lixiviacion de sulfuros

UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS GEOLÓGICAS Departamento de Ingeniería Metalúrgica y Minas

MINERALES SULFURADOS. ALTERNATIVAS DE PROCESAMIENTO. ÚLTIMOS AVANCES.

Memoria para optar al título de Ingeniero de Ejecución Metalúrgico

FABIOLA ALEJANDRA TORRES OPAZO

Profesor Guía: Dra. Lilian Velásquez Yévenes Antofagasta, Chile 2013

Dedicado a mis amados padres, Alejandrina y Juan.

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AGRADECIMIENTOS

Agradecer y manifestar mi eterna gratitud a mis padres, Alejandrina y Juan por su incondicional apoyo, confianza, amor y paciencia depositada en mí durante estos años, porque sin ustedes no sería quien soy.

A Víctor Quezada por estar siempre guiándome, alentando, dándome buenos consejos y en especial por su ayuda y tiempo en todo momento en el desarrollo del seminario.

A la profesora Lilian Velásquez por confiar en mí en este trabajo de seminario.

A mi hermano Juan Antonio por sus consejos y apoyo para seguir adelante con el seminario.

A mis amigas Elizabeth Zuleta, Tania Ibacache y Pricila Henríquez por escucharme, por sus consejos, apoyarme y darme fuerza en los momentos más difíciles durante este proceso.

A Rodrigo Montalva, por su cariño y su incondicionalidad, por escucharme, apoyarme y dar consejos, por estar en las buenas y en las malas, y en especial por estar siempre cuando más lo necesité.

A mi prima Magdalena Hume por escucharme y sus consejos, y por su supuesto, a todas las personas que me ayudaron a construir este trabajo, para todos ellos mis más sinceros agradecimientos.

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TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 1 1.1. Objetivos .................................................................................................................... 3 1.1.1 Objetivo general ............................................................................................... 3 1.1.2. Objetivos específicos ...................................................................................... 3

2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................................. 4 2.1. Procesamiento de los minerales de cobre ................................................................... 4 2.1.1. Procesos hidrometalurgia y de flotación ................................................... 6 2.2. Tratamientos actuales de los minerales sulfurados en Chile ..................................... 7 2.2.1. Minera Escondida....................................................................................... 7 2.2.2. Minera Michilla .......................................................................................... 9 2.2.3. División Los Bronces ............................................................................... 10 2.2.4. División Andina ...................................................................................... 12 2.2.5. Minera Esperanza ..................................................................................... 13 2.2.6. División Mantos Blancos ........................................................................ 14

3. ALTERNATIVAS DE PROCESAMIENTOS Y NUEVAS TECNOLOGÍAS .... 16 3.1. Utilización del agua de mar en la minería ............................................................... 16 3.2. Nueva planta concentradora .................................................................................... 19 3.3. Utilización del medio clorurado en la lixiviación de la calcopirita .......................... 22 3.3.1. Algunos parámetros más relevantes en la lixiviación de la calcopirita según estudios de laboratorio ............................................................................. 24 3.3.1.1. Efecto de la temperatura ........................................................................ 24 3.3.1.2 Tamaño de la partícula ........................................................................... 25 3.3.1.3. Efecto de la concentración de cloruro ................................................... 25 3.3.1.4. Efecto del potencial de solución ............................................................ 26 3.3.1.5. Efecto del pH......................................................................................... 27 3.4. Lixiviación de concentrado de cobre ....................................................................... 28 3.5. Utilización de reactivos en la flotación ................................................................... 34 3.6. Nueva tecnología en equipos para minerales sulfurados de cobre .......................... 39

4. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 46 5. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 48 6. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 49

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Especies de cobre importantes, clasificándose en zona, composición y porcentaje de cobre............................................................................................................................................... 5 Tabla 2: Empresas con uso de agua de mar directamente en los procesos. (Colchilco, 2012). .. 17 Tabla 3: Uso agua de Mar en Minería del cobre en Antofagasta. (Romero, 2012) .................... 18

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Equipo de flotación Wemco (FLSmidth, 2013). ......................................................... 40 Figura 2: Equipo de flotación Dorr- Oliver (FLSmidth, 2013) .................................................. 41 Figura 3: Equipo de flotación SuperCell (FLSmidth, 2013) ...................................................... 42 Figura 4: Equipo de floculación (EralChile, 2013)..................................................................... 43 Figura 5: Reactor Oktop serie 5000 (outotec, 2013). ................................................................. 44 Figura 6: Reactor Oktop serie 2000 (Outotec, 2013).................................................................. 45

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NOMENCLATURA

EW: Electro-obtención LX: Lixiviación PLS: Solución rica en cobre SX: Extracción por solvente SHE: Escala estándar de hidrógeno

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RESUMEN

La presente actividad de titulación se ha realizado en la modalidad de seminario y se fundamenta en la revisión bibliográfica de las nuevas alternativas de procesamiento de los minerales sulfurados de cobre. En la actualidad los minerales oxidados y sulfurados secundarios son tratados vía hidrometalurgia, sin embargo estos recursos están escaseando y las plantas a futuro quedarán sin alimentación, resultando ser los sulfuros primarios la principal fuente de cobre para éstas. Por lo tanto, se hace necesario buscar nuevas tecnologías que brinden alternativas de procesamiento para los minerales sulfurados de cobre, los cuales son los más abundantes en la corteza terrestre, pero también los más refractarios, y así dar continuidad de uso a las instalaciones de las plantas LX-SX-EW. El objetivo de esta investigación, es entregar al lector una revisión bibliográfica de las variadas alternativas para el tratamiento de los minerales sulfurados de cobre mediante técnicas de lixiviación y concentración, siendo este último el tratamiento más común para los minerales sulfurados primarios de cobre, cuya cadena productiva concluye en la pirometalurgia del metal rojo, método que ha sido cuestionado en el último tiempo. Por esta razón, cada vez se hace más importante encontrar soluciones y tecnologías limpias, que cumplan con las exigencias medio ambientales, para evitar problemas de contaminación. También, dependiendo de las condiciones y el material a tratar, se entregan algunas características sobre cada tipo de tratamiento, para poder elegir la mejor alternativa de procesamiento. En este estudio bibliográfico se pudo observar que el área de la metalurgia extractiva está en un constante desarrollo investigativo, como también se buscan nuevas implementaciones para mejorar cada día su producción y el tratamiento de los minerales sulfurados, debido a que ellos son la alternativa y el motor del futuro para seguir avanzando. vii

