estudio del empleo de la lixiviación por percolación en lotes de

V Simposio Minería y Metalurgia (MINIMETAL) MIN5-P2

V CONVENCIÓN CUBANA DE CIENCIAS DE LA TIERRA, GEOCIENCIAS´2013 Memorias en CD-Rom, La Habana, 1 al 5 de abril de 2013. ISSN-2307-499X

ESTUDIO DEL EMPLEO DE LA LIXIVIACIÓN POR PERCOLACIÓN EN LOTES DE MINERALES OXIDADOS DE NÍQUEL CUBANO A ESCALA DE LABORATORIO Emilio Montejo Serrano (1); Antonio Mérida La O (1); Vanessa Figueredo García (1); Daniela Martín Hervé (1); Misael Pérez Pérez (1); Eliecer Hidalgo(1); Yania Cabaleiro Piedra (1) 1. Centro de Investigaciones para la Industria Minero Metalúrgica (CIPIMM), Cuba, Zona postal: Habana-8, Código Postal:10800,e-mail: [email protected] RESUMEN La existencia de grandes reservas de menas lateríticas serpentiníticas (saprolitas) demanda de un proceso eficiente, capaz de recuperar Ni y Co lo más selectivamente posible con mínimo consumo de materiales, lo cual no ha sido posible con los procesos que actualmente se utilizan para el procesamiento de menas niquelíferas oxidadas ( el proceso de lixiviación ácida a alta presión, por el elevado consumo de ácido y el proceso de lixiviación carbonato-amoniacal (Caron) por el elevado consumo energético). Por esta razón se han desarrollado alternativas de lixiviación ácida a presión atmosférica, entre ellas el proceso de lixiviación por percolación, desarrollado a escala de laboratorio y de banco. En el presente trabajo se llevaron a cabo pruebas comprobatorias de la lixiviación por percolación en columnas de minerales oxidados de níquel cubanos con alto contenido de magnesio, lo que constituyó el objetivo principal de la investigación y se determinaron parámetros significativos, tales como la influencia del tiempo de contacto, el consumo de ácido, la compactación de la cama de mineral y el porcentaje de recuperación de cada mineral. Se experimentó la lixiviación ácida por percolación de una muestra de mineral de serpentina, en columnas de 2 m de altura, con el empleo de un agente lixiviante ácido para la extracción de Ni y Co. Las pruebas se realizaron manteniendo constantes: la granulometría (-12 mm) y la concentración de ácido en la solución lixiviante (100 g/l H2SO4). En las soluciones se recuperó más del 90% de Ni y más del 40% Co, en dependencia de las condiciones de operación, características del agente lixiviantes y el tiempo de contacto empleado. Debido a las características de la materia prima ensayada, se requirió la trituración del material para su preparación y la posterior aglomeración por peletización con ácido sulfúrico. En estas condiciones se operaron las columnas con flujos de irrigación 10 l/h y se comprobó que en determinadas condiciones, gran parte del hierro se disolvió. Los resultados obtenidos son promisorios y permitieron valorar el proceso desarrollado como alternativa para la extracción de los valores metálicos. ABSTRACT The existence of big reservations of lateritic serpentines (saprolites) ores, it demands of an efficient process capable to recover Ni and Co in a more selectively possible way, with minimum consumption of materials, that which has not been possible with the current processes for the prosecution of rusty iron-nickel ores: The process of acid leaching to high pressure, for the high acid consumption. The leaching carbonate-ammoniac process (Caron) for the high energy consumption) For this reason, alternatives of acid leaching have been developed to atmospheric pressure, among them the leaching process for percolation, was developed to laboratory scale and of bank for the CIPIMM. This work has an objective the execution of checking tests of the leaching of laterites with high content of magnesium by means of the percolation process, developed by the CIPIMM for the prosecution of a Cuban deposit of loamy nature (serpentine) with high content of magnesium, and to specify the necessary information for the preliminary economic evaluation of the developed process, such as the influence of the time of contact, the acid consumption, the dense of the mineral bed, the percentage of recovery of each mineral. The acid leaching was experienced by percolation of a sample of serpentine mineral, in columns 2 m high, with the use of an acid leaching agent for the extraction of Ni and Co. The tests were carried out keeping constant: the grain (-12 mm) and the acid concentration in the leaching solution (100 g/L H2SO4).



