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1º Prueba Parcial de Hidrometalurgia 1) Explique las etapas elementales en las que se puede subdividir el proceso heterogéneo. Reacción Heterogénea Global, se tiene: a A +  r R + s Donde: A = es la solución lixiviante propiamente tal. B = representa el material sólido que contiene el elemento de Interés a disolver. R = representa el producto fluido de la reacción. S = es el material sólido en la reacción. 1.- Transporte del reactivo A por escurrimiento de la masa de fluido 2.- Difusión externa de A, desde el seno de la solución hasta la superficie de la partícula, a través de la capa límite estacionaria que se crea alrededor de la partícula. 3.- Difusión interna en la partícula por difusión a través de los poros 4.- Adsorción de A sobre un sitio activo, ya sea en la superficie externa de la partícula o en la superficie interna de los poros. 5.- Reacción en la superficie, es decir, transformación de los reactivos A y B en los productos R y S en la fase absorbida. Esta reacción puede ser de simple descomposición (química) o de óxido - reducción (electroquímica). 6.- Deserción de R desde la superficie externa e interna de la partícula. 7.- Difusión interna de R, desde el interior de la partícula por difusión a través de los poros. 8.- Difusión externa de R hacia el seno de la fase fluida a través de la capa límite que rodea a la partícula. 9.- Transporte de R hacia el exterior del sistema por escurrimiento de la masa de fluido. 10.- Generación y transferencia de calor en el interior del grano. 2) Nombre y explique brevemente las etapas que están involucradas en un mecanismo simplificado de lixiviación. - Transferencia de masa en el film de fluido: Difusión externa de A, desde el seno de la solución hasta la superficie de la partícula. - Difusión de A a través del residuo sólido poroso como producto de reacción: Difusión interna en la partícula por difusión a través de los poros. - Reacción de A con el sólido en la superficie de reacción: transformación de los reactivos A y B en los productos R y S en la fase absorbida. Esta reacción puede ser de simple descomposición (química) o de óxido - reducción (electroquímica). - Difusión de los productos formados a través del residuo sólido hacia la superficie exterior del sólido: Difusión externa de R hacia el seno de la fase fluida a través de la capa límite que rodea a la partícula. - Transferencia de masa de los productos de reacción hacia el seno de la solución: Transporte de R hacia el exterior del sistema por escurrimiento de la masa de fluido. Pág. 1

3) Explique el proceso de lixiviación in-situ, indicando las condiciones de las diferentes variables involucradas en dicha lixiviación. Consiste en la lixiviación de minerales residuales de una mena que se a dejado de explotar o en la aplicación de soluciones lixiviantes directamente al cuerpo mineralizado en profundidad, minerales de baja ley. Las soluciones se introducen en la mineralización y se deja percolar por gravedad, colectándose en niveles mas bajos, mediante una red de drenaje, la solución con metal se bombea a la superficie en donde se recupera la especie valiosa. La lixiviación in-situ no tiene costo de explotación y extracción del mineral, se usa con mineral de baja ley el cual no es capas de autofinanciar algún tipo de explotación. Colusión

Características: - Ahorro en costo de estanque con agua y acido, mangueras. - Tiene una mala recuperación - El cerro debe ser permeable y abajo del cerro debe ser impermeable de manera de poder canalizar las soluciones y poder recuperarlas. - Se construyen túneles que deben tener una pendiente hacia el botadero, siempre las soluciones tenderán a irse al túnel, por naturaleza las soluciones escurren a menor presión. La permeabilidad del cuerpo mineralizado es un factor importante aunque este se puede incrementar mediante la formación de fracturas con explosivos, siendo su mayor dificultad el control de las pérdidas de las soluciones hacia aguas subterráneas (problemas ambientales y pérdida de metal). Las ventajas son los bajos costos y el ahorro de la explotación el cual es contrastado con las bajas recuperaciones, lenta cinética y baja concentración del metal. 4) Si un mineral de cobre presenta una velocidad de reacción proporcional a su área superficial, ¿Qué método de lixiviación recomendaría y por que? El método por lixiviación en pilas, ya que tendría un bajo consumo de acido, debido a que a mayor tamaño de partícula, mayor velocidad de reacción, por lo tanto habría una mayor difusión hacia y fuera de la partícula. Pág. 2

