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Introducción
La necesidad de nuevos recursos que permitan identificar, no sólo la mineralogía descriptiva, sino de una mineralogía tecnológica o aplicada de los sólidos presentes en las pulpas crudas, así con el objetivo de identificar su posible comportamiento operativo durante su proceso de sedimentación de las pulpas lixiviadas, previo a su procesamiento en la dinámica de la industria, fundamentado en un diagnóstico eficaz de las características químico-físicas de las menas procesadas por la tecnología de Lixiviación Ácida a Presión, a partir de un nuevo procedimiento integral, se difieren en el caso de la Mineralogía Tecnológica, en el uso de herramientas desarrolladas hoy en día de corte analítico-computacional y de los resultados operativos previo a su procesamiento, además que permiten identificar una mayor extensión de muestras, además de su bajo costo de análisis. En este sentido los investigadores del CEDINIQ, han desarrollado nuevos procedimientos técnicos de corte físicos, que permiten enriquecer el dominio, para el control de la calidad de las menas a procesar en dicha tecnología al conjugarse con el quimismo, los procedimientos se mencionan en las siguientes referencias. 7,8,9,10) Estas herramientas fueron integradas en una hoja de cálculo, a partir de ecuaciones de regresión, matemática lógica, criterios de expertos, para concluir en identificaciones analíticas, que permiten diagnosticar anticipadamente su comportamiento industrial, mucho antes de su procesamiento industrial, por previos estudios investigativos y del uso de la mineralogía convencional por Difracción de rayos-X. En otras palabras, la hipótesis de investigación estuvo dada en: al conocer previamente la calidad de las menas a través de las características físico-química, permite brindar un diagnóstico de las principales fases mineralógicas de las menas a procesar, basada en una nueva mineralogía tecnológica o aplicada, que a la vez pueden predecir, cuales menas pueden afectar el proceso de sedimentación de las pulpas lixiviadas en los sedimentadores gravitacionales de la tecnología HPAL y tomar con estos resultados, estrategias con la aditivación de determinados reactivos o compuestos, para mitigar o eliminar las crisis que se originan con las pulpas lixiviadas en dicha tecnología.
Como se había descubierto con antelación, la alta variabilidad, tanto química, como mineralógica de las menas actuales, con respecto a las pulpas lixiviadas procesadas en décadas anteriores, 23,24y25 se observó la influencia negativa que presenta el contenido de elemento químico del Cobre en las menas alimentadas, esto repercute al lixiviarse en las fases amorfas de hierro como son la lepidocrocita y limonita, donde el Cu+1 actúa en la formación de flóculos electroquímicos, muy necesarios para la floculación-sedimentación de las lamas y coloides de sulfatos de hierro hidratados (SBH), que quedan en suspensión o presentan baja velocidad de sedimentación, que con bajas concentraciones de cobre en el sólido alimentado estos sulfatos de hierro hidratados ocasionan crisis de sedimentación- clarificación, los cuales fueron muy bien estudiados en años precedentes 2,27).
Según el mecanismo siguiente:
Donde los sulfatos básico de hierro hidratados (SBH) con 4 y 20 moléculas de agua fueron descubiertos en los sólidos de las pulpas críticas e identificados por difracción de Rayos -X en, 27 estos actúan aglomerándose por efecto electroquímico durante la transformación del cobre pentihidratado a Cu+1, considerado este como un aditivo perfecto para determinadas pulpas crudas, su mecanismo está basado en la formación de floculos por cargas electroquímicas dentro de las pulpas lixiviadas, aumentado el tamaño de las partículas, que originan un acrecentamiento de la fuerza de gravedad, al aumentar el tamaño de partículas por atracción electroquímica de los flóculos o lamas de hierro, fundamentada en la Ley de STOKE, dado el aumento de su masa y con ello, una clarificación del licor producto por una mejor separación líquido/sólido en este proceso hidrometalúrgico.