In the solutions it is recovered more than 90% of Ni and more than 40% of Co, in dependence of the operation conditions, characteristic of the leaching agent and the used time of contact. Due to the characteristics of the matter it does prevail rehearsed, was the triturating of the material required for its preparation, and the later mass with acid. Under these conditions the columns were operated with irrigation flow 10 L/m2 h. it was proven that under certain conditions, great part of the iron was dissolved. The obtained results are promissory and they allowed valuing the process developed, as alternative for the extraction of the metallic values. INTRODUCCION Los minerales lateríticos están ampliamente distribuidos en las regiones de clima cálido y lluvias abundantes, los depósitos de capas residuales de los minerales niquelíferos de nuestro país representan uno de los recursos más grandes de hierro, níquel y cobalto del mundo (Montejo, E., 2008). Estos se han venido procesando por dos tecnologías desde sus inicios de explotación, lixiviación a presión con acido sulfúrico y lixiviación carbonato amoniacal, pero debido a los cambios en los minerales por los años que ya se llevan explotando se ha hecho necesario incurrir a nuevas investigaciones con el objetivo de mantener los mismos porcientos de recuperación (Hernández S., J. Castellanos, 1972). Durante los años 2008 – 2009 se ha venido investigando el aprovechamiento de los minerales niquelíferos arcillosos por medio de la tecnología de Lixiviación ácida a presión (HPAL), debiendo resolverse de forma novedosa los problemas asociados a las características de estos minerales smectiticos respecto a las lateritas existentes en la zona norte de Holguín (Montejo, E., 2008), producto a la aparición de altos porcientos de arcillas en la composición de dichos minerales se comenzó a desarrollar una nueva tecnología que procura mantener los altos porcientos de recuperación y abaratar los costos además de determinar la conducta del mineral ante el proceso de percolación con el objetivo de establecer su comportamiento ante la percolación en serie con vista a solucionar los problemas fundamentales (Montejo, E. Castellanos, J. y col. 2003). En la coyuntura económica internacional una planta industrial de 50 kt/a de Níquel, que emplee la tecnología (HPAL) tiene un costo de inversión superior a los 2300 MMUSD, mientras que una planta donde se emplee la percolación no debe ser superior a los 1400.0 MMUSD (diferencia 900.0 MMUSD) apreciándose una considerable disminución en los costos (Montejo, E. Castellanos, J. y col. 2003). Se pretende por medio de estas investigaciones a escala de laboratorio (columnas de 2 m) alcanzar altos niveles de recuperación en mezclas minerales que aprovechen de una forma más integral el yacimiento, determinando el consumo máximo de ácido necesario en el proceso para obtener resultados favorables. El objetivo de este estudio es demostrar la factibilidad técnica de aplicar el proceso de percolación a minerales oxidados de níquel cubanos y alcanzar altos niveles de recuperación en mezclas minerales que aprovechen de una forma integral los yacimientos. MATERIALES Y MÉTODOS Para la ejecución de las pruebas se utilizó un mineral oxidado de níquel de características arcillosas (smectiticos). Materiales requeridos: Manta de polietileno. Soga. Bolsa de polietileno para carga de las columnas (convenientemente preparada).



4 Muestra obtenida por cuarteo de aprox. 10 Kg seco. Lamina de polietileno para ejecutar la aglomeración del material (2x2 m) Pomo plástico de 1 L con tapa perforada para adición de agua. Pomo plástico de 0.5 L con tapa perforada para adición de ácido sulfúrico concentrado. Probetas Buretas. Pipetas. Embudos. Vasos de precipitados. Papel de filtro. Cubos. Reloj eléctrico. Recipientes de muestras. Cronometro. Etiquetas. Registros de control e inventarios establecidos. Bombas peristálticas. Mangueras de bombas peristálticas acorde con las tasas de riego. Mangueras de Trasiego. Bandejas plásticas para colocar las bombas. Lámpara de emergencia. Tanques plásticos para preparar soluciones de alimentación. Tanques plásticos para acumular los residuales. Cal para tratar licores. Cemento para aglomerar precipitados de las soluciones tratadas.

Preparación de la muestra

El compósito se preparó a partir de la muestras de distintos niveles de un niquelífero oxidado con presencia de smectitas, la muestra se preparó con una proporción de Bajo/Medio Mg de 4 a 1 (por definición geológica se considera de Bajo Mg aquellos minerales de níquel y cobalto con menos de 10 % de contenido de MgO y Medio Mg aquellos que lo tienen superior). Se preparó mediante el esquema mostrado en la figura 1.



Figura 1 Esquema de preparación de la muestra. Pruebas de captación máxima de agua.

