Apunte Hidro I

UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr.Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico INTRODUCCION En un sentido amplio e integrado, el proceso minero se puede definir como la suma de procedimientos y métodos mediante los cuales, a partir de un yacimiento se obtienen metales y/o compuestos metálicos de pureza y calidad comercial, de manera rentable y con un impacto ambiental aceptable (según legislación vigente). Cuerpo Mineralizado Explotación Procesamiento del Mineral Procesamiento químico (hidrometalúrgico pirometalúrgico) Metal Restricciones Económicas (rentabilidad) Restricciones ambientales (legislación vigente) Los minerales del yacimiento se han formado en periodos geológicos pretéritos con condiciones ambientales muy diferentes a la actual. Luego, contienen especies minerales que no están en equilibrio con la biosfera presente. Por esta razón, van reaccionando lentamente a través de los siglos y se van transformando en otras especies minerales o solubilizando. Sin embargo este proceso es lento, paulatino y regulado en tiempos geológicos. Al iniciar la explotación de un yacimiento se altera la configuración geológica natural: se remueven las capas de terreno protector naturales formadas en la superficie y debido a la fragmentación inherente en el proceso, se aumenta notablemente la superficie de contacto entre el subsuelo y la biosfera actual (aire, agua, microorganismos). Esto se traduce en una aceleración de las reacciones de degradación de los minerales. Aparecen aguas de mina, y se produce mucho material particulado de descarte, de gran reactividad por su gran área superficial, que es acumulado a la intemperie. Además, durante durante el procesamiento se producen soluciones con contaminantes y se emiten gases. El proceso minero debe incluir entonces las consideraciones necesarias para: a) neutralizar los potenciales efectos ambientales durante la explotación del mineral (control del escape de aguas de mina, limpieza de soluciones efluentes, tratamiento de gases, etc.); b) planificar desde el inicio un adecuado plan de cierre de la mina que debería finalmente reducir el nivel de interacción subsuelo/biosfera a un nivel cercano a la situación pre- explotación. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Tratamiento de minerales humus Cuerpo Mineral Inicio Explotación Lastre + Mineral baja ley Material particulado Gases SO 2 Soluciones de mina Soluciones de descarte Contaminados con elementos iniciales y reactivos Residuos sólidos Contaminados Con reactivos. Operaciones físicas y operaciones químicas. Una vez completada la extracción del mineral desde la mina, se inicia una serie de etapas de transformación física del mineral, dirigidas ya sea a acondicionar el tamaño de partículas de mineral para el proceso de lixiviación en pilas (chancado primario + chancado secundario), o para liberar y separar las especies minerales de interés (chancado + molienda liberadora + flotación). En estos procesos no se altera la estructura y composición del mineral de interés y por eso que se dice que son de naturaleza física. Posteriormente, dado que el metal de interés se encuentra presente en el yacimiento como una especie mineral, o sea un compuesto químico distinto al metal puro, en las etapas posteriores del proceso minero global, se deben incluir operaciones que implican transformaciones químicas de las especies minerales de interés. Generalidades del proceso hidrometalúrgico. Un proceso de este tipo tiene las siguientes etapas principales: a) Lixiviación. En este proceso se disuelve uno o varios valores minerales contenidos en una mena o en un concentrado, generalmente usando una solución acuosa del agente lixiviante. El término también se puede extender para incluir la disolución de materiales secundarios tales como chatarra, residuos y desechos. La lixiviación produce una solución acuosa rica en los iones del metal valioso extraído (PLS, pregnant liquid solution) a partir de la cual debe ser posible separar este metal y recuperarlo con un alto nivel de pureza. Además se produce un residuo sólido o ripio, que idealmente tiene un contenido suficientemente bajo en los valores minerales lixiviados como para ser descartado a un botadero o tranque. Si el residuo sólido de la lixiviación queda impregnado con sales o precipitados que eventualmente pueden liberar agentes