5) En una reacción heterogénea con que variables se relacionan las etapas de flujo forzado y difusión externa. Flujo forzado: tipo de reactor, tamaño y forma de la partículas, caudal de la face fluida. Difusión externa: (Transformación de masa) tamaño y forma de la partícula, velocidad relativa entre el fluido y la partícula y tipo de reactor. 6) Mencione cuales son las condiciones básicas de un sistema de riego y explique los sistemas de riego que existen. ¿Cuál es el más usado hoy en día y por que? El sistema de riego debe mojar la pila a la cantidad determinada de L/h-m2, que se ha definido previamente en laboratorio en función de la capacidad de drenaje del material, teniendo como consideración secundaria la concentración de las soluciones a obtener. - Permitir un riego tan uniforme como sea posible. - Un tamaño de gota incapaz de provocar la aparición de finos por ejemplo en desaglomeramiento del mineral. - Un tipo y tamaño de gota que no sea afectado por las condiciones ambientales, esto es arrastre de los vientos o pérdidas por evaporación. - Estar construido con materiales resistentes a los agentes químicos y condiciones de operación. Los tipos de riegos son: Riego por goteo y Riego por aspersión. Goteo = - Agua escasa - Ph no permite precipitación de sales - Peligro de congelamiento en alta cordillera - Régimen vientos fuertes y permanentes Aspersores = - El recurso de agua no es limitante - Aguas muy duras y peligro de precipitación de carbonatos - Temperatura minima de 0º - Régimen de viento moderado o intermitente - Necesidad de oxigeno en la solución, sin posibilidad de - agregarlo en alguna instalación anterior El sistema de riego mas utilizado hoy es el riego por aspersión por ser mas barato y permite un riego mas uniforme y homogéneo, también se puede agregar que la solución gana mas oxigeno por que el liquido tiene mas contacto con el aire y conviene que la gota sea pequeña para que tenga mayor superficie especifica y gane oxigeno. Pág. 3

7) a) En que condiciones se puede obtener la lixiviación o disolución de los óxidos simples de cobre. b) Que condiciones requiere la tenorita y la cuprita para ser lixiviadas. c) Como es la estabilidad del cobre metálico. d) A que potencial es posible reducir el Cu++ 1.- Considerando las temperaturas = 25ºC 2.- Actividad de las especies sólidas y diferentes iones = 1 3.- Presiones parciales de gases = 1 atm - La disolución de los óxidos simples de cobre es termodinámicamente posible en el dominio ácido y en presencia de oxidantes. - La tenorita (o paramelaconita) sólo necesita condiciones de pH, mientras que en esas condiciones, la cuprita necesita además la presencia de un agente oxidante (iones Fe+3, O2, u otros). - En forma inversa, al estar el Cu++ en solución, y para poder permanecer en ella, necesita de una cierta acidez libre, evitándose de esta manera su posterior precipitación a pH > 4.0. - Observando la posición relativa del equilibrio Cu++/Cu con respecto al equilibrio H+/H2, se desprende de que es posible reducir Cu++ a Cu de sus soluciones por acción del hidrógeno. Además, el poder reductor de éste aumenta al aumentar el pH. - A través de todo el rango de pH, el cobre metálico es termodinámicamente estable estando en contacto con agua, pero en ausencia de O2. - La lixiviación ácida oxidante del Cu (como cemento de cobre, por ejemplo) con O2 gaseoso es posible ya que la línea de oxidación del agua a O2 está muy por encima de la oxidación del cobre. El carácter ácido es necesario para evitar productos de oxidación como CuO, Cu(OH)2. - A pH sobre 4.0 y bajo 16, se favorece también termodinámicamente la formación de óxidos y en un medio fuertemente alcalino, el cobre puede disolverse como CuO2=. - La precipitación electrolítica se puede realizar aplicando al cátodo un potencial inferior a 0.34 v. De esta forma el Cu++ se reduce en el cátodo de acuerdo a: Cu++ + 2ê Cu (cátodo) Pág. 4

