvolvimiento de los metales escasos se ha estimulado por la investigación en relación
con los metales que presentan ciertas reacciones específicas para el bombardeo con
pequeñas partículas, tales como neutrones. Así, se han industrializado el berilio, niobio,
tántalo, circonio y vanadio.
Los métodos que se han ideado para la producción de éstos metales raros, se pueden clasificar
en cuatro grupos principales, que a su vez, se pueden subdividir en otros grupos.
I. Electrólisis de las soluciones acuosas: Ga, In, Tl y Re
II. Electrólisis de electrolitos fundidos: a) Cloruros: Li, Rb, Cs, metales raros y Be; b) fluoruros
y fluoruros dobles: Be, Ti, Zr, Hf, Th, Ta y U
III. Procesos de reducción a temperatura elevada: a) Óxidos con hidrógeno: Ge, Mo, W y Re
b) Óxidos con aluminio: Li, Rb, Cs
33. Características de los procesos
hidrometalúrgicos
► Usualmente se llevan a cabo a temperaturas menores de
80ºC y el flujo del proceso son diluciones (menores a
1molde soluto/L).
► Aunque ocurren reacciones líquido-líquido o líquido-
sólido, las temperaturas de operación usadas en los
procesos hidrometalúrgicos generan bajas velocidades de
reacción, limitados por una reacción química o por procesos
de transporte de masa.
► Volúmenes más grande en el reactor son requeridos y
necesariamente una cantidad mas grande de metal es
desperdiciada en la operación del proceso.
34. ► El procesamiento hidrometalúrgico a alta temperatura es
posible pero este debe llevarse a cabo bajo presión para
evitar la pérdida del solvente a la atmósfera.
► La lixiviación a alta presión genera algunos de los
problemas experimentados por procesos hidrometalúrgicos
convencionales pero tiene la desventaja que requiere gran
capital de inversión.
► Las reacciones químicas llevadas a cabo son siempre
mucho más selectivas que aquellas encontradas en
tratamientos pirometalúrgicos.
► El agua tiene un alto Cp, por lo tanto para calentar una
solución diluida sobre la temperatura ambiente deben
esperarse cantidades considerables de energía.
35. Ventajas de los procesos
hidrometalúrgicos
1. Los metales pueden ser obtenidos directamente a partir
de la solución lixiviante (por precipitación con hidrógeno
bajo presión, cementación o electrólisis).
2. Pueden recuperarse metales de alta pureza a partir de
una solución lixiviante impura (amalgama metalúrgica).
3. La ganga de Silicio en la mena no es afectada por la
mayoría de los agentes lixiviantes, que en los procesos
pirometalúrgicos es escoria.
4. Los problemas de corrosión son relativamente pequeños
en hidrometalurgia en comparación con la deterioración de
lineas de refractarios en hornos, y la necesidad para
revisión y remplazamiento periódico.
36. 5. La mayoría de los procesos hidrometalúrgicos son
llevados a cabo a temperatura ambiente, y por lo tanto no
hay consumo de grandes cantidades de combustible como
en la pirometalúrgia.
6. El manejo de productos de lixiviación es mucho más
barato y fácil que los productos fundidos, escorias y
metales.
7. El procesamiento hidrometalúrgico es especialmente
adecuado para tratamiento de menas de baja ley.
8. Un proceso hidrometalúrgico puede empezar en una
pequeña escala y después expandirse; sin embargo, un
proceso pirometalúrgico usualmente debe ser diseñado
como operación de gran escala (es más económico un
horno grande que muchos pequeños con la misma
capacidad).
9. Las plantas hidrometalúrgicas usualmente no contaminan
37. Desventajas de los procesos
hidrometalúrgicos
► Pueden presentarse dificultades cuando separamos la
ganga insoluble a partir de la solución lixiviante.
► Cantidades muy pequeñas de impurezas pueden afectar la
electrodepositación de un metal, y por lo tanto necesitar una
purificación preliminar.