tóxicos, una vez expuestos al ambiente, antes de ser descartados el UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico residuo debe ser adecuadamente tratado a fin de lograr la eliminación o estabilización de los potenciales compuestos contaminantes. En algunos casos, la lixiviación puede tener un objetivo diferente al planteado anteriormente. Transformaciones físicas ganga CuS ganga ganga ganga ganga CuS CuS CuS CuS Explotación Chancado Molienda Flotación Cu o <==Tratamiento pirometalúrgico CuS + O 2 →Cu o + SO 2 Cu o <==Tratamiento hidrometalúrgico CuS + Fe 3+ →Cu 2+ + Fe 2+ + S o ganga Por ejemplo, en algunos casos un concentrado se lixivia para extraer selectivamente ciertas impurezas y subir así la calidad del concentrado (por ejemplo, la remoción de cobre desde concentrados de molibdenita). En la biolixiviación de minerales y concentrados refractarios de oro no se disuelve el oro contenido, sino que la pirita o arsenopirita en la cual el metal precioso está encapsulado. Este es un pretratamiento que permite mejorar substancialmente la eficiencia del posterior proceso de cianuración. Procesos de purificación y enriquecimiento de soluciones. Los procesos de lixiviación no son necesariamente selectivos y en consecuencia, se producen soluciones de lixiviación que contienen, además del metal de interés, una variada gama de impurezas. Esto sumado al hecho que la concentración del metal de interés puede no ser muy elevada, imposibilita la recuperación directa del metal de interés desde la solución de lixiviación. De este modo estas soluciones deben ser tratadas mediante etapas de purificación y enriquecimiento. La purificación permite eliminar las impurezas, aislando selectivamente los elementos valiosos. El enriquecimiento de las soluciones es también particularmente beneficioso para reducir los volúmenes de soluciones a tratar en las subsecuentes etapas de recuperación del metal. Esto contribuye a aminorar los costos de inversión y aumentar la eficiencia de la recuperación. Los procesos más importantes en esta sección son los basados en la separación química de los elementos, que son fundamentales: • Intercambio iónico con resinas sólidas, principalmente de aplicación en la recuperación de uranio y lantánidos, y separación cobalto-níquel. • Extracción por solventes (SX), ampliamente usado en la recuperación de cobre, uranio, vanadio, molibdeno, níquel, cobalto, etc. • Adsorción con carbón activado, aplicado en la recuperación de oro y plata desde soluciones de cianuración. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Otro tipo de proceso se basa en la precipitación química, en cuyo caso la purificación de las soluciones se logra mediante la precipitación selectiva de las impurezas presentes. Por ejemplo, la eliminación del hierro por precipitación de goetita desde soluciones de cobre cloruradas (proceso INTEC para concentrados de cobre); la purificación de soluciones de lixiviación de cobalto mediante precipitación selectiva de sulfuro de cobre con H 2 S (Planta Kokkola de Outokumpu). Recuperación de valores metálicos desde soluciones. La recuperación de un metal desde una solución se logra mediante la formación y separación de un sólido que contiene este metal en su estado elemental o combinado. Existen varios procesos para lograr este objetivo: a) precipitación física, en la cual se induce la cristalización de una sal del metal mediante de ajuste de la temperatura y concentración de la solución. Por ejemplo, precipitación de sulfato de cobre desde soluciones de reextracción de SX. b) precipitación química, en este caso la precipitación se logra mediante la adición de un reactivo, por ejemplo una base o un ácido. Un caso muy representativo es la recuperación de aluminio mediante precipitación alcalina de Al 2 O 3 en el proceso Bayer. c) Precipitación reductiva, en este tipo de proceso el metal se precipita en estado elemental a partir de la reducción del ion metálico. Cuando la reducción se logra mediante el agregado de un metal (más electronegativo) el proceso se conoce como cementación. Los casos más típicos son la precipitación de cobre con chatarra de hierro y la precipitación de oro con polvo de zinc. La precipitación reductiva también se induce agregando iones o gases reductores a la solución. Casos típicos son la precipitación de níquel con hipofosfitos y la precipitación de cobalto y niquel con