La prueba se realizó por el procedimiento estándar chileno, añadiendo agua por medio de una bureta a 1 kg de la muestra en su granulometría de trabajo (-12,7 mm) y humedad natural, roleándose sobre una lámina de polietileno, ocurriendo la peletización del material. La prueba concluye cuando las muestras presentan humedad en exceso, que se manifiesta porque los pellets se comienzan a unir en grandes masas y se pega el material a la lámina de polietileno. Pruebas de aglomerado y curado.

La prueba se realizó por el procedimiento estándar chileno el se basa en mezclar primero el mineral con el agua (95 % de la diferencia entre el agua de la captación máxima y el ácido a añadir de la prueba), aglomerándose el material al rolearse sobre una lámina de polietileno, para por último añadir el ácido sulfúrico concentrado correspondiente a la prueba y continuar su roleo sobre la lamina de polietileno, para posteriormente dejarse durante 72 horas de reposo (cura). Peso volumétrico.

Se determinó por medición en probetas el volumen aparente de los pellets formados. Esto se realiza con el objetivo de calcular la cantidad de mineral a aglomerar para la carga de las columnas. Pruebas de percolación en columnas.

Se emplearon en las pruebas columnas plásticas de 2 metros de altura y de 11.6 cm de diámetro interior. Los minerales fueron preparados en base a los resultados de las pruebas hidrometalúrgicas roleándose el mineral sobre una lámina de polietileno a la cual se le añadió primero el agua y posteriormente el ácido sulfúrico estipulado para cada prueba. En el caso del mineral natural se cargó sin ningún tratamiento. Los minerales se introdujeron en el interior de la columna por medio de una bolsa que se descargaba de forma tal que los pellets no cayeran de gran altura y se deformaran o fracturaran. Las columnas aglomeradas con agua y ácido se dejaron durante 72 horas para su curado y posteriormente se comenzó el proceso de percolación con soluciones de concentración y flujo nominal de 100 g de ácido sulfúrico /L y de 10 L/m2h respectivamente. Los cálculos se realizaron



mediante tablas de EXCELT, donde se introdujeron los datos y por medio de balances de materiales por cada elemento se calcularon las extracciones, los consumos de reactivos, los tiempos de percolación y se tabularon los datos introducidos. Caracterización química de la muestra.

Se tomó una muestra de la cabeza del mineral y se mandó al departamento de caracterización de minerales, como referencia en la tabla se expresan los resultados obtenidos. Tabla I Ley por cada elemento de la cabeza en %.

Elemento % Ni 1,53Co 0,08Mg 5,08

MgO 8.47Fe 23,70

SiO2 42,75Al 1,60

Pruebas hidrometalúrgicas.

Los resultados obtenidos en las pruebas hidrometalúrgicas fueron:

• Captación máxima de agua: 830.29 Kg de agua por t de mineral seco. Esta captación tan alta de agua corrobora la existencias de grandes cantidades de arcillas del tipo sméctitas, una de cuyas características es precisamente la de absorber grandes cantidades de líquidos.

• Pruebas de Aglomerado y Curado. Todos los pellets resultaron uniformes y estables en cuanto a forma y tamaño. Se realizó un programa de pruebas estableciendo tres dosificaciones de ácido distintas (50, 75, 100 kg/t de ácido sulfúrico concentrado), una por cada columna, y los resultados obtenidos se describen en la tabla II. Tabla II Resultados de las pruebas de aglomerado y curado.

Prueba Dosificación acido. (kg/t)

Agua a añadir (kg/t)

Agua Total (incluye asociada humedad)

(kg/t) 1 50 231.32 789.44 2 75 217.77 775.89 3 100 204.14 762.26

• Determinación del Peso Volumétrico. En la tabla III aparecen los resultados de la determinación de los pesos volumétricos de los pellets de cada prueba y del mineral natural (sin aglomerar). Tabla III Determinación del peso volumétrico.

Prueba Peso Volumétrico Peso Volumétrico



Como fue de esperar el mineral aglomerado tiene una porosidad mayor (menor peso volumétrico) que el mineral natural (sin aglomerar) Pruebas de percolación en columnas.

El objetivo de estas pruebas fue, comprobar la percolabilidad de los minerales y el nivel de recuperación posible de alcanzar, así como el consumo de ácido. El tiempo de percolación es otro de los parámetros a determinar con el objetivo de obtener altas recuperaciones. El programa de estas pruebas aparece en la tabla IV y las características particulares de la prueba son:

• Tiempo de curado: 72 horas. • Altura de las columnas: 2.0 m. • Diámetro interior: 11.6 cm. • Concentración de solución inicial 100 g de acido sulfúrico /L. • Flujo de lixiviación: 10.0 L/m2h Tabla IV Programa de pruebas preliminares de percolación. Carga de las columnas.