Posteriormente fue experimentado en el año 2006, al observarse los pocos efectos que ocurren con las menas de mezclas de Limonita-serpentinitas o serpentinitas, al no actuar el aditivo de cobre pentahidratado sobre las pulpas lixiviadas generadas con estas últimas menas como mezclas o naturales, se descubre posteriormente que el uso de compuestos de potasio, como aditivo para las pulpas crudas alimentadas a las autoclaves a escala de banco, esta mejoraba los resultados del proceso, esto permitió el perfeccionamiento de dicho procedimiento, 12 inicialmente se procedió con el uso del sulfato de potasio (K2SO4) como reactivo químico para aditivar, posteriormente para aumentar la densificación, se logró utilizar de forma eficiente, el dicromato de potasio (K2CrSO7), al actuar este, sobre los sólidos formados de las pulpas lixiviadas, en forma comúnmente conocidas como menas limonitas, especialmente con bajo contenido de níquel, incluso en minerales de escombros lateríticos o minerales de alto contenido de hierro, también actuó sobre sólido lixiviado de menas de pulpas cruda de tipo Limonita-serpentinitas, su influencia mayor estuvo en la formación de estructuras favorables para aumentar de modo general la clarificación y densificación de las pulpas lixiviadas, generadas con estos tipos de menas o minerales en forma de pulpa, incluso parcialmente en pulpas lixiviadas de mezclas de limonita-serpentinitas, aunque actúa en menor medida o no se observan cambios, sobre las pulpas lixiviadas generadas de menas con características de silicatos de magnesio naturales o artificiales (es decir, con serpentinitas solamente).
Esto originó dentro del reactor que se formaran estructuras muy favorables. Como consecuencia de la aditivación de los compuestos de potasio, se forman estructuras de tipo Jarositas Potásicas (KFeSO4 *(OH) ) y Alunitas Potásicas ( KAlSO4(OH) ), lo interesante del caso, es que dichas estructuras no se forman a presión atmosférica, aspecto por el cual, no se habían descubierto para la mejora de las crisis de sedimentación de las pulpas lixiviadas en la tecnología HPAL.
Además de lo investigado, es posible estimar con antelación, dado el perfeccionamiento en dicha parte del proceso, con el uso a través de la nueva herramienta de diagnóstico de la calidad de la mena alimentada de tipo: FS (Feed Slurry) 7,8,9,10,11 y aditivar sólo aquellas, donde la herramienta brindada de diagnóstico previo, identifique las menas o minerales necesarios a aditivar, es decir, antes de alimentarse al reactor de lixiviación, para evitar sus posibles comportamientos anómalo en la operatividad del proceso subsiguiente, que pueden generar crisis de clarificación y densificación de los sólidos lixiviados. 10 Por lo tanto, se escogerá el aditivo a utilizar, según las necesidades para su operatividad de las pulpas a transformar y según los costos de producción y precios del níquel en el mercado internacional, ya que con la herramienta de identificar la calidad, no será necesario aditivar las pulpas que realmente no la necesiten, convirtiendo esto un proceso racional de aditivación, referente a este aspecto no se ha encontrado referencias sobre este tema de investigación.
Esperamos que estos resultados, no solo enriquezcan el conocimiento de tecnólogos de dicho proceso, investigadores y personal operativo. Esto permitirá abrir una nueva forma de hacer más productiva y eficiente el procesamiento de las menas en la tecnología de Lixiviación Ácida a Presión en los momentos actuales, al procesarse minerales con bajos contenidos de níquel y altos de hierro, a partir de su procesamiento racional con la previa identificación de la calidad de las menas, es decir, previo a su procesamiento dentro de la dinámica industrial y su racional procedimiento de aditivación, con compuestos químicos adecuados, que no alteran la operatividad del proceso hidrometalúrgico subsiguiente, es una estrategia imperiosa a tener en cuanta hoy en día.