8) En el desarrollo de un proyecto minero Ud. se encuentra a cargo del estudio metalúrgico. De un análisis económico la empresa a definido que el proceso de lixiviación a utilizar dentro de la respuesta metalúrgica. a) Explique claramente que parámetros estudiaría para definir el proceso de lixiviación. b) Si la decisión es lixiviación en pilas dinámicas, explique mediante un diagrama de flujo, el proceso de lixiviación y el movimiento de las soluciones, indicando valores aproximados un promedio de concentraciones de acido y cobre, usados y obtenidos respectivamente. - Evaluar la lixivialidad de la mena en pruebas de laboratorio con un 30% de sólido, 50gr/L de concentración de acido [H+] en 24 horas. - Debemos realizar un análisis químico con el fin de determinar la ley de la mena. - Debemos evaluar el grado de chancado y el tamaño de la partícula (granulometría deseada) de acuerdo a la recuperación que obtendremos. Es necesario para no afectar la percolabilidad del flujo y trabajar con una cinética adecuada en las reacciones químicas. - Flujo de lixiviación (flujo de solvente y tipo de solvente con el que se va a trabajar) - Importante también de acuerdo a las pruebas metalúrgicas considerar la recuperación máxima y el consumo máximo de acido. - En general propiedades físicas y químicas del mineral y comportamiento metalúrgico de la mena. Pila dinámica: En una misma pila coexisten materiales que están en diversas etapas de tratamiento

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- relación consumo reactivo v/s recuperación y concentración de reactivo, esta relación esta directamente ligada con el concepto económico del proyecto, nuestro consumo de reactivo debe estar en justo equilibrio con nuestra recuperación. - Concentraciones muy estables y regulables en las soluciones de proceso - Las recuperaciones están entre 80% - 85% y ley de ripio r = 0,05 – 0,1%

1,0% 0,5% 0,1% fresco interm. agotado

Fresco Intermedio Agotado [Cu] = 12 gr/L [Cu] = 6 gr/L [Cu] = 2 gr/L [H+] = 2 gr/L [H+] = 20 gr/L [H+] = 40 gr/L A medida que se va agotando el mineral se va renovando en la pila. El mineral más agotado necesitara mayor concentración de acido. 9) a) ¿Qué significado tienen las líneas de estabilidad del H2O en un diagrama de pourbaix? b) Comente la influencia que puede tener la presión y la temperatura en el aspecto cinético de la lixiviación. c) Comente la influencia del Eh y Ph en los procesos de lixiviación.

a) Determinar el área en que es mas factible que ocurra una reacción química a un determinado PH y EH, puesto que se esta considerando el equilibrio termodinámico de especies en soluciones acuosas. b) El aspecto cinético de la lixiviación da cuenta del tiempo necesario para que ocurra la reacción. - A mayor temperatura menor tiempo de lixiviación, ocurre mayor cinética. - A mayor presión menor tiempo de lixiviación, ocurre mayor cinética - A mayor temperatura apuramos la transferencia de masa y la reacción química. c) Las condiciones del Ph y Eh nos permiten visualizar posibilidades de reacción sin tener que recurrir al cálculo termodinámico para los fenómenos que ocurren en medio acuoso. El Ph y Eh en un proceso de lixiviación determinan si el cobre se mantiene en solución y precipito. Pág. 6 10) Como metodología de los procesos de lixiviación en pilas existe la alternativa de aglomerar y curar. Bajos estos conceptos explique el objetivo de cada uno de ellos y cuales serán las ventajas del punto de vista operacional, al aplicar dichas metodologías. No todos los minerales se deben aglomerar: - Las partículas de 10% menor a 100 # necesita aglomeración. - Las partículas de 5% menor a 100 # no necesitan aglomeración. Aglomeración: es el proceso de juntar partículas mas finas alrededor de una más grande. Soluciona uno de los problemas importantes de la lixiviación en pilas que son los finos, por lo tanto con el aglomerado evitamos las zonas de impermeabilización de sectores de la pila que generaban lagunas de solución. Curado: Es el proceso de agregar acido al sistema de aglomeración en la proporción de 9 es a 1. Nueve de acido por 1 de agua, es donde se ocupa mas acido, esta operación genera una reacción exotérmica que provoca aumento de temperatura, provocando el agrietamiento o fracturamiento de las partículas produciendo el proceso de transferencia de masa. Las ventajas pueden ser: - Conduce a una mejor cinética y recuperación del mineral y aumenta la lixiviación posterior. - Menos consumo de reactivos por la ganga, durante la mezcla del mineral. - Con la solución de curado las partículas finas se adhieren a la superficie de las partículas de mayor tamaño, lo que implica una distribución más homogénea de los finos, mejorando la percolabilidad de la solución a través del mineral.