► Los procesos hidro son relativamente lentos, ya que se
llevan a temperatura ambiente, mientras que los
pirometalúrgicos son rápidos, debido a que se llevan a cabo a
temperatura alta.
38. LIXIVIACIÓN
► Proceso de extracción de un constituyente soluble a partir
de un sólido por medio de un solvente.
► Disolución de cierto mineral (o minerales) a partir de una
mena o un concentrado.
► Disolución de ciertos consituyentes a partir de productos
metalúrgicos tales como (menas abiertas, concentradas o
productos metalúrgicos para recuperar los valores metálicos).
► Lixiviación de los constituyentes fácilmente solubles
(usualmente ganga) de una mena o concentrado para
eliminarlos (por ejemplo la lixiviación del concentrado de
flotación de tungsteno con HCl para disolver la calcita y la
apatita).
39. Aspectos esenciales
►El valor metálico debe ser soluble en un solvente
económicamente inusual.
► El metal debe ser económicamente recuperable.
► Cualquier elemento (impureza) extraído durante la
lixiviación debe ser capaz de una separación posterior de
la solución.
40. Factores deseables
► Los minerales ganga no deben consumir cantidades
excesivas de solvente.
► El solvente debe ser recuperable para reciclar.
► El material debe estar libre de minerales arcillosos, éstos
hacen díficil la separación del ion lixiviante a partir de los
sólidos tratados.
► El material debe ser poroso a la solución permitiendo
contacto directo entre el solvente y la fase a disolver,
asegurando un área grande líquido-sólido para la reacción.
► El solvente debe ser no corrosivo al equipo de la planta
para minimizar costos de mantenimiento y capital, y debe ser
no tóxico, para minimizar cualquier peligro al personal de
planta.
42. 1. Agua
► Sólo es usada para lixiviar calcinas sulfatadas o cloradas,
tal como la lixiviación del sulfato de zinc, y también en la
lixiviación de Re2O7 a partir de polvos de MoS2 calcinados:
Re2O7 + H2O = 2 HRO4
► En presencia de aire u oxígeno bajo presión y a 150ºC
disuelve sulfuros transformándolos en sulfatos:
NiS + 2 O2 = NiSO4
43. 2. Soluciones acuosas salinas
► Sulfato férrico (usado en lixiviación de minerales
sulfurados):
CuS + Fe2(SO4)3 = CuSO4 + 2FeSO4 + S
La sal ferrosa formada puede ser oxidada por aire para
reciclarla.
► Carbonato de sodio (usado para lixiviación de menas de
Uranio):
UO2 + 3 Na2CO3 + H2O + ½ O2 = Na4(UO2(CO3)3) + 2NaOH
► Cloruro de sodio (usado para lixiviación de PbSO):
PbSO4 + 2 NaCl = Na2SO4 + PbCl2
44. 3. Agua clorada
► Era utilizada en lixiviación de oro hasta que el proceso
de cianuración fué descubierto.
► Esta ha sido sugerida para menas sulfuradas:
ZnS + Cl2 = ZnCl2 + S
45. 4. Ácidos
► El ácido sulfúrico es el más importante como agente
lixiviante.
Es el ácido más barato, tiene pequeños problemas de
corrosión debido a su uso y es efectivo en la mayoría de las
menas abiertas. Es usado en forma diluida, concentrada o a
veces mezclado con HCl. Las menas oxidadas son solubles
en ácido sulfúrico.
En muchos casos, se usa ácido de procesos electrolíticos
para lixiviar y para ajustar la concentración requerida.
ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O
Fe2O3 + 3 H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3 H2O
46. Técnica Minerali
zación
%Cu en
la mena
H2SO4
concentració
n en el
licor.(Kgm-3)
Tiempo de
Lixiviación
Cu
Lixiviado
(Ton/día)
In Situ Oxido
(con algún
sulfuro)
0.5-1.0 1-5 5-25
años
20
Terreros Óxidos,
Sulfuros y
Colas.