1. INTRODUCCIÓN

Hoy en día, el procesamiento de los minerales sulfurados de cobre mediante lixiviación y/o flotación requiere de una constante innovación que tiende a buscar operaciones que sean más eficientes y con un máximo rendimiento de los recursos con que se cuenta para ello, a costos económicos que sean mínimos. Producto de lo anterior, así como de las positivas expectativas que se tienen para los años siguientes, es que en la actualidad, las empresas mineras se están preparando para materializar nuevos proyectos de inversión, que logren satisfacer la demanda proyectada de cobre mediante el tratamiento de estas especies mineralógicas. Los minerales sulfurados de cobre son especies mineralógicas que contienen azufre en la forma de sulfuro, están libres de oxígeno y se encuentran combinados con elementos metálicos y semi-metálicos (Manual general de minería y metalurgia, 2006), cuya importancia radica en que son minerales de interés económico a partir de los cuales se puede extraer un elemento útil, ya que conforman uno de los grupos de minerales más abundantes.

En general los sulfuros de cobre son semi-conductores y sus resistividades eléctricas son lo suficientemente bajas para que los electrones se muevan libremente en el sólido. En gran parte de los casos, los procesos de disolución de minerales sulfurados son de naturaleza electroquímica (Ruiz, 2005 citado en Iglesias, 2008).

En lo que respecta al tratamiento hidrometalúrgico de los minerales sulfurados de cobre, resulta importante la búsqueda de nuevas alternativas para procesamientos más eficientes y con mejores cinéticas de disolución, por otra parte, la pirometalurgia busca evitar o disminuir la generación de gases 1

perjudiciales para la salud y el medio ambiente. Así, el tratamiento hidrometalúrgico consiste en la recuperación del mineral de interés mediante procesos que se desarrollan en medio acuoso, que generalmente se realizan con la lixiviación, extracción por solvente y electro-obtención como etapas continúas y dependientes (Gaviria et al., 2007). El reactivo lixiviante normalmente utilizado es el ácido sulfúrico, concentrado o disuelto en solución acuosa.

Ahora bien, el proceso de flotación como método de concentración, consiste en la separación selectiva de especies mineralógicas de acuerdo con sus propiedades superficiales de adhesión a burbujas de aire. Este proceso ha sido usado en la recuperación de la mayoría de los sulfuros metálicos no ferrosos, como los de cobre, níquel, plomo, molibdeno, entre otro, y también se aplica a minerales metálicos no sulfurados como óxidos, silicatos, carbonatos, fosfatos, sales y al carbón mineral (Quiroz, 2009). La importancia de su aplicación radica en que ha permitido el procesamiento de minerales de depósitos mineralógicos de baja ley y complejos en su estructura genérica, a costos económicamente factibles y con procesos relativamente sustentables con el medio ambiente.

La disolución de especies sulfuradas de cobre, ya sean en la forma de minerales o concentrados se ha estado investigando y desarrollando desde ya hace mucho tiempo, como una alternativa a los procesos convencionales de concentración y posterior fusión. Para la lixiviación se investigan nuevos medios para disolver el mineral con el fin de conseguir elevados porcentajes de extracción en el menor tiempo posible, por otra parte, en flotación, las compañías químicas realizan estudios de nuevos reactivos químicos que permitan una mejor selectividad y recuperación de los minerales de interés.

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En este trabajo de seminario se realiza una investigación bibliográfica con los diversos avances que se han desarrollado últimamente en el tratamiento de estos minerales sulfurados de cobre en su concentración y/o trato directo a través de la hidrometalurgia, así como algunas tecnologías y procedimientos que buscan ser alternativa frente a las operaciones tradicionales.

1.1. Objetivos

1.1.1. Objetivo general 

Realizar una revisión bibliográfica sobre los distintos tratamientos aplicados a los minerales sulfurados de cobre como también las últimas alternativas de procesamiento.

1.1.2 Objetivos específicos 

Realizar una recopilación bibliográfica.



Revisar el estado del arte del procesamiento de los minerales sulfurados de cobre y/o concentrados.



Comprender los distintos métodos de lixiviación para los minerales sulfurados de cobre, y el estado del arte correspondiente.



Entender los estudios realizados en flotación de minerales sulfurados de cobre con los distintos reactivos químicos que se investigan para tener una mejor recuperación y selectividad del mineral de interés.

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2. ESTADO DEL ARTE 2.1. Procesamiento de los minerales de cobre El tratamiento de los minerales oxidados y sulfurados de cobre se puede desarrollar de dos formas distintas, por pirometalurgia e hidrometalurgia.

Para el proceso pirometalúrgico se realiza primero el chancado donde se reduce el mineral proveniente de la mina, seguido de la molienda para continuar reduciendo las partículas que componen el mineral de interés. La siguiente etapa es la flotación, que es un proceso físico-químico que permite la separación de los minerales sulfurados de cobre y otros elementos, después de la flotación se realiza el proceso de espesamiento y luego filtración. Las últimas etapas son fusión, conversión, refinación a fuego y electro-refinación. En este tratamiento se genera SO2, el cual contribuye de gran manera a la contaminación ambiental (Lovera, 1999).

El proceso hidrometalúrgico generalmente se lleva a cabo con la lixiviación de los minerales oxidados, el proceso de obtención de cobre se realiza en tres etapas que se desarrollan una tras otra, totalmente sincronizadas las cuales son: lixiviación, extracción por solvente y electroobtención. Estos procesos son mucho más convenientes y amigables para el medio ambiente (Gentina y Acevedo, 2013).

En la Tabla 1 es posible apreciar las especies de cobre importantes, clasificándose según zona, composición y porcentaje de cobre.

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Tabla 1: Especies de cobre importantes, clasificándose en zona, composición y porcentaje de cobre (Manual general de minería y metalurgia, 2006).