Al no realizar la operación de aglomeración y curado podría generar problemas con los finos al impermeabilizar la pila e impedir el flujo de las soluciones, además aumentan los tiempos de lixiviación, ya que el acido es agregado a la pila perdiendo tiempo en la difusión. Se produce un mayor consumo de reactivo y una menor extracción de soluciones mineralizadas. 11) En un proceso hidrometalúrgico ¿como son las condiciones termodinámicas y condiciones cinéticas? y porque? Son muy favorables, implican una gran disminución de la energía libre asociada a la reacción considerada. Ataca a los sólidos provocando la disolución de la especie mineral. Todos los minerales de Cu son termodinámicamente lixiviables. La limitación normalmente es el aspecto cinético ya que depende del tiempo que demora la reacción. Temperaturas bajas en el proceso implicas bajo tiempo de reacción. Pág.7 12) Explique el fenómeno de difusión en hidrometalurgia y relacionar con la 1º ley de Fick. La difusión externa define la difusión en fase homogénea en solución, y queda caracterizada por la Ley de Fick. La difusión interna es la difusión del reactivo en la capa de producto sólido poroso que se puede formar durante la reacción. La difusión en los poros depende de las características de las moléculas que difunden y del diámetro y longitud del poro; mientras más largo y estrecho es el poro, más difícil es la difusión. Ambos conceptos pueden ser agrupados como transferencia de masa de fluido en el film y difusión propiamente tal en la capa de sólido. 1° Ley de Fick: Relaciona la cantidad de material que difunde por unidad de tiempo en una dirección perpendicular a un plano de referencia de área unitaria, con la concentración c, la coordenada de posición x (medida perpendicularmente al plano de referencia), y con el coeficiente de difusión. 13) La lixiviación en pilas solo puede adaptarse luego de? Un análisis basado en el comportamiento metalúrgico de la mena (determinado en laboratorios) y este deberá clarificar el proceso metalúrgico completo necesario para obtener una máxima recuperación y determinar cuales son los costos asociados a las diversas etapas. 14) Nombre y explique los dos sistemas básicos de lixiviación en pilas Pila Permanente (Piso desechable): En la cual la mena es depositada en una pila desde la cual no se retirará el ripio una vez completada la lixiviación.