0.2-1.0 1-5 3-20
años
100
Montones
o Heap
Óxidos. 0.5-1.0 2-5 0.33-0.5
años
20
Vat o en
Tanques
Óxidos 20.30 50-100 5-10
años
10-120
Con
Agitación
Óxidos
concentra
dos
30-40 50-100 2-5
horas
350
47. ► Otros ácidos como HCl y HNO3, son sólo usados en
algunos casos.
► El ácido sulfuroso tiene nuevas aplicaciones para
lixiviar algunas menas tales como algunos tipos de Mn
de bajo grado.
48. 5. Bases
► El NaOH es usado para disolver Aluminio a partir de
bauxita, y para lixiviación de Wolframio.
► La Lixiviación con bases tienen las siguientes ventajas:
(a) Problemas de corrosión insignificantes.
(b) Adecuados para menas que contienen carbonatos.
(c) Mas selectivo, a partir de que los óxidos no serán
lixiviados.
49. TIPOS DE LIXIVIACIÓN
La lixiviación dependiendo de la materia prima y del
producto final puede ser:
► Lixiviación de metales
► Lixiviación de óxidos
► Lixiviación de sulfuros
► Lixiviación de arsenitas, fosfatos y silicatos.
► Otras.
50. 1. Lixiviación de metales
Lixiviación oxidante y complejante
Lixiviación de minerales de oro y plata
Proceso anódico: 4 Au + 8 CN- = 4 Au(CN)2
- + 4e
Proceso catódico:O2 + 2 H2O + 4e = 4 OH-
Proceso global: 4 Au + 8 CN- + O2 + 2 H2O = 4 Au(CN)2
- + 4 OH-
Lixiviación oxidante
Lixiviación de cobre metálico con ion cúprico
Cu2+ + Cl- + 1e = CuCl
CuCl + 1e = Cu + Cl-
Cu + Cu2+ + 2 Cl- = 2 CuCl
Cu + 3Cl- = CuCl3
- + 1e
CuCl- + 2 Cl- + 1e = CuCl3
2-
Cu + CuCl + 5Cl- = 2CuCl 2-
52. 2.2 Lixiviación de óxidos
complejos
Estas menas contienen minerales compuestos de dos
óxidos, un óxido ácido (Cr2O3, Nb2O3) y uno básico (FeO,
MnO, CaO).
► En presencia de agentes oxidantes (Al(OH)3, CuO, SnO)
► En presencia de agentes oxidantes (U3O5, UO2)
► En presencia de agentes reductores (MnO2)
53. 3. Lixiviación de sulfuros
Antimonio Stiónita
Sb S
2 3
Arsénico Realgar
As S
4 4
Arsenopirita FeAsS
Cobalto Linaeita
Co S
3 4
Cobre Calcocita
Cu S
2
Fierro Pirita
FeS
2
Pirrotita FeS
Plomo Galena
PbS
Zinc Esfalenita ZnS
El tratamiento de menas de sulfuro se realiza en su mayoría por
procesos pirometalúrgicos, es reciente la importancia del
procesamiento hidro y biohidrometalúrgico.
54. El tratamiento de menas de sulfuro se realiza en su
mayoría por procesos pirometalúrgicos, es reciente la
importancia del procesamiento hidro y biohidrometalúrgico.
► En presencia de agentes oxidantes (Fe3+, agua clorada
e hipoclorito, ac. Nítrico y nitratos, ác.sulfúrico, oxígeno,
agua neutra, amoniaco)
► En ausencia de agentes oxidantes (ácida, hidróxidos
alcalinos, sulfuros alcalinos, cianuros alcalinos)
► En presencia de bacterias
57. MÉTODOS DE LIXIVIACIÓN
► Estática
In situ, Terreros, Montones, Vat, Agua de
mina
► Dinámica
Reactores agitados
58. Lixiviación estática
► In Situ: Minerales de muy baja ley(<0.1%).