Zona mineralizada

Especie mineralógica

Composición más frecuente para esta especie

Cobre %

Cobre nativo

Cu0

100

Malaquita

CuCO3 * Cu(OH)2 ó Cu2CO3(OH)2

57,5

Azurita

2CuCO3 * Cu(OH) ó Cu3(CO3(OH)2

55,3

Chalcantita

CuSO4 * 5H2O

25,5

Brochantita

CuSO4 * 3Cu(OH)2 ó Cu4SO4(OH)6

56,2

Antlenta

CuSO4 * 2Cu(OH)2 ó Cu3SO4(OH)4 3CuO * CuCl2 *3H2O ó CuSiO3 * H2O

53,7

Crisocola

CuO * SiO2 * H2O ó CuSiO3 * H2O

36,2

Dioptasa

CuSiO2(OH)2

40,3

Neotocita

(Cui-Fej-Mnk)SiO3

variable

Cuprita Tenorita Pitch/Limonita

Cu2O CuO (Fei-Cuj)O2

88,8 79,9 Variable

Delafosita

FeCuO2

42

Copper wad

CuMnO2Fe

variable

Copper pitch

CuMn8FeSiO2

variable

Calcosina

Cu2S

79,9

Digenita

Cu9S5

78,1

Djurleita Covelina Cobre nativo

Cu1,95-xS CuS Cu0

variable 66,5 100

Calcopirita

CuFeS2

34,6

Bornita

Cu5FeS4

63,3

Enargita

Cu3AsS4

48,4

Tenantita

Cu12As4S13

51,6

Cu12Sb4S13

45,8

Atacamita Zona oxidada secundaria

Zona de enriquecimiento secundario (o supérgeno)

Zona primaria (o hipógena)

Tetrahedrita *: Adición de moléculas

59,5

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2.1.1. Procesos hidrometalúrgicos y de flotación

La hidrometalurgia comprende los procesos de obtención de metales o compuestos a partir de minerales, mediante reacciones que tienen lugar en soluciones acuosas u orgánicas. Tiene por objetivo poner en solución acuosa las especies de valor contenidas en una mena o en un concentrado, para su posterior recuperación desde la solución, como un producto de valor comercial.

El tratamiento de los minerales por esta vía comienza con la lixiviación donde se realiza la disolución de un metal desde los minerales que lo contienen para ser recuperado, luego para continuar se realiza la extracción por solvente que es una etapa para purificar, concentrar y separar metales de interés que se encuentra en las soluciones ricas provenientes de la lixiviación, y finalmente, viene la etapa de electro-obtención, la cual consiste en hacer circular, a través de la solución electrólito, una corriente eléctrica continua de baja intensidad para separar selectivamente los iones del metal de interés (Manual general de minería y metalurgia, 2006).

En la industria minera para elegir un sistema de lixiviación se deben estudiar y seleccionar factores técnicos y económicos, algunos de estos son: ley de la especie de interés a recuperar, reserva del mineral, caracterización mineralógica

y

geológica,

comportamiento

metalúrgico,

capacidad

de

procesamiento, costos de operación y de capital, rentabilidad económica, entre otras (Universidad de Atacama, 2013).

Por otra parte, el proceso de flotación, consiste de una pulpa acuosa que contiene a las distintas especies de minerales valiosos y ganga, en donde se transforman a las partículas valiosas hidrofílicas en hidrofóbicas mediante el uso de agentes químicos que se adsorben selectivamente en sus superficies, 6

luego se le inyecta aire a la pulpa y con la agitación de ésta, las partículas se adhieren a las burbujas logrando así ascender hasta las superficie en donde son recuperadas desde una espuma estable.

El principal objetivo del procesamiento de los minerales en flotación es extraer las especies útiles que se encuentran diseminadas en los minerales heterogéneos no útil, también llamada ganga, basándose en métodos que aprovechan las diferencias en sus propiedades físico-químicas tales como densidad, susceptibilidad magnética, conductividad eléctrica, propiedades superficiales, entre otras, y las diversidades de su naturaleza química y mineralógica (Quiroz, 2009).

2.2. Tratamientos actuales de los minerales sulfurados en Chile

Con el objetivo de facilitar la comprensión de esta investigación y hacer más práctico el entendimiento al lector, es que en este capítulo se describen algunas faenas mineras con sus procesos más importantes relacionados con la lixiviación y/o flotación de los minerales sulfurados de cobre, así como la continuidad o cambios en sus operaciones y las tecnologías utilizadas.

2.2.1. Minera Escondida

El yacimiento Escondida está ubicado en el norte de Chile, en el Desierto de Atacama, a 170 km al sureste de la ciudad de Antofagasta y a 3.100 m sobre el nivel del mar.

La infraestructura consiste en dos minas a

rajo abierto, Escondida y Escondida Norte, dos plantas concentradoras, Los Colorados y Laguna Seca, posee y opera en el puerto Coloso una planta desalinizadora cuyo producto, agua de mar desalinizada de uso industrial, y

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junto con el agua de filtrado, se transporta a la mina a través de un acueducto para reutilizarla nuevamente en sus procesos.

Por la vía hidrometalúrgica produce cátodos de cobre con mineral oxidado que se extrae del rajo Escondida, se envía a la planta de óxidos, donde se somete a un proceso de reducción de tamaño para luego ser aglomerado con ácido sulfúrico y depositado en pilas de lixiviación. Luego, las pilas son regadas con una solución ácida, la que una vez enriquecida es recuperada y enviada a la planta de SX y posteriormente a EW, donde se obtienen cátodos.

Escondida utiliza el medio de biolixiviación que se realiza con el mineral sulfurado, y se produce por oxidación asistida por bacterias. Este mineral también es reducido de tamaño y depositado en pilas, siendo la oxidación favorecida por la presencia de aire y a temperaturas favorables para la actividad microbiana. Finalmente, la solución enriquecida sigue los mismos procesos de SX y EW que el mineral oxidado (Gentina y Acevedo, 2013).

El proceso de flotación con los sulfuros viene siendo su principal producto de cobre contenido en concentrado, ahora se está llevando a cabo el proyecto Fase V de Escondida que consiste en la construcción de una nueva planta concentradora destinada a reemplazar a la actual planta de Los Colorados, ampliar el rajo, y dar paso a la explotación de las reservas de sulfuros de cobre ubicadas justo por debajo de esa planta (Nueva minería, 2010).