Campo de aplicación: Minerales de baja ley, minerales de baja recuperación, lenta cinética de lixiviación, lixiviación secundaria de ripios, amplio espacio disponible. Características generales: Pilas elevadas para lograr una alta densidad de carga de material por m2 de pilas. Granulometría elevada. Comúnmente diseñada para cargas sucesivas de mineral en capas. La altura queda limitada por las necesidades de oxígeno en el interior de la pila. Pilas Renovable (Piso reutilizable): En la cual se retira el ripio al final de la lixiviación para reemplazarlo por mena fresca. Campo de aplicación: Minerales de alta ley, minerales de alta recuperación, rápida cinética de lixiviación, lixiviación primaria de menas. Características generales: Pilas relativamente bajas para permitir una rápida carga y descarga de material, Generalmente Granulometría baja. La altura se define por el sistema de carguío y por la concentración de las soluciones a obtener. Pág. 8 15) Las pilas renovables o permanentes que configuración pueden adoptar. Comparar ambas pilas. Pilas Unitarias: Todo el material depositado pasa simultáneamente por las diversas etapas del ciclo de tratamiento. Pila Dinámica: En una misma pila coexisten materiales que están en diversas etapas del ciclo de tratamiento. Comparación entre ambas pilasa Unitaria: - Carga de una vez la totalidad de la pila y la descarga de una vez al término del ciclo de tratamiento. - Ventajosa para plantas de baja capacidad. - Operación más simple y flexible Dinámica: - En cada período, que puede ser diario o múltiplos de la alimentación diaria, descarga un módulo y carga otro, los cuales además van directamente adosados a sus respectivos sectores de la pila, con la condición que no haya contacto entre la mena fresca y el ripio agotado. De esta forma la camada queda formada por “subpilas” internas. - Menor inversión unitaria por mejor aprovechamiento de piso impermeable. - Ciclos de operación muy regulares. - Concentraciones muy estables y regulables en las soluciones de proceso Menor capital de trabajo. 16) Que tipos de estanques se utilizan

Usualmente se emplean estanques del tipo tronco piramidal invertido, directamente excavados en el terreno, y revestidos con un material impermeable, generalmente del mismo tipo empleado en la base de la pila. Para optimizar el uso de revestimiento para contener un volumen determinado en estanques de este tipo, con paredes inclinadas en 45º y bases cuadradas, se puede recurrir a las siguientes expresiones: Pág. 9

17) Nombre y explique los tipos de estanques en un sistema de lixiviación en pilas. Estanques Auxiliares. Estanque de agua industrial: Necesario, en caso de no disponer de una alimentación regular, para mantener una reserva de agua para atender: Pérdidas por evaporación, pérdidas por humedad residual en los ripios agotados, necesidades de proceso, por ejemplo; curado, aglomeración y purgas de solución. Su dimensionamiento corresponde a una armonización entre el abastecimiento y la demanda. Estanque desarenador: Recibe solución desde la canaleta de recolección de la solución de la pila y alimenta, por rebalse, a los estanques de proceso decantando los sólidos suspendidos. Se dimensionan en función del tiempo de retención necesario para obtener una buena decantación. Estanque de emergencia: Para almacenar soluciones en emergencia de operación. Estanques de Proceso. Estanque de solución rica o fuerte: Corresponde al estanque receptor de solución de alta concentración desde la pila previo a su envío a la planta de tratamiento. Estanque de solución intermedia: Recibe las soluciones desde las pilas que están en sus etapas de agotamiento o lavado para enviarlos a las pilas frescas que entregan solución rica. Existen en un número determinado por las etapas en contracorriente del proceso de lixiviación.

Estanque de solución agotada o refino: Recoge las soluciones tratadas desde la planta de procesamiento previo a su retorno a la pila para recuperarse en la especie a lixiviar. 18) Cuales son los criterios de dimensionamiento de los estanques de proceso. - Debe poder recibir la solución correspondiente a la diferencia entre la humedad de escurrimiento bajo riego y la humedad retenida por el ripio (determinado previamente en laboratorio). - Debe recoger las aguas adicionales provenientes de lluvias o nevadas. - Deben mantener un nivel mínimo compatible con el sistema de bombeo. - Puede dotárseles de capacidad adicional para alimentar la planta de tratamiento, durante períodos de detención del sistema de riego. Pág. 10 19) cuales son las consideraciones importantes en el dimensionamiento de una pila. ¿Que consideraciones adicionales tiene el dimensionamiento de una pila dinámica? El dimensionamiento de la pila es claramente una función simple de la capacidad de tratamiento, vale decir de las toneladas a tratar. Consideraciones de importancia son: - Peso específico aparente de la mena, bajo las condiciones de carga a la pila. - Altura de la pila, determinada en laboratorio y de acuerdo con los equipos disponibles para su carga y descarga. - Angulo de reposo del material, bajo las condiciones de carga a la pila. Para una pila dinámica se adicionan las siguientes consideraciones: - El volumen de mineral se calcula en base a la capacidad de tratamiento periódico, multiplicado por la duración del ciclo, en períodos, más dos períodos. Ejemplo: si se tratan 100 t/día con un ciclo de 20 días, se considera un volumen correspondiente a 22 días, es decir 2200 ton en la pila. - La causa de ello radica en la necesidad de disponer de espacio para descargar y cargar simultáneamente material sin que exista posibilidad de mezcla entre mena fresca y ripio agotado. - El dimensionamiento debe permitir la existencia de una corona al cargar la 1º pila como condición necesaria para un riego eficiente. - El área de influencia de los regadores debe coincidir con el tamaño de la corona de la franja periódica para evitar interferencia con el personal y equipo que realiza la carga y descarga.