Tratamiento 5-25 años. Capacidad 4E6 toneladas
► Terreros: Minerales de baja ley (0.1-0.5%).
Partículas menores a 200mm. Tratamiento 3-20
años. Capacidad 5E6 toneladas
► Montones: Minerales de baja ley (>0.5%).
Partículas menores a 100mm. Tratamiento 1-2
años. Capacidad 3E5 toneladas.
59. ► Vat o cubas: Minerales de mediana ley.
Partículas finas 6 mm. Tanques de 25x15x6 m. Se
obtienen soluciones ricas.Tratamiento de 10-30
días. Capacidad 5E3 toneladas
► Aguas de mina: En pozos de mina abiertos se
colecta el agua de lluvia
... Estática
60. Lixiviación dinámica
Minerales de alta ley finamente molidos y concentrados
de flotación. En reactores agitados mecánica o
neumáticamente.
61. 1. Lixiviación in situ
► Se refiere a la lixiviación de la mena dejada en una mina
después de que ésta ha sido trabajada o extraída, o a la
aplicación de soluciones lixiviantes directamente al cuerpo de
la mena en la tierra.
► La técnica se basa en la permeabilidad del cuerpo de la
mena.
► Las soluciones lixiviantes son introducidas sobre el nivel del
cuerpo de la mena, éste se cuela por gravedad a través de la
mena y es colectado en los niveles inferiores por una red de
pozos colectores.
► El licor impregnado se bombea directamente a la superficie.
► Si la porosidad es pequeña puede ser necesario inducir
fracturas y quebrar la roca con explosivos.
62. ► La lixiviación de metales "in situ" es una técnica atractiva
debido al ahorro potencial en los costos de la mena. Sin
embargo, estos ahorros pueden ser equilibrados por las
bajas eficiencias, bajas velocidades de extracción y bajas
concentraciones de metal en el licor final.
► Una de las dificultades con los métodos "in situ" es el
extremo cuidado para evitar pérdidas del licor lixiviado en los
mantos acuíferos.
► Este representa la contaminación del agua que rodea el
área, una pérdida de metal, y baja eficiencia del proceso de
extracción.
63. 2. Lixiviación por terreros o a
montones (dump)
► Lixiviación del material minado el cual ha recibido pequeña
o ninguna reducción de tamaño.
► La mena, la cual tiene un tamaño máximo de 1.0 y 0.1 mm
de diámetro, es apilado en terrenos o montones en una base
pre-fabricada.
► La eficiencia de extracción en este proceso es de
aproximadamente 60%.
► También se ha estudiado recientemente la extracción por la
presencia de microorganismos, Lixiviación bacteriana o
Biolixiviación.
64. 3. Lixiviación en tanques
► Técnica en la cual una solución lixiviante es percolada a
través de la mena la cual ha sido quebrada y empacada
dentro de tanques.
► Una partícula típica tiene un tamaño de 5-20 mm de
diámetro.
► Las partículas finas deben ser removidas debido a los
efectos adversos en la permeabilidad de la cama.
► Las menas conteniendo arcillas no son adecuadas para
esta técnica por la misma razón.
65. a contracorriente
► La lixiviación a contracorriente es llevada a cabo para
asegurar altas eficiencias de extracción (80-90%) con altas
concentraciones de metal en la solución.
► La lixiviación es llevada a cabo en una serie de tanques
simultáneamente, la solución de un tanque circula a la
siguiente.
► La solución lixiviante fresca es adicionada al tanque en el
cual ha sido lixiviado por mucho tiempo mientras que el
tanque más nuevo de mena es lixiviado con la solución que
ya ha sido usada en los otros tanques.
► De esta manera las partículas de mineral más dificiles de
disolver son tratadas con la solución más fuerte.
66. 4. Lixiviación por agitación
► Para tamaños de 200 m se obtienen altos grados de
concentrados en donde la pulpa ese continuamente
mezclada y agitada para improvisar velocidades de
reacción.