En la actualidad Minera Escondida se destaca por el desarrollo industrial y las sucesivas etapas de expansión que ha tenido durante sus años de vida, han incrementado su capacidad de producción desde 320.000 a más de 8

1.200.000 toneladas de cobre fino al año, no ha sido sólo la consecuencia natural de contar con un enorme y rico yacimiento, sino de aplicar moderna tecnología (ejemplo de ello implementar biolixiviación de los minerales sulfurados de cobre) como también, la capacidad técnica y visión de su gente aportando conocimiento, en consecuencia de esto, ha sabido desarrollar esta Minera un especial cuidado en los diversos aspectos de sustentabilidad (Allbiz, 2013).

2.2.2. Minera Michilla

Minera Michilla está ubicada en la Región de Antofagasta, comuna de Mejillones, en el km 110 del camino a Tocopilla, y a 25 km desde la costa hacia el interior, con una altura de 800 m sobre el nivel del mar.

Posee y opera plantas de lixiviación en pilas dinámicas, extracción por solvente y electro-obtención. Trabaja con minerales oxidados y sulfurados de cobre, una de las bondades de la producción de esta minera es que trabaja con todo tipo de agua, agua servida, agua de procesos y agua de mar, desde sus inicios. Antes Minera Michilla tuvo una planta concentradora pero la cerraron en el año 2000 por los altos costos de su mantención (Backit, 2012).

Michilla utiliza el proceso CuproChlor que es una tecnología que se aplica a la lixiviación de minerales sulfurados y se fundamenta en la química de los medios clorurados. Está compuesta por las etapas de chancado, aglomeración, reposo, lixiviación con solución intermedia y lavado con refino. Este proceso promueve la formación de una capa de productos más porosa, lo que a su vez ayuda a mejorar la difusión de reactivos y productos, también termodinámicamente estabiliza el ión Cu+ (no existe en soluciones sulfato) mediante la formación de complejos de cobre y el ión cloruro (CuCl2, CuCl3-2, 9

CuCl4 -3), lo que aumenta la velocidad global de reacción (regeneración del ión férrico). Algunas ventajas de este proceso se nombran a continuación:

-

Probado industrialmente con minerales sulfurados secundarios

-

Similar a la lixiviación convencional

-

Proceso exclusivamente químico, sin participación de bio-sistemas

-

Permite utilizar agua de mar o soluciones con altos contenidos de salinidad

La tecnología CuproChlor constituye una alternativa tecnológica muy competitiva en el mercado para el tratamiento hidrometalúrgico de minerales del tipo sulfuros secundarios y mezclas, ya sean óxidos-sulfuros o sulfuros primarios y secundarios. Los atributos más importantes de la tecnología CuproChlor se focalizan en las etapas de aglomeración y curado las que permiten por una parte, reducir de manera significativa los ciclos de lixiviación de minerales sulfurados de cobre, y por otra parte, obtener recuperaciones de cobre por sobre el 90% en comparación a otras tecnologías que ofrece el mercado. Otro punto importante que se ha investigado y comparado es que los resultados metalúrgicos de recuperación de cobre son consistentes con los resultados obtenidos tanto en las pruebas de lixiviación a escala en columnas de lixiviación, como en las obtenidas a escala semi-industrial e industrial (Backit, 2012).

2.2.3. División Los Bronces

Los Bronces se ubica en la Región Metropolitana, a 65 km de Santiago y a 3.500 m sobre el nivel del mar. Esta mina es de cobre y molibdeno y se explota a rajo abierto. El mineral que se extrae es molido y transportado por un mineroducto de 56 km a la planta de flotación llamada Las Tórtolas, en la que 10

se produce cobre y molibdeno contenido en concentrados, también procesa los minerales vía hidrometalurgia (LX-SX-EW).

En la planta de flotación que tiene Los Bronces se utiliza mineral con ley promedio de 0,64% (Portal minero, 2013), aquí se realiza el proceso físicoquímico que permite la separación de los minerales sulfurados de cobre y otros elementos como el molibdeno, del resto de los minerales que componen la mayor parte de la roca original. La pulpa proveniente de la molienda, que tiene ya incorporados los reactivos necesarios para la flotación, se introduce en las celdas de flotación. En estas celdas se realiza la concentración del cobre mediante el burbujeo de aire en una solución. Las partículas de cobre son hidrofóbicas y se adhieren a las burbujas de aire y suben a la superficie desde donde rebasan a canaletas que se encuentran a los costados. Luego se realiza el espesamiento del material y uso de grandes filtros, el concentrado es secado hasta reducir su humedad a un 9%. El producto obtenido a partir de la flotación del mineral de cobre tiene principalmente componentes de cobre, azufre y hierro (Anglo American, 2013b).

Por la vía hidrometalúrgica se utiliza mineral con una ley promedio de 0,32% (Portal Minero, 2013). Se construyen pilas donde el mineral es acumulado sobre una membrana impermeable en montículos (pilas) de varias toneladas. Luego se lixivia regando el mineral con una solución preparada, generalmente ácido sulfúrico o sulfato férrico, que percola a través de toda la pila, luego se recolectan los líquidos enriquecidos que se llevan a la planta de proceso de recuperación de la sustancia mineral (SX-EW).

En la actualidad Los Bronces está con un proyecto llamado Desarrollo Los Bronces. El proyecto considera agregar a las actuales instalaciones de Los Bronces una nueva planta de chancado y molienda, una segunda planta de 11

flotación en Las Tórtolas y nuevas tuberías con estaciones de bombeo. Con el desarrollo del proyecto, la mina Los Bronces aumentará su producción desde las actuales 236.000 toneladas de cobre fino al año a un promedio de 400.000 toneladas por año (Nueva Minería, 2010). Esto quiere decir que la nueva planta concentradora agregará a la producción de Los Bronces nuevas 276.000 toneladas por año, y haría que se posicione entre las cinco minas de cobre de mayor producción en el mundo (Portal Minero, 2013).

2.2.4. División Andina

Está ubicada a 80 km al noreste de Santiago, entre 3.700 y 4.200 m sobre el nivel del mar. En la actualidad esta división realiza la explotación de minerales en la mina subterránea de Río Blanco y en la mina a rajo abierto Sur (Codelco, 2013a).