- El ancho de la franja periódica debe ser un múltiplo de la trocha del equipo de carga/descarga de material 20) Nombre y explique cuantos sistemas de flujo existen Existen fundamentalmente dos tipos de flujos: - Bombeo directo desde estanques de proceso a manifold del sistema de riego. - Alimentación gravitacional por medio de un estanque de carga, que recibe bombeo intermitente desde los estanques de proceso. La elección de uno de estos tipos dependerá de las características geodésicas e hidráulicas de cada caso en especial. 21) En un sistema de bombeo, conducción y control de flujo esta determinado por. - Las necesidades de riego; esto en superficie a regar y tasa de riego - Operaciones y maniobras con soluciones. - Controles de operación. Pág. 11 22) Cuales son los aspectos constructivos de una pila y sus componentes Substrato: Corresponde en general a un terreno con pendiente del orden de 3 a 4 % en una dirección, hacia la canaleta. Finos de Protección: Capas de áridos finos (arena, relaves, etc.) totalmente exentos de elementos punzantes dado que deben acomodar suavemente la capa impermeable y defenderla de la agresión mecánica que puede provenir desde cualquiera de sus caras. Sus espesores típicos varían de 10 a 20 cm. Por encima y por debajo de la capa impermeable. Ripio de Protección: Constituye la última barrera de protección del revestimiento. Básicamente es una capa de unos 20 cm. De material de apariencia diferente de la mena que marca el límite inferior en la descarga del ripio agotado y que además reparte las presiones sobre la tubería de drenaje. La banda granulométrica debe ir entre 100% < 3” y 100 % > 11/2”. Mena: Capa del material a lixiviar depositado en forma razonablemente suave, deseablemente por medios que no produzcan un efecto de compactación sin disgregación mecánica, hasta alcanzar la altura determinada. Base Impermeable: Generalmente consiste en un material plástico inerte a la acción de los agentes químicos que mojarán su superficie. Su resistencia mecánica es suficiente para resistir los esfuerzos a que será sometida; tracción y torque en carga-descarga y compresión por el mineral depositado. Sus propiedades físicas y químicas le permiten resistir las condiciones ambientales de temperatura y radiación existentes. Tuberías de Drenaje: Tuberías corrugadas y perforadas, colocadas espaciadas longitudinalmente, destinadas a permitir una rápida evacuación de la solución

una vez que alcanza el fondo de la pila. Cumple el doble propósito de evitar la inundación de la pila (y las consecuentes capas freáticas) y permite la inoculación de aire por las zonas inferiores. No se recomienda espaciamientos mayores que 2 metros. Sacos de Relleno: Colocados al borde de la pila y antes de la canaleta, proporcionan una barrera de contención de los finos arrastrados por la solución, y un lugar para el paso de personal sin peligro de dañar la base impermeable. Su disposición tipo ladrillo debe permitir la salida de la tubería de drenaje. Canaletas de Recolección: lugar de recuperación de las soluciones; esta integrada al revestimiento impermeable. En el caso de las pilas unitarias es común para toda la pila y presenta una pendiente del orden de 0.5 a 1 % hacía el punto de recolección. Anclajes: Sectores de fijación de la base impermeable al terreno. Una recomendación muy importante consiste en realizar pruebas de arreglos de pila. Pág. 12