Fundamentación Teórica
Procedimiento de aditivación
El procedimiento integral para evitar las crisis de sedimentación parcial o total de las pulpas lixiviadas, está caracterizadas por:
1.- Identificación de la calidad de la mena a procesar, a través de la herramienta de cálculo, que identifica la mineralogía tecnológica o aplicada a bajo costo de análisis, al introducir los datos químico-físicos en la hoja de cálculo, el cual nos brinda automáticamente las principales fases mineralógicas de las menas en estudio y propuesta para su procesamiento, esto se realiza por previa calibración por Difracción de rayos-X y otras técnicas de propiedades magnéticas y sus transformaciones, 1,10 especialmente de las principales fases mineralógicas en la mena en estudio, que pueden presentar las fases de hierro en estado amorfo o semi - cristalina, como las fases de limonita (FeO OH - fase amorfa) y la lepidocrocita (Ɣ FeOOH) (con su comportamiento de dualidad), fases de altos contenidos de pérdida de constitución estructural y de muy fácil formación de sulfatos básico hidratado de hierro al reaccionar con el ácido sulfúrico y vapor de agua a alta presión, esto sucede a más bajas temperaturas, principalmente debe suceder en la práctica metalúrgica en el reactor A de cada tren de lixiviación a escala industrial, que durante su temprana lixiviación dentro de los reactores, forman las lamas o colides que generan crisis de clarificación y como consecuencias, malas velocidades de sedimentación de las pulpas lixiviadas (Consideradas menas de tipo limonitas de alto contenido de hierro químico y generalmente menas con bajos contenido de % Ni, en valores inferiores a los 1,20 % en las pulpas crudas).
Además, la hoja de cálculo brinda posibles datos o resultados de orientación operativa del proceso hidrometalúrgico, para que los tecnólogos u operarios del proceso, tomen estrategias para su correcto procesamiento metalúrgico por previas correlaciones realizadas. 10
2.- Aditivar a las pulpas crudas o que presentan con menas tipo: FS, en forma de pulpas a alimentar a los reactores de lixiviación o autoclaves, con aditivos químicos según las necesidades operativas del proceso, con una concentración de 2,5 a 3 g/L.
3.- Se necesita previa identificación químico-física de los sólidos de las menas a procesar, a través de los procedimientos físicos 7,8 y su caracterización de la composición química de los elementos (% Ni, % Fe, % Mg, % SiO2 y % Al) a través de la técnica de fluorescencia de rayos-X (RFX) o por Espectroscopia de Absorción Atómica (EAA).
4.- En caso que las menas a procesar, provengan de menas en forma de mezclas (Artificiales o naturales) de tipo: Limonita-serpentinitas o totalmente serpentinitas, existen la posibilidad de mejorar su sedimentación, no solo la clarificación de las pulpas lixiviadas, también el proceso de densificación de estas, con sólo adicionar compuestos de potasio, como por ejemplo: el Sulfato de Potasio, aunque una mejoría sustancial de la sedimentación, se ha observado en varias experimentaciones realizadas, 4,5,6,9,10,18,25 con limonitas y mezclas de estos tipos de pulpas (limonita-serpentinitas), con silicatos de magnesio en abundancia, con el aditivo por excelencia del: Dicromato de Potasio. El cual el potasio, no sólo actúa sobre las Jarositas y las Alunitas, también actúa sobre los coloides esponjados del ácido silícico, formados de la sílice libre y el talco, que forman una pasta con altas viscosidades en la tecnología de lixiviación ácida a presión y donde el cromo, se incluye en estas estructuras, favoreciendo la densificación de las Alunitas Potásicas y las Jarositas Potásicas, lo que convierten a estas estructuras más densas.
Ese efecto del cromo fue explicado en décadas anteriores por el especialista soviético Dr. Salomon Izrailevish Sobol 14,15,17,21,22 estudioso de dicho proceso en las pulpas lixiviadas, pero que presentamos su uso efectivo, al estar de forma conjugada el K y Cr.
Ambos presente en este compuesto químico, al reaccionar con los sólidos de tipo FS, que se forman dentro de los reactores de lixiviación o autoclaves de experimentación a menor escalado investigativo.
El uso de este compuesto químico, es una mezcla perfecta, funciona como clarificador, por el Potasio (K) y densificador por el Cromo (Cr), no sólo actúa en la clarificación de las pulpas, también con una mejoría de la densificación de los sólidos con este tipo de pulpas críticas de sedimentación, dejando licores productos mejorados, con mayor área unitaria en los sedimentadores, incluso una parcial mejoría con pulpas totalmente serpentiníticas, se observa que existe un mejor comportamiento siempre de la clarificación de estos tipos de pulpas lixiviadas, provenientes de las mezclas limonita-serpentinitas y en algo parcialmente o en menor grado de las menas lixiviadas de tipo serpentiníticas.