► Los reactores que más se utilizan son:
► Tanque Pachuca.
► Agitadores de baja velocidad.
► Agitadores de alta velocidad.
► Autoclaves con agitación.
67. 4.1 tanques pachuca
► Este es un método simple de agitación de la pulpa. El
mezclado es por inyección de aire bajo presión dentro de la
parte inferior del tanque.
► El gas asciende a lo largo y ancho del líquido a la
superficie.
► El tanque puede ser usado con o sin tubo central de aire.
► En algunos sistemas el oxígeno es consumido durante las
reacciones y este mecanismo de agitación preveé beneficio
adicional de aereación de la solución.
68. 4.2 agitadores de baja y alta
velocidad
► Para sistemas de baja velocidad que no requieren de
alta turbulencia largos en diámetro pueden ser usados
mezclados con material fino.
► Agitadores de alta velocidad. Para reacciones de
lixiviación limitadas por difusión en el licor lixiviado puede
ser requerida alta turbulencia, en la cual el agitador debe
consistir de un propela o turbina.
69. 4.3 Autoclaves con agitación
► En algunos sistemas a temperaturas elevadas (100-
300ºC), presiones altas son requeridas 3.5 (MNm), en
estos casos la alimentación son concentrados y los
tiempos de lixiviación pueden ser relativamente cortos
10min-2hr.
70. 5. Lixiviación a presión y en
ausencia de oxígeno
► En este caso la mena es calentadea con el reactivo
lixiviante a la temperatura superior a la de ebullición de la
solución para realizar un rango alto de reacción.
► El proceso debe ser llevado a cabo en un recipiente o
tanque cerrado que resista la presión de vapor de la
solución a esa temperatura.
► Un ejemplo es la lixiviación de bauxita con sosa
cáustica en solución.
71. 6. Lixiviación a presión y con
oxígeno
► La presión en el autoclave es debida a la presión de la
solución más la presión del oxígeno (o presión del aire si el
aire es utilizado en lugar de oxígeno).
► En este caso el rango de lixiviación depende en la presión
parcial de oxígeno y no en la presión total.
► Este método es utilizado principalmente para la lixiviación
de menas de sulfuro o menas de óxidos de Uranio.
► El aparato utilizado es un reactor a presión de 10-15 ft en el
diámetro y 25-50 ft de largo, con sus largos ejes instalados
horizontalmente; y construido de acero dúctil con todas las
superficies internas y partes hechas de material resistente.
72. ► Un revestimiento metálico de acero inoxidable es el tipo
de material mas utilizado para la resistencia a la corrosión
pero en algunos casos titanio, aleaciones especiales, o un
forro aglomerado resistente al ácido tiene que ser utilizado.
► Algunos autoclaves son equipados con bobinas o
enrollamientos calentador-enfriador, y son usualmente
aislados.
► Cada tanque es equipado con tubos agitadores.
► El agitador central es usualmente equipado con una
cubierta de anillo y un impulsor o motor (trabajando cerca de
140 rpm) para mezclar aire.
73. Metales no férreos
Constituyen el 5% de la producción total de metales
• Elementos de transición del mismo periodo que el hierro,
próximos a éste y metales nobles
– Cobre, Níquel, Cobalto, Manganeso, Cromo, Oro, Plata, Grupo del
Platino
• Metales de los grupos b
– Zinc, Cadmio, Mercurio, Indio, Estaño, Plomo, Arsénico
• Metales de los grupos a (ligeros)
– Litio, Berilio, Magnesio, Aluminio, Titanio, Calcio, Bario
• Metales escasos o raros, principalmente de transición, periodos
V y VI
– Circonio, Hafnio, Niobio, Vanadio, Tántalo, Molibdeno, Wolframio
74. Hidrometalurgia de :
• Cobre, Oro y Plata
• Zinc, Plomo y Arsénico
• Aluminio
• Molibdeno