Andina no posee planta de lixiviación, trabaja con planta concentradora, que produce unas 188.494 toneladas métricas anuales de concentrados de cobre que son materia prima fundamental para obtener el metal refinado.

La División Andina actualmente tiene un proyecto llamado expansión Andina 244, el cual llevará su vida útil a 65 años a contar del 2021, cuenta con una serie de innovaciones que permitirán una operación sustentable y en línea con la minería inteligente. Este proyecto contará con un túnel de más de 25 km de extensión, una nueva planta concentradora que impide cualquier tipo de fuga y que ahorra el 10% de energía en su funcionamiento, una canaleta de hormigón sellada y la recirculación del 65% del agua utilizada en los procesos. La nueva planta concentradora será auto-contenida, o sea, que incorpora diferentes medidas de control para evitar posibles fugas o derrames con un nuevo camino de acceso. Su capacidad de tratamiento de mineral promedio 12

será de 150 toneladas por día y funcionará con equipos de alta tecnología, posibilitando el ahorro de un 10% de energía en comparación a los convencionales (Codelco, 2013b).

2.2.5. Minera Esperanza

Minera Esperanza es un yacimiento minero de cobre y oro ubicado a 30 km de la localidad de Sierra Gorda, en la Región de Antofagasta y a 2.300 m sobre el nivel del mar. Su producción principalmente es de concentrados de cobre.

En Minera Esperanza hay que destacar que utiliza tanto agua de mar como agua recuperada de su proceso, alcanzando esta última hasta un 80% de las necesidades de su planta concentradora. El proceso comienza con la extracción del mineral proveniente del yacimiento y prosigue hacia las etapas de chancado, molienda, flotación, concentrado y embarque. El mineral extraído del acopio, se transporta hasta un molino semi-autógeno SAG, para luego continuar

a dos molinos de bolas y baterías de hidrociclones, los que en

conjunto con los chancadores de pebbles completan el proceso de reducción de tamaño o conminución. El mineral, con muy bajo tamaño, ingresa como pulpa al proceso de flotación, el cual posee diversas etapas tales como flotación primario, flotación flash,

flotación de primera limpieza y barrido,

remolienda y flotación de segunda limpieza, dando como resultado una separación del mineral valioso del material estéril o ganga. Al concentrado colectivo obtenido en la flotación de segunda limpieza, se le aumenta el porcentaje de sólidos y se almacena en un estanque de agitado, desde donde se bombea a través de un concentraducto de 143 km hasta la costa, en la zona de Michilla.

Una vez allí, la pulpa es espesada y filtrada obteniendo el

concentrado colectivo que se almacena en el edificio de acopio. 13

Minera Esperanza utiliza agua de mar

bombeada mediante cuatro

estaciones de bombeo ubicadas entre su muelle y su faena ubicada en la comuna de Sierra Gorda. Esta agua de mar se suma a la recuperada en el proceso de espesamiento de relaves y concentrado de pulpa, generando así el flujo necesario para satisfacer las necesidades de su planta (Minera Esperanza, 2013).

2.2.6. División Mantos Blancos

La División Mantos Blancos de Anglo American se encuentra ubicada en la II Región, a 45 km de la ciudad de Antofagasta y a 800 m sobre el nivel del mar. Comprende una mina a rajo abierto, y en la actualidad basa su producción en dos líneas principales, procesamiento de minerales sulfurados vía concentración y beneficio de minerales oxidados vía lixiviación.

Es importante destacar que esta empresa aún utiliza lixiviación por bateas que es un método ya abandonado en la industria minera, aquí la lixiviación se realiza en 12 bateas, la lixiviación se realiza en dos etapas, primaria y secundaria, en general hay permanentemente 4 bateas en lixiviación primaria, 4 bateas en lixiviación secundaria, 1 carguío, 2 descargas y 1 en inspección. La lixiviación primaria consiste en que las bateas que están en este ciclo operan con bombeo continuo de soluciones intermedias, desde un estanque de traspaso. La solución es alimentada desde un colector principal que permite distribuir la solución a las 12 bateas. Periódicamente se controla el contenido de ácido residual en la solución saliente, para evitar la neutralización por consumo de ácido en el lecho, de acuerdo a requerimientos es necesario adicionar, eventualmente, ácido fresco en el estanque de la bomba. La solución saliente durante esta etapa es la solución rica que contiene el cobre. La 14

solución rica es transportada por gravedad hacía dos clarificadores que operan en paralelo, cuyo objetivo es disminuir el contenido de sólidos en suspensión, antes de ser enviada a las piscinas de la solución rica. Para que disminuya la suspensión se le adiciona floculante. La lixiviación secundaria consiste en la etapa donde la batea es alimentada con solución de refino, la solución es bombeada desde una piscina y llega al área de lixiviación a un colector que al igual que la lixiviación primaria permite distribuir a las doce bateas. El flujo saliente se denomina solución intermedia, que por gravedad es conducida a los estanques de almacenamiento para reutilizarla en la lixiviación primaria (Minería Chilena, 2013; Díaz, 2013).

En la planta de tratamiento de minerales sulfurados, la pulpa es enviada a flotación primaria, en celdas convencionales, remolienda del concentrado y posteriormente la flotación de limpieza columnar. La cola de la columna pasa a flotación de barrido, el concentrado obtenido pasa a remolienda y el relave al primer banco de flotación primaria de óxido. El concentrado final obtenido en la columna es espesado y luego filtrado. Dado que el mineral sulfurado, contiene una cantidad importante de cobre oxidado, éstos se tratan mediante una flotación sulfidizante, donde son espesados y enviados directamente a las instalaciones de una planta de lixiviación y flotación ácida, donde son sometidos a un proceso de lixiviación por agitación con ácido sulfúrico concentrado en agitadores, con el objetivo de recuperar el cobre sulfurado que trae el concentrado de óxido, la pulpa lixiviada es flotada en un circuito de flotación primaria y de barrido ácida, compuesta por una celda del tipo Jameson y celdas convencionales. El concentrado obtenido es espesado y almacenado para su posterior transporte (Díaz, 2013).

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3. ALTERNATIVAS DE PROCESAMIENTO Y NUEVAS TECNOLOGÍAS

En este capítulo se mencionan algunas alternativas y tecnologías para el tratamiento de los minerales sulfurados de cobre con respecto a nuevas modalidades de operación, para que ayuden aumentar la productividad del proceso en la industria minera.