5.- Aditivar solamente aquellas pulpas las cuales sean totalmente identificadas previamente con la herramienta de cálculo desarrollada en Microsoft Excel. Obtenida en el proyecto FONCI de los años 2017 - 2018. 10 Específicamente para menas o minerales con alto contenidos de la fase mineralógica amorfa de tipo limonita, con valores identificados mayores a 1,5 % y superiores a 1 % de la fase lepidocrocita, presentes en toda la masa o sólido caracterizado con anterioridad, los resultados se obtienen por las diferencias entre la masa total de hierro y las restantes fases cristalinas de hierro identificadas, y por último, se identifica la lepidocrocita por los análisis termomagnéticos conocidos convencionalmente y desarrollados en el 2009 por calentamiento oxidativo y su identificación del aumento de sus propiedades magnéticas, análisis desarrollado en la Unidad de Proyecto del CEDINIQ, con el objetivo de identificar y cuantificar las fases amorfas y semi-cristalinas de hierro. 1,5,7,9,10
Como logro científico, pueden eficientemente usarse el Cobre Pentihidratado o cualquiera de los aditivos de potasio propuestos (Sulfato de Potasio o Dicromato de Potasio), especialmente cuando estas fases exceden el valor crítico normado en la hoja de cálculo desarrollado por previas caracterizaciones realizadas en investigaciones prácticas y protegidas por el Centro Nacional de Derecho de Autor. 29
Materiales y métodos
Los principales materiales que se usan durante la experimentación son:
Mineral Laterítico (Limonita).
Tamiz de 20 mallas.
Autoclave de (7) L de capacidad de la firma Parr( 4842 Pressure Reactor (650 psi),
Missouri, EE.UU.
Ácido Sulfúrico (98,18 %) y Agua.
Probetas de 1000 ml para el estudio de la velocidad de sedimentación y compactación del sólido lixiviados al cabo de 1 y 2 horas.
Relación Ácido/Mineral: 0.30 g/g
Aditivo: Sulfato de Potasio (K2SO4) y Dicromato de Potasio (K2CrO7).
En la tabla 1, se pueden ver las condiciones de explotación llevadas a cabo.
Análisis y discusión de los resultados
Interpretación de la mineralogía tecnológica o práctica
A partir de las barras de frecuencias que se muestran de forma cuantitativa, se pueden identificar en la figura 1, la cual muestra algunas fases mineralógicas de hierro identificadas en forma cuantitativa en un gráfico de barras de frecuencia.
Fig. 1 Algunas fases mineralógicas de hierro identificadas en forma cuantitativa en un gráfico de barras de frecuencia
En la figura 2 se muestran algunas fases mineralógicas de las menas serpentiníticas, identificadas en forma de gráficos de barras.
Fig. 2 Algunas fases mineralógicas de las menas serpentiníticas identificadas en forma de gráficos de barras
En dependencia de las fases mineralógicas que componen las menas o minerales y a su descomposición térmica, es decir, a las temperaturas de tratamiento que sean tratadas, se pueden clasificar: en fáciles de descomponer y difíciles, que caracterizan la posibilidad de liberar de sus estructuras los elementos valiosos de Ni, Co u otros, para su posterior lixiviación de estas, en los procesos industriales, según la tecnología a que fueron destinadas.
Retomar los conocimientos existentes en la literatura especializada sobre la geología de los minerales sepentiníticos o menas serpentiníticas de hierro-níquel, según: (26), permiten considerar hoy en día una visión más detallada sobre las menas serpentiníticas, especialmente valoradas como estructuras complejas, que al recibir tratamiento térmico a altas temperaturas, se descomponen a diferentes y elevadas temperaturas 500 - 850 oC, a presión atmosférica en sus óxidos componentes, según la reacción siguiente:
Ejemplos de menas que generan pulpas lixiviadas y crean crisis de sedimentación, además se muestran las menas que presentan comportamientos normales en los sedimentadores de la Planta de Lavaderos en la tecnología HPAL.
En la tabla 2 se muestra un ejemplo de la composición química-física de la mena limonita crítica, que al formase la pulpa cruda tipo FS, generan crisis de sedimentación de las pulpas lixiviadas.