En la tabla V aparece la carga real de las columnas en base al programa de pruebas preliminares.

Tabla V Carga de las columnas.

No Col.

DIMENSIONES COLUMNAS (cm)

Peso Min.

Húmedo

(kg)

Cantidad de agua total a añadir (mL)

Cantidad de ácido conc. a

añadir (mL) DIAMETRO ALTURA

1 11.7 207.80 18.60 0.0 0.00 2 11.7 206.70 14.46 2146.9 265.77 3 11.7 206.70 14.07 1966.6 387.90 4 11.7 276.50 14.13 1851.4 519.40

Resultados de las pruebas preliminares.

(base mineral seco) (kg/m3)

(base mineral húmedo) (kg/m3)

Mineral Natural 536,1 835,3 1 424,6 661,6 2 415,0 646,7 3 411,9 641,7

No Col.

Dosificación de ácido

(kg/t)

Agua a añadir(kg/t)

OBSERVACIONES

1 0 0.00 Mineral Natural sin aglomerar 2 50 231.32 Mineral aglomerado y curado 3 75 217.77 Mineral aglomerado y curado 4 100 204.14 Mineral aglomerado y curado



Los tiempos de penetración de los licores (desde que se comienzan a alimentar las columnas hasta que sale las primeras gotas de solución) fueron:

Columna 1. Columna 2. Columna 3. Columna 4.

33.92 horas. 6.75 horas. 7.42 horas. 8.33 horas.

El tiempo de prueba fue de 59 días para todas las columnas. En la tabla 6.se expresan los resultados en % de la recuperación por balance de sólidos. En la figura 2, 3, 4, y 5 aparece la cinética de extracción del Ni, Co, Fe y Mg. En la figura 6 aparece la compactación de las columnas y en la figura 7 el consumo total de ácido.

Tabla VI Recuperación de metales por balance de sólidos.

No de columna

Recuperación (%)

Ni Co Fe Mg

1 89,75 56,08 62,85 93,08 2 92,24 62,98 75,41 93,66 3 91,72 63,03 75,51 93,71 4 92,12 63,12 73,44 94,35

Figura 2 Cinética de la extracción del Níquel.



Figura 3 Cinética de la extracción de Cobalto.

Figura 4 Cinética de la extracción de Hierro.



Figura 5 Cinética de la extracción de Magnesio.

Figura 6 Compactación de las columnas.



Figura 7 Consumo de ácido total. Discusión de los resultados de las pruebas preliminares Extracción de Níquel (Figura No. 2).

Se observó que la cinética de la extracción de níquel en los primeros 13 días fue muy rápida, en las columnas aglomeradas y curadas, tomando la curva en ese intervalo un carácter lineal, extrayéndose alrededor del 70 % de ese elemento. Ya a partir de los 13 días la cinética fue más lenta lo que sugirió un cambio en la estructura mineral relacionado con el níquel.

Los niveles de recuperación total de Ni de las columnas curadas fueron todas superiores o cercanos al 92 %, mientras que la columna de mineral natural fue cercano al 90 %, lo cual indicó extracciones altas de níquel en un período de tiempo relativamente corto (menos de 60 días de percolación), si se compara con la percolación de otros minerales, como el cobre donde a veces los procesos de percolación duran años. La columna 2 tuvo una ligera mayor extracción de níquel respecto al resto de las columnas.

Extracción de Cobalto (Figura No. 3).

La cinética de la extracción de cobalto fue mucho más lenta que la del níquel y a los 13 días la extracción fue de solo un 15 %.

La extracción de cobalto en el caso de las columnas curadas, fue superior o muy cercano al 63 %, mientras que la columna de mineral natural solo fue de un 56 %. La columna 4 tuvo una muy ligera mayor extracción respecto a las columnas 2 y 3. Extracción de Hierro (Figura No. 4).

Los niveles de extracción de hierro para las columnas curadas oscilaron desde 73.41 y 75.51%, mientras que en la columna de mineral natural fue de solo 62.85 %.



Debido al alto contenido en el mineral de hierro, hizo que los licores estén enriquecidos en este elemento, perjudicial para la purificación de los metales. Por tanto la columna de mejor comportamiento en este metal fue la columna 1, pues extrae menos hierro a solución.