3.1. Utilización del agua de mar en la minería

Se menciona la utilización del agua de mar como una alternativa, ya que la escasez hídrica es una de las preocupaciones que posee la industria minera, razón por la cual es de suma importancia tener otra opción y evaluar el efecto del agua de mar en los procesos.

Cuando se utiliza agua de mar en los procesos de flotación no hay mayor consumo de reactivos, ni efectos en la recuperación, de hecho se disminuye el tamaño de las burbujas con el agua de mar, aumentando el índice de espumabilidad y así mejorando el proceso, las problemáticas aquí son las incrustaciones de yeso por la adición de cal taponeando las tuberías y maquinarias, la corrosión de las bolas y revestimientos en las etapas de molienda (Romero, 2012), por lo tanto deben usarse materiales especiales en el proceso que toleren el efecto corrosivo superior que cuando se utiliza aguas dulces. Sin embargo, la tecnología de los materiales ha avanzado y es posible tener materiales adecuados para el uso del agua de mar.

En los procesos hidrometalúrgicos hay estudios que demuestran que extracciones de cobre realizadas con agua de mar y con agua dulce arrojan resultados similares, por ejemplo en la extracción de cobre desde los minerales oxidados usando agua de mar se alcanzan extracciones de cobre entre 7016

80%, similares a las extracciones obtenidas usando agua dulce (Gecamin, 2013). Con respecto a los minerales sulfurados secundarios la utilización del agua de mar incrementa la cinética de lixiviación, obteniendo altos porcentajes de extracción, ya que el cloruro contenido en el agua de mar mejora la cinética de disolución, entonces, se puede decir que los procesos se realizan sin mayor problema para los sulfuros secundarios de cobre, siendo beneficiados por el medio clorurado natural que se crea, haciendo con ellos rentable la lixiviación (Gecamin, 2013). Lo anterior coincide con lo postulado en estudios donde la utilización de iones cloruros tienen un efecto más eficiente debido a la reactividad que presentan los minerales sulfurados en medio clorurado (Velásquez, 2008). Algunos problemas que se podrían presentar al utilizar agua de mar en la hidrometalurgia, podrían verse reflejados en la electroobtención, algunos de ellos podrían ser:

alto contenido de cloruro en el

electrólito, cátodos contaminados con CuCl-, problema de despegue de las placas de cobre, disminución de la eficiencia de corriente y corrosión de las placas catódicas de acero (Romero, 2012). En la Tabla 2 y 3 se muestran empresas que utilizan actualmente agua de mar en sus procesos productivos. Tabla 2: Empresas con uso de agua de mar directamente en sus procesos (Cochilco, 2012).

Región II II II II II

Operador Antofagasta Minerals Antofagasta Minerals Compañía minera de Tocopilla SLM Las Cenizas Compañía minera de Tocopilla

Operación Minera Esperanza Minera Michilla Planta Lipesed Minera Las Luces Minera Mantos de la Luna 17

Tabla 3: Uso agua de Mar en Minería del cobre en Antofagasta (Romero, 2012).

Minera

Producto

Producción Impulsión Consumo Línea Línea de Cu long/altura agua óxido sulfuro (t/año) (km/m.s.n.m.) (L/s)

Cia. Minera Tocopilla – Cátodos 3,600 Borde costero / Lipesed S.A. (1987) Cia. Minera Tocopilla– Cátodos 25,000 8 / 1355 40 Mantos de la Luna (2005) Cia. Minera las Cenizas Concentrado 12,00 7 / 178 44 –Las Luces (1995) Cia. Minera las Cenizas –Planta Cátodos 6,000 50 / 800 8.5 Oxido (2010) Antofagasta Minerals – Cátodos 50,000 15 / 835 93 Michilla (1959) Antofagasta Minerals – Minera Esperanza Concentrado 190,000 145 / 2200 635 (2011) BHPMinera Escondida 525 Concentrado/Cátodos 1,2 MM 176 / 3160 (1985 desalada /Desaladora 2006) x: Utilización agua de mar en el tratamiento de óxido o sulfuro

x

x

x

x

x

x

x

/: No hay dato

18

En la actualidad solo algunas mineras de la II región utilizan agua de mar directa en sus procesos, hay otros proyectos para la III región pero para utilizar agua

de

mar desalinizada,

ya

que

se

están

construyendo

plantas

desalinizadoras en las faenas Mantoverde, Candelaria y Cerro Negro Norte (Cochilco, 2012).

3.2. Nueva planta concentradora

En la actualidad Codelco, específicamente en la división Ministro Hales, maneja un proyecto llamado explotación Mina Ministro Hales (MMH), que a futuro la idea es implementarlo en las otras divisiones de Codelco si tiene buenos resultados. Este proyecto posee como innovación la construcción de una nueva planta concentradora de sulfuros de cobre, la cual tendrá nuevas etapas de flotación, con más celdas, remoliendas, limpieza y barrido, estará localizada entre la ciudad de Calama y el campamento Chuquicamata. El proyecto considera la explotación a rajo abierto del yacimiento Mina Ministro Hales por un período de 13 años, y de 17 años para la operación de la planta (Codelco, 2012).

El proceso del proyecto MMH sigue la vía de: chancado, molienda, flotación, espesamiento de concentrado y relaves, transporte de relaves, como anexos las plantas de reactivos de colectores, espumante, floculante y de cal y un suministro de agua para las operaciones del proyecto. Es importante resaltar que lo beneficioso de esta nueva implementación, es que tendrá un circuito de flotación diseñado para manejar escenarios de operación tales como: normal, normal más un 20% en tonelaje alimentado, normal menos un 20% de sólido alimentado, y un molino de bolas operando eventualmente con un máximo y mínimo fino de cobre alimentado a la planta. Los escenarios 19

normal, máximo y mínimo fino de cobre alimentado a la planta permiten asegurar el diseño de esta para una variación en la ley de alimentación de entre 2 y 0,67%, para un flujo de alimentación instantáneo de 2.289 t/h (Muñoz, 2013; Codelco, 2012).