En la figura 3 se muestra la mineralogía tecnológica de una mena comúnmente llamada limonítica o laterita natural, generalmente con elevados contenidos de la fase de hierro de la fase mineralógica de tipo: lepidocrocita, identificadas con un valor superior a los 3 %, lo que genera mala clarificación del licor producto en las pulpas lixiviadas, a pesar de tener muy bajos contenidos de silicatos de magnesio.
Aditivar solamente aquellas pulpas con Sulfatos de Potasio o Dicromato, cuando la identificación de las menas según el programa cálculo, además presenten elevados contenidos de silicatos de magnesio o mezclas de limonitas-serpentinitas. (Se recomienda este aditivo, dado su efectividad para eliminar o mitigar las crisis de sedimentación por clarificación o densificación con pulpas que generen crisis) generalmente donde las fases de clinoenstantita (Mg, FeSiO3) y talco (Mg3(OH)2 Si4O10), sean superiores a los 5 % de la masa total de la muestra tipo FS, aunque funciona para los otros silicatos de magnesio comúnmente identificados, como son las lizarditas niquelíferas, las antigoritas y los crisotilos, por mencionar fases de silicatos de magnesio de fácil descomposición térmica, que al reaccionar con el agente lixiviante (H2SO4), forman los sulfatos de magnesio, que al intensificarse su presencia en altas concentraciones en las pulpas lixiviadas, puede interferir en la sedimentación de las pulpas lixiviadas.
Recordar que los autores de dicha tecnología, concibieron dicha tecnología, sólo para las menas de tipo lateritas de alto contenido químico de hierro (comúnmente llamadas y erróneamente como: limonitas dado que esta es una fase amorfa de las lateritas de alto contenido de hierro), no fue desarrollado para menas de tipo de mezcla natural o artificial: limonita-serpentinítas o serpentiníticas.: 2,3,6,10,13,16,19,20y25.
En la tabla 3 se muestra la composición química-física de la mena crítica de tipo FS con elevado contenido de silicatos de magnesio.
Tabla 3 Composición química-física de la mena crítica de tipo FS con elevado contenido de silicatos de magnesio
En la figura 4 se muestra la mineralogía tecnológica, de una mena con elevados contenido de la fase de limonita, superior a 2,83 % y de la fase de silicatos de magnesio en forma de clinoenstatita-talco, con un contenido superior a 5 %, este genera crisis de clarificación y densificación del sólido presente en las pulpas lixiviadas, en cambio el contenido de lepidocrocita, está por debajo del límite de 3 % para que genere crisis de clarificación.
Fig. 4 Mineralogía tecnológica, de una mena con elevados contenidos de la fase de limonita y de la fase de silicatos de magnesio
La tabla 5 muestra un ejemplo de pulpas crudas de tipo FS, con comportamiento normal, que no necesitan ninguna aditivación de los compuestos químicos propuesto en este artículo, tampoco floculación química.
La figura 5 muestra un ejemplo de la mineralogía tecnológica de una mena de laterita de procesamiento industrial normal, menas muy adecuadas para dicha tecnología.
Fig. 5 Ejemplo de la mineralogía tecnológica de una mena de laterita de procesamiento industrial normal
A continuación se muestran desde la tabla 5 hasta la 8 muestra datos de la caracterización y parámetros operacionales de ejemplos de realización práctica, para proporcionar un mejoramiento de la sedimentación de las pulpas lixiviadas con la adición de sulfato de potasio, donde se usa adicionado a la pulpa cruda que se alimenta a la autoclave, con previa identificación química y magnética, ya que el aditivos no funcionan en la mejora sustancial para todo tipo de mena laterítica, por ende, se recomienda identificar esta previamente, a través de la mineralogía tecnológica o práctica, mostrada anteriormente, especialmente funciona para menas de limonitas y en menor accionar, para altos contenido de silicatos de magnesio en mezclas con limonitas, es decir, funciona eficientemente para limonitas con bajos contenidos de níquel en el mineral alimentado con alto contenido de hierro químico y con bajas o altas propiedades magnéticas y con fases mineralógicas abundantes de limonita y lepidocrocita.
Ejemplo del uso del sulfato de potasio en pulpas crudas para la mejora de la sedimentación de las pulpas lixiviadas según (4 y 25).
