Fundamentos de la Lixiviación y Extracción de Cobre

Definiciones y Reacciones Clave

Razón de Recuperación (R):
C(H-T)/H(C-T)
Razón de Concentración (K):
(C-T)/(H-T)
Oxidante:
Especie con tendencia natural a reducirse.
Oxidantes Enérgicos:
O₂ disuelto, Cl₂, MnO₄⁻, Fe³⁺.

Lixiviación de Calcopirita (Cpy)

Por Acción de Fe³⁺:

CuFeS₂ + 4Fe³⁺ → Cu²⁺ + 5Fe²⁺ + 2S°

Por Acción de O₂/Pirita (Py):

CuFeS₂ + O₂ + 4H⁺ → Cu²⁺ + Fe²⁺ + 2S° + 2H₂O

Etapas del Proceso de Extracción de Cobre

Preparación del Mineral

  1. Tres etapas de chancado a menos de media pulgada, con el objetivo de aumentar la cinética de disolución del cobre (Cu) desde el mineral.
  2. El material chancado es sometido a un proceso de aglomeración mediante una solución de ácido sulfúrico y agua (curado).
  3. El material se deposita en pilas y se deja reposar (entre curado y regado).

Lixiviación

El ciclo de lixiviación es de tipo bacterial para recuperar >95% de óxidos y >85% de sulfuros supérgenos. Existe la lixiviación primaria (1°), en la que se incuba la bacteria (lixiviación química), y la lixiviación secundaria (2°), fundamentalmente bacterial.

El PLS (Pregnant Liquid Solution) recolectado fluye hasta un estanque de acumulación y luego hacia la planta de extracción por solventes. Idealmente, debería tener una concentración de 2.5 – 3 g/L.

Biolixiviación de Minerales Sulfurados de Cobre

Los minerales sulfurados de cobre (Cu) son lixiviados mediante procesos de biolixiviación:

Proceso Directo:

  • Cu₂S(s) + 0.5 O₂(g) + 2H⁺(aq) → CuS(s) + Cu²⁺(aq) + H₂O(aq)
  • CuS(s) + 2O₂(g) + 2H⁺(aq) → Cu²⁺(aq) + H₂SO₄(aq)

Proceso Indirecto:

  • Cu₂S(s) + 2Fe³⁺(aq) → CuS(s) + Cu²⁺(aq) + 2Fe²⁺(aq)
  • CuS(s) + 2Fe³⁺(aq) → Cu²⁺(aq) + 2Fe²⁺(aq) + S°(s)
  • 2Fe²⁺(aq) + 0.5O₂(g) + 2H⁺(aq) → 2Fe³⁺(aq) + H₂O(aq)

La generación de H₂SO₄ y Fe³⁺, como Fe₂(SO₄)₃, explica la actividad oxidativa de estas bacterias.

La presencia de Fe³⁺, un catión que por sus características químicas (óxido-reducción) es el principal agente oxidante que promueve la disolución de Cu²⁺. Es vital el control de Fe²⁺ y Fe³⁺, ya que en el paso de Cu₂S a CuS, la química de la reacción no solo la controlan las bacterias, sino también la concentración de Fe³⁺ en solución.

Son acidofílicas. El pH en que viven normalmente fluctúa entre 1.5 y 5, con pH óptimos que dependen de la fuente de energía que están utilizando (ión Fe²⁺ o compuestos de azufre reducido). Sus funciones incluyen:

  • Solubilización de sustratos (sulfuros)
  • Mantención de sustratos en forma soluble

Reacciones Vitales en Biolixiviación:

  1. FeS₂ + H⁺ → Fe²⁺ + FeS₂
  2. 2Fe²⁺ + 0.5O₂ + 2H⁺ → 2Fe³⁺ + H₂O
  3. Fe³⁺ + FeS₂ → FeSO₄

A mayor pH, menor cantidad de Fe²⁺ disponible debido a la precipitación de Fe(OH)₃, por la autooxidación del ión ferroso a pH más altos.

Condiciones para el Desarrollo Bacteriano en Lixiviación

La lixiviación bacteriana de minerales sulfurados es un proceso natural en el cual pueden participar bacterias, las que actúan como catalizadores y lo hacen activamente cuando el ambiente en el cual se encuentran presenta ciertas condiciones como humedad, temperatura, disponibilidad de nutrientes y ausencia de compuestos tóxicos.

Temperaturas de Desarrollo Bacteriano:

  • Mesófilas (2 – 40ºC): Utilizan CO₂ como fuente de carbono y Fe²⁺ y azufre reducido como fuente de energía. Bacteria principal: Acidithiobacillus ferrooxidans (10 – 35ºC).
  • Termófilas (30-58ºC): Utilizan CO₂ como fuente de carbono y Fe²⁺ y azufre reducido como fuente de energía. Bacteria principal: Sulfobacillus thermosulfidooxidans.
  • Termófilos Extremos (45-75ºC): Utilizan CO₂ como fuente de carbono y Fe²⁺ y azufre reducido como fuente de energía. Bacteria principal: Sulfolobus sulfataricus.

Lixiviación Ácida:

MS + H₂SO₄ + H₂O → MSO₄

Extracción por Solventes (SX) y Electroobtención (EW)

La solución rica (PLS) se concentra y purifica mediante una solución orgánica que contiene reactivos extractores de cobre. En este proceso, el orgánico empobrece el PLS, que se envía a Refino (con una concentración entre 0 – 0.5 g/L), quedando de esta manera un orgánico rico en cobre. Posteriormente, este orgánico circula por dos etapas de lavado.

El consumo de ácido (sube el pH). En condiciones de bajo pH (1.8 – 2.0), el extractante orgánico entra en contacto con la solución electrolito (proveniente de la electroobtención, EW, con una concentración de 170 g/L de ácido), transfiriéndose el cobre a este mediante un proceso de extracción inversa. El orgánico sin cobre es devuelto a la etapa de extracción para ser recargado con cobre, cerrando el circuito.

Electroobtención (EW)

El electrolito (con una concentración aproximada de cobre de 50 g/L) pasa primero por la etapa de filtrado. Las impurezas del filtrado son transferidas a la solución de lixiviación (refino) para quedar atrapadas en las pilas de lixiviación.

El electrolito rico y filtrado pasa a las celdas de electroobtención, donde se producen las láminas de cobre (cátodos) con una pureza del 99.99% de cobre, siendo este el producto final del proceso. El electrolito pobre es devuelto a las instalaciones de extracción por solventes para la re-extracción de cobre de la solución orgánica.