El circuito normal consta de la flotación primaria, comienza en el cajón distribuidor, el cual recibe los flujos del rebose de los hidrociclones, agua de proceso, lechada de cal y colector secundario. Desde este cajón se alimenta a dos líneas de celdas, cada una compuesta por 6 celdas y con agitadores. La espuma flotada que lleva el cobre primario es enviada al circuito de remolienda. La pulpa remanente (cola) es transferida al área de espesamiento de relaves.

Luego viene la remolienda que comienza en el cajón de bombeo, que alimenta a los hidrociclones. A este cajón ingresa, en operación normal, los concentrados generados por la flotación primaria y por la flotación de primer y secundo barrido, además, de una fracción (10%) del total de la adición de espumante, la recirculación de los derrames propios del área y la carga circulante del circuito. La pulpa es enviada mediante bombas centrífugas hacia los hidrociclones. La descarga de los hidrociclones es enviada hacia un molino vertical cada uno con un 65% de sólido, aproximadamente, mientras que el rebose de cada hidrociclón es transferido a la próxima etapa de flotación que es primera limpieza (Codelco, 2012).

Finalmente viene la flotación de limpieza y barrido normal, la flotación de primera limpieza comienza en el cajón distribuidor desde donde se alimenta a dos líneas de cuatro celdas. La flotación de segunda limpieza recibe el concentrado de la primera limpieza, bombeado desde el cajón concentrado. Esta etapa consta de dos columnas de flotación. El concentrado de esta etapa es el producto final del circuito (concentrado final), con una ley estimada de 20

35% de Cu, el que se transporta gravitacionalmente hasta el cajón de distribución de espesadores de concentrado. El relave de esta etapa retorna a flotación de primera limpieza. El relave de la etapa de primera limpieza alimenta a la flotación de primer barrido, que está compuesta por 6 celdas, separadas en dos líneas de 3 celdas cada una. El relave producido pasa a una segunda etapa de barrido compuesta por una línea de flotación con celdas 6 y posteriormente descartado junto al relave de la flotación primaria. Los concentrados de primer barrido y segundo barrido van a remolienda (Codelco, 2012).

Recapitulando los procesos de las faenas mineras expuestas en el trabajo, se puede observar que ninguna compañía trabaja con lixiviación de concentrado de cobre, esto se debe a que aún este tratamiento tiene un costo muy elevado para su producción, hay algunas empresas que si quieren apostar por este tratamiento, realizando proyectos en plantas piloto y laboratorios, como también proyectos de expansión instalando la nueva tecnología de lixiviar concentrado en sus plantas concentradoras ya instaladas, esta vía posee una gran ventaja, que es evitar la contaminación ambiental provocada por los procesos metalúrgicos convencionales basados en la fundición.

También se puede observar que en la mayoría de las mineras su producto estrella es la producción de concentrado, el cual se vende, y se podría decir que Chile en su mayoría exporta cobre en estado concentrado, pero no es así, ya que cifras concretas publicadas en junio del 2013 por el Consejo Minero dice que Chile en el último año exportó el 62% de producto en estado de cátodo o refinado, y el 38% representa a la exportación de concentrado de cobre (Nueva minería, 2013), estas cifras se han mantenido similares durante los últimos 10 años en la exportación de cobre chileno.

21

3.3. Utilización del medio clorurado en la lixiviación de la calcopirita

Los minerales sulfurados primarios son muy importantes para la industria minera, ya que los óxidos y sulfuros secundarios se están agotando, y es por esto que se buscan nuevas tecnologías de tratamiento, en especial para tratar a la calcopirita que es el sulfuros primario más abundante y de naturaleza refractaria que hay entre los sulfuros de cobre (Gu et al., 2013). Se han realizado varias investigaciones para estudiar la disolución de la calcopirita en medio clorurado, sin embargo, los factores que afectan a la lixiviación de la calcopirita son poco conocidos y aún no existe un consenso en ciertos factores importantes (Ibáñez, 2011). Las velocidades de disolución de la calcopirita aún no son actualmente satisfactorias (Gu et al., 2013), ya que la idea es que este proceso se pueda utilizar en la industria minera del cobre, por lo mismo estos factores que determinan la disolución de la calcopirita han sido y siguen siendo ampliamente estudiados (Córdoba et al.,2008).

En estudios de lixiviación utilizando cloruro ha quedado demostrado que es eficiente debido a la mayor reactividad de los minerales sulfurados en este medio (Velásquez, 2008), también es positivo este medio clorurado ya que se puede utilizar agua de mar que posee aproximadamente 20 g/L de iones cloruros (Ibáñez, 2011), siendo muy rentable para la industria por la escases del agua en el norte de Chile.

Son varias las ventajas que tiene la lixiviación en medio clorurado, como tratar mineral de baja ley, un control de residuos de mayor facilidad (Córdoba et al., 2008), la lixiviación se puede realizar a temperaturas moderadas, la mayoría del azufre sulfurado en el mineral es convertido a azufre elemental, costo capital más bajo, más fácil de controlar y realizar, (Lu et al., 2000) y amigable con el medio ambiente (Lovera, 1999). 22

La extracción de cobre a partir del mineral de calcopirita en medio clorurado tiene varias ventajas sobre los procesos basados en sulfato, como cinéticas más rápida, alta solubilidad de los metales, fácil oxidación de sulfuros, entre otras. Las desventajas incluyen la corrosividad y la reducción de densidad de corriente límite durante la electro-obtención, esto se comprobó en varias pruebas realizadas con variaciones en los parámetros para mejorar el rendimiento y disminuir estas desventajas, y se demostró que es mejor la extracción electrolítica de cobre de la solución de lixiviación del mineral de calcopirita utilizando medios clorurados con bajas concentraciones de ácido e iones cúpricos (Kumar, 2010). Si se comparan estas ventajas y desventajas se puede observar que la lixiviación de un mineral sulfurado o concentrado en medio clorurado es más ventajoso, ya que varios medios en cloruro han sido examinados para la extracción de cobre, por ejemplo cloruro cúprico y soluciones de cloruro férrico ya han demostrado ser eficaces agentes de lixiviación, como también el cloruro ferroso o combinaciones de iones férricos/ ferrosos y cúprico/ cuproso (Lu y Dreisinger, 2013; Lundstrom et al.,2012; Kumar, 2010).