Estas altas extracciones de hierro (elemento mayoritario), también explican los altos consumos de ácido en la percolación.

Extracción de Magnesio (Figura No. 5).

Los niveles de extracción de magnesio fueron sumamente altos en todas las columnas y oscilaron entre 93 y 94 % y fue una de las causas que explica los altos consumos de ácido en la percolación.

Compresión de la columnas (Figura No. 6).

Respecto a la compactación de las columnas, se puede afirmar que no afectan la porosidad de las mismas, percolando sin problemas a los niveles de flujos establecidos de las pruebas. Las columnas curadas presentaron en sentido general un nivel de compactación aceptable, fluctuando entre 12 – 16 %, que comparados con la experiencia de otros minerales arcillosos sometidos a percolación ácida cuyas compactaciones oscilan entre 20-35 % (casi el doble) se puede observar que están en un valor casi del 50% más bajos.

El mineral natural (como es lógico) fue el que presentó menor compactación (alrededor del 5 %), pues al no estar aglomerado, compactó menos y percoló también sin dificultad en las condiciones estudiadas. Consumo de Ácido Total (Figura No. 7).

Este importante indicador fluctuó entre 572-675 kg ácido/ton min seco, la columna de mejor extracción de níquel (columna 2) fue la de un ligeramente menor consumo ascendente a 572 Kg ácido/ton min seco. Estos altos consumos de ácido se explican fundamentalmente debido a las altas extracciones de hierro y magnesio que ocurren.

Producción de licores.

La columna No 1 al no estar curada demoró más en percolar y además no produjo metales en los primeros ciclos, debido al consumo de ácido al neutralizarse la columna, lo cual demostró el efecto positivo que ejerce la cura ácida inicial en el comportamiento de la percolación.

Otras consideraciones.

Ninguna de las columnas presentó durante la ejecución de las pruebas síntomas de inundación, que indicaran impermeabilidad de la cama mineral en las condiciones estudiadas, lo que indicó que pese a su condición arcillosa estos minerales presentaron muy buenas características para la percolación en las condiciones estudiadas. O sea el grado de compactación de las columnas no afectó el proceso de percolación. CONCLUSIONES Basándonos en los resultados obtenidos bajos las condiciones estudiadas podemos decir que, se demostró la posibilidad técnica de aplicar la tecnología de percolación a los minerales oxidados de níquel ya que:



• El aglomerado y cura de los minerales mejoró el comportamiento de la percolación. • La cinética de extracción de níquel fue muy rápida en los primeros 13 días de percolación,

alcanzándose en las columnas curadas un 70 % de extracción. • Las recuperaciones del níquel al cabo de 59 días, en las columnas donde el mineral previamente

se curó alcanzaron recuperaciones de Níquel entre 91 - 92 %. • La cinética de la extracción de cobalto fue más lenta que la del níquel, pero se alcanzó en las

columnas curadas recuperaciones del orden de 73 -76 %, a los 60 días de percolación. • La extracción en % del hierro fue de alrededor de 63 % para las columnas curadas, mientras que

en la de mineral natural fue de solo 56 %. Debido al alto contenido de este elemento en el mineral, los licores están enriquecidos en el mismo, perjudicial para los procesos posteriores.

• La disolución del magnesio también fue alta, factor este que influye también en los altos consumos de ácido teniendo en cuenta que también es un elemento de elevados contenidos en el mineral, por lo que aportan un nivel significativo de impurezas a los licores productos, que pueden complicar el proceso de obtención de Ni y Co .

• Los consumos de ácidos fueron altos oscilando entre 572-675 kg/ton min seco, debido a las características del mineral y deben ser optimizados en las próximas etapas de investigación.

RECOMENDACIONES

1. Ejecutar pruebas de columnas en serie, empleando las condiciones de la columna 2, para optimizar el consumo de ácido.

2. Estudiar los procesos para la purificación de los licores que se obtendrán en las pruebas de percolación de columnas en serie.

BIBLIOGRAFIA Hernández S., J. Castellanos, 1972, metalurgia extractiva de los minerales oxidados de níquel, La Habana. Montejo, E. Castellanos, J. y col. (2003) Estudio del comportamiento de una muestra compósito (SF-6) de los

minerales del yacimiento San Felipe, a la tecnología CIPIMM 1A. CIPIMM. Montejo, E., (2008), La Investigación Tecnológica en la Rama Minero Metalúrgica en Cuba, Revista CIPIMM,

CIPIMM.

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