hidrógeno gaseoso. d) Electrobtención, en este caso la reducción del metal se logra mediante aplicación de una corriente externa a través de un par de electrodos, obteniéndose la depositación del metal en el cátodo. La electrobtención, en particular aplicada a soluciones que han sido purificadas y concentradas mediante extracción por solventes, es uno de los procesos más usuales de recuperación final de un metal, obteniéndose generalmente un material de alta pureza. e) Reextracción hidrolítica, es un proceso más reciente mediante el cual simultáneamente se reextraen los cationes metálicos desde un extractante orgánico cargado y se precipitan como óxidos ó hidróxidos. El proceso consiste en contactar el orgánico con agua a elevada temperatura y presión. Tratamiento de efluentes. Cualquier efluente de un proceso hidrometalúrgico debe ser adecuadamente tratado antes de ser descartado, de modo de minimizar el impacto ambiental. En principio el tratamiento debe ser tal que el descarte final, cumpla con las restricciones ambientales impuestas en cada caso específico. Procesos comúnmente utilizados en la descontaminación convencional de un efluente son la precipitación química, el intercambio iónico y la electrólisis. Otros procesos relativamente nuevos son la biorreducción, la biosorción de iones y la flotación de iones. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Figura XX. Fotografía aérea de la Compañía Minera Quebrada Blanca S.A. (Iquique, Chile) CAPITULO 2 2.1. Introducción. En el proceso de lixiviación de un mineral, el objeto es disolver una o varias de las especies minerales contenidas en una mena o en un concentrado. Esto se logra contactando el mineral con una solución acuosa conteniendo el o los agentes lixiviantes adecuados. En la lixiviación es importante maximizar la recuperación del (ó los) metal (es) de interés. El porcentaje de recuperación es crítico para la economía del proceso. El metal de interés que no se disuelve en esta etapa se pierde definitivamente, salvo que exista una etapa posterior de lixiviación de ripios (o bien, un remanejo de la pila). En la lixiviación es importante lixiviar las especies minerales de interés lo más selectivamente posible, es decir, minimizando la disolución simultánea de otras especies presentes en el mineral o concentrado, cuya disolución no es de interés. Por ejemplo, en la lixiviación ácida de minerales de cobre conviene minimizar la disolución de especies contenidas en la ganga, esto tiene las siguientes ventajas: i) se optimiza el consumo de ácido en el proceso, ii) se minimiza la concentración iónica en la solución lixiviante recirculante, lo que favorece el proceso de separación de fases en extracción por solventes. En otros procesos, como la lixiviación de sulfuros de cobre, es importante minimizar la disolución de sulfuros de hierro ya que esto encarece mucho las etapas de purificación posterior en que este ion debe ser eliminado del proceso. En ciertas condiciones es conveniente minimizar la solubilización del azufre contenido en el mineral, inhibiendo la formación de sulfato y favoreciendo la formación de azufre elemental. En la lixiviación es importante tener velocidades de lixiviación adecuadas, de modo de recuperar los metales de interés en el menor tiempo posible. Esto es muy crítico por ejemplo, en el caso de la UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico lixiviación en reactores agitados a temperatura ambiente o a presión, en que el tener menores tiempos de lixiviación resultan en reactores de menor tamaño y en consecuencia, importantes ahorros en inversión en equipos. En el caso de la lixiviación en pilas, el tener mayores tiempos de lixiviación resulta en la necesidad de tener pilas de mayor tamaño, esto puede ser crítico si no se opera en zonas en que no hay demasiada área disponible para construirlas. Por otra parte, tiempos de lixiviación extremadamente largos, conlleva grandes inventarios de mineral retenido en las pilas, cuyo costo asociado puede ser nefasto para la economía del proceso. Se necesita una base conceptual que permita seleccionar las condiciones de operación para satisfacer los aspectos mencionados anteriormente y lograr la disolución del mineral de manera óptima y económica. Se puede desglosar el problema en dos tipos principales de preguntas. 