Importante destacar en lo económico, que se realizaron investigaciones donde queda demostrado que las velocidades de disolución de la calcopirita con H2SO4 y NaCl son similares a las velocidades obtenidas con HCl, y como el HCl es más caro, se hace conveniente utilizar estos dos reactivos (Velásquez, 2008), apoyando esta investigación utilizando NaCl a presión atmosférica y a 95°C se ve favorecida la lixiviación de la calcopirita ya que aumenta considerablemente el porcentaje de extracción del cobre (Lu et al., 2000).

23

3.3.1 Algunos parámetros más relevantes en la lixiviación de la calcopirita según estudios de laboratorio

Se mencionan algunos parámetros influyentes estudiados en la disolución de la calcopirita, para así tener un mejor entendimiento al momento de trabajar con este sulfuro primario de cobre.

3.3.1.1. Efecto de la temperatura

Varios investigadores han llegado al acuerdo que aumentando la temperatura se produce un incremento en la disolución de la calcopirita (Quezada, 2013; Beiza, 2012; Ibáñez, 2011; Velásquez et al., 2010b; Lu et al., 2000; Córdoba et al., 2008; Harahsheh et al., 2008), es por esto que esta variable es muy importante, ya que es sabido que cuando se utilizan elevadas temperaturas hay un mayor gasto económico en el tratamiento.

Se realizaron estudios a temperatura ambiente y moderadas entre 25 y 75°C, los cuales tuvieron un efecto positivo en la disolución de la calcopirita (Velásquez et al., 2010b), otro estudio aumentando la temperatura de 35°C a 75°C la disolución de la calcopirita generó buenos resultados, dando un valor de energía de activación de 96,55 kJ/mol, indicando que la velocidad es controlada por la reacción química (Ibáñez, 2011).

En varios experimentos realizados en reactores agitados, también ha quedado demostrado un efecto negativo al aumentar mucho la temperatura entre 85 y 95°C, donde disminuye la velocidad de disolución (Lu et al, 2000), y a 90°C se produce una aglomeración de las partículas ocasionando el mismo efecto negativo en la disolución (Ibáñez, 2011).

24

3.3.1.2. Tamaño de la partícula

En varios estudios ha quedado demostrado que el tamaño de las partículas es importante al momento de obtener buenos resultados en la disolución de la calcopirita, ya que trabajar con partículas de menor tamaño como 4,03 µm, es más rápida la cinética de disolución por tener mayor exposición de superficie el mineral en la solución (Lu et al., 2000).

Los estudios demuestran la dependencia del tamaño de la partícula en la disolución de la calcopirita, ya que tamaños de partículas finas bajo 25µm genera una cinética más rápida que con un tamaño entre 25µm y 38µm, esto demuestra que la lixiviación es directamente proporcional al área superficial de las partículas, esto se probó en pruebas de lixiviación a 35°C; 0,2 M HCl; 0,5 g/L de Cu2+ y con control de potenciales en la solución (Velásquez et al., 2010b).

En otra investigación utilizando agitadores magnéticos y partículas de 25 µm, queda demostrado la importancia del tamaño de las partículas, ya que estos agitadores disminuyeron el tamaño del mineral debido a la abrasión causada en ellos, aumentado la disolución de la calcopirita en un 70% (Ibáñez, 2011).

3.3.1.3. Efecto de la concentración de cloruro

Se realizaron experimentos que demostraron que al aumentar de 10 a 50 g/L la concentración de iones cloruros no fue propicio cuando se disolvió mineral de calcopirita en reactores instrumentados, obteniendo un 27% de extracción de cobre contra un 10% aumentando la concentración de iones cloruro. Luego se aumentó la concentración de cloruro de 50 a 90 g/L en 25

lixiviación de columnas con una mezcla de mineral y concentrado de calcopirita, obteniendo un leve incremento en la extracción de cobre en un 25% y 32% respectivamente (Beiza, 2012).

Otra experiencia con presencia de los iones cloruros (50 g/L) en la disolución de calcopirita en reactores instrumentados mejora la cinética de disolución de 3,33% a 9,71% y luego al aumentar más la concentración no existió un efecto importante en la disolución (Ibáñez, 2011).

En experimentos realizados en reactores agitados a 35°C; 0,2 M HCl; 0,5 g/L de Cu2+ y bajo potenciales de la solución, se determinó que a altas concentraciones de cloruro no aumenta la disolución de la calcopirita, pero si los iones de cloruro son importantes en la velocidad de oxidación de iones cuprosos y ferrosos por el oxígeno disuelto que se mejora a altas concentraciones de cloruro (Velásquez et al., 2010b).

3.3.1.4. Efecto del potencial de solución

El efecto del potencial de solución es una variable muy importante en la cinética de disolución de la calcopirita, y un control de ella no llevaría a que se forme la capa pasivante en la calcopirita (Ibáñez, 2011; Velásquez et al., 2010a; Córdoba et al., 2008).

En investigaciones se habla de una ventana de potencial ideal, este rango se nombra en estudios donde se encontró la dependencia de la disolución con el potencial y el oxígeno disuelto, utilizando calcopirita en medio clorurado, aquí la llamada ventana de potencial ideal, es la tasa de disolución de la calcopirita lineal y sus rangos están entre los 560 y 620 mV (SHE). La presencia de oxígeno disuelto ayuda aumentar la disolución en esta ventana de 26

potencial, pero un exceso de oxígeno podría aumentar el potencial provocando la pasivación (Velásquez et al., 2010a).

En estudios recientes en reactores instrumentados queda demostrado la dependencia del potencial en la disolución de la calcopirita en medio clorurado, cuando los potenciales alcanzan valores entre los rangos 540- 630 mV (SHE) la cinética de disolución aumenta y son aceptables, y cuando sube o baja de este rango, la disolución disminuye considerablemente (Quezada, 2013; Ibáñez, 2011).

3.3.1.5. Efecto del pH

El efecto del pH varía en algunas investigaciones según las condiciones de trabajo, en experiencias se demostró que mantener un pH sobre 2,5 en reactores instrumentados aumenta la cinética de disolución de la calcopirita en un 99,31% a diferencia de un 13% de extracción de cobre a un pH [Consulta: 9 de julio 2013].

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