En la tabla 6 se muestra la composición química del sólido que compone la pulpa cruda de los distintos yacimientos mineros con aditivo (K2SO4) y sin este (normal).
Tabla 6 Composición química del sólido que compone la pulpa cruda de los distintos yacimientos mineros con aditivo (K2SO4) y sin este (normal)
En la tabla 7 se muestran las extracciones de los distintos elementos con aditivo y sin este en (%).
En la tabla 8 se muestra la velocidad de sedimentación al cabo de una hora y de dos con pulpa aditivada y sin esta.
A continuación se muestran en la tabla 9 hasta la 12, el del reactivo químico como aditivo, más eficiente para estos usos. Para ello, se experimentó adicionar a la pulpa cruda: Dicromato de potasio, con varias contracciones de 0, 20, 40 y 80 g/t.
En la tabla 9 se muestra la composición química del mineral utilizado como mena crítica de comportamiento operativo en los sedimentadores de lavado de la pulpa lixiviada.
Tabla 9 Composición química del mineral utilizado como mena crítica de comportamiento operativo en los sedimentadores de lavado de la pulpa lixiviada
En la tabla 10 se representa la velocidad de sedimentación de la pulpa lixiviada natural sin aditivo cada 10 minutos de medición.
Tabla 10 Velocidad de sedimentación de la pulpa lixiviada natural, sin aditivo cada 10 minutos de medición
En la tabla 11 muestra la velocidad de sedimentación de la pulpa lixiviada generada de la misma pulpa cruda de la tabla 9, pero esta vez aditivada con 80 g/t cada 10 minutos de medición.
Tabla 11 Velocidad de sedimentación de la pulpa lixiviada generada de la misma pulpa cruda de la tabla 9, pero aditivada con 80 g/t cada 10 minutos de medición
En la tabla 12 se muestra de forma comparativa con varias dosis del aditivo.
En la tabla 13, se observan las diferencias en cuanto a la velocidad de sedimentación de las pulpas lixiviadas y las extracciones en (%) de los elementos químicos con la mena natural y con un proceso de aditivación a la pulpa cruda.
Tabla 13 Diferencias en cuanto a la velocidad de sedimentación de las pulpas lixiviadas y las extracciones en (%) de los elementos químicos con la mena natural y con un proceso de aditivación a la pulpa cruda
Los resultados de la recuperación a escala de banco muestran, una disminución de los elementos valiosos de Ni y Co, cuando se adiciona el K2Cr2O4, aunque no sucede para todas las corridas efectuadas y no mostradas en el presente artículo; independientemente se extrae menor concentraciones de los elementos acompañantes, lo que favorece en la calidad del producto final, muy propicia a menas de limonitas y en menor efecto a menas de mezclas de limonita-serpentinitas.
Significa que es preciso adicionar los aditivos en el justo momento de descomponerse las fases mineralógicas portadoras del Ni y Co, para que estos elementos pasen a solución, y posteriormente se crean estructuras mineralógicas favorables, que se deben lograr formar, en las autoclaves, al agregar los aditivos, con el objetivo de lograr una buena sedimentación de las pulpas lixiviadas y una mejor recuperación del Ni y Co.
Con dicho procedimiento, debe aumentar la productividad del proceso, con respecto a muestras críticas, durante su proceso en conjunto de la clarificación-densificación, al hacerse más dinámica la operatividad del proceso de forma continua, con respecto a las que no se adicione el dicromato de potasio o sulfato de potasio.
Conclusiones
El uso de la mineralogía tecnológica permite obtener un diagnóstico integral previo de la calidad de las menas, dando paso en la identificación de aquellos sólidos presentes en la pulpa cruda que generan crisis de clarificación y densificación de las pulpas lixiviadas, sin la necesidad de experimentar dicho proceso de lixiviación a menor escalado.
La dosificación de reactivos o aditivos propuestos a determinadas pulpas crudas, con previa identificación de la mineralogía tecnológica, permite mayor estabilidad del proceso de sedimentación de las pulpas lixiviadas. De esta forma se evita las crisis de sedimentación de estas, en busca de mejoras en la operatividad del proceso hidrometalúrgico en la planta de lavadero.