1. ¿Qué condiciones se debe fijar para que se disuelvan los minerales que se desea? ¿Qué condiciones se deben fijar para que no se disuelvan los minerales indeseables? 2. ¿Qué condiciones se deben fijar para que los minerales se disuelvan rápido?, ¿cuánto tiempo debe permanecer un mineral en el proceso de lixiviación?, ¿Qué condiciones permiten optimizar el consumo de reactivos? Los criterios para determinar las respuestas a las preguntas formuladas en las preguntas tipo 1, están en la termodinámica, en particular en relación con el equilibrio químico. El que la disolución de una especie mineral particular contenida en un mineral ocurra, puede ser controlado si se cuenta con criterios para fijar en el reactor o pila el rango de las variables: acidez, temperatura, presión, potencial oxidativo (grado de oxigenación, presencia de agentes oxidantes o reductores), composición de la solución (tipo de iones y su concentración). Los criterios para responder las preguntas formuladas en 2, están por una parte en la cinética de reacciones (reacción a nivel de partículas) y en la ingeniería de procesos. Se puede así obterner diferentes criterios complementarios para fijar las variables previamente indicadas, y fijar además las siguientes condiciones de diseño y operación: tamaño de partícula del mineral o concentrado (granulometría), tipo de reactor (agitado (mezcla perfecta) vs pila (flujo pistón)), tamaño de reactor o pila (dimensionamiento), tiempo de residencia del mineral en el reactor o pila, grado de agitación (en reactores agitados) y altura de la pila. 2.2. Termodinámica de sistemas acuosos. Supongamos el caso general de una reacción del tipo: D d C c B b A a ⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅ (2.1) siendo A, B, C y D compuestos gaseosos, sólidos o disueltos en solución. La velocidad de la reacción hacia la derecha tiene la siguiente expresión: b B a A f f a a k v ⋅ ⋅ = (2.2) y la velocidad hacia la izquierda es: d D c C b b a a k v ⋅ ⋅ = (2.3) con a i , actividad del compuesto i. En esta sección consideráremos que la actividad es similar a la concentración molar de la especie, es decir que la concentración de la especie es extremadamente diluida: UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico ( ) 3 / dm moles c a i i = (2.4) En el caso de los gases, la actividad se aproxima a la presión parcial de la especie gaseosa: ) (atm p a i i = (2.5) En el equilibrio se cumple que: b f v v = , o sea, d D c C b b B a A f a a k a a k ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ (2.6) Se tiene entonces en el equilibrio: K a a a a k k eq b B a A d D c C b f = ⋅ ⋅ = (2.7) K es aquella razón entre actividad de productos y reactivos, tal que la velocidad en ambos sentidos se iguala (velocidad neta de reacción es nula). Predicción de reacciones. Es importante contar con un criterio para predecir si, en determinadas condiciones de operación, una reacción va o no a ocurrir. Este criterio, al mismo tiempo, debe permitir también poder determinar las condiciones para que una reacción ocurra en el sentido que se desea que ocurra. El concepto utilizado es la función de ENERGIA LIBRE DE REACCION, ∆G, que se define como: ∆G=∆H – T ∆S (2.8) En que: ∆G= cambio de la energía libre de la reacción ∆H= cambio de entalpía ∆S= cambio de entropía El criterio de predicción se resume en el esquema indicado en la Figura 2.1. El ∆G de la reacción se calcula de la siguiente forma: tes reac productos G G G tan − = ∆ (2.9) Para el caso de la reacción (2.1), se tiene entonces: ( ) ( ) B A D C G b G a G d G c G ⋅ + ⋅ − ⋅ + ⋅ = ∆ (2.10) Por otro lado, se tiene que: i o i i a RT G G ln ⋅ + = , en que G i o , es la energía libre de formación, dato característico de cada compuesto (esta tabulado en tablas). De este modo, aplicando (2.9), para cada compuesto en la reacción (2.1), se tiene: A o A A a RT a G a G a ln ⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅ (2.11) B o B B a RT b G b G b ln ⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅ (2.12) UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico C o C C a RT c G c G c ln ⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅ (2.13) D o D d a RT d G d G d ln ⋅ ⋅ + ⋅ = ⋅ (2.14) Criterio de predicción ∆G = ∆H – T ∆S ∆G = G producto - G reactantes ¿ ∆G ? ∆G = 0 ∆G > 0 ∆G < 0 No ocurre reacción Reacción ocurre hacia la derecha Reacción ocurre hacia la izquierda Figura 2.1. Criterio de predicción en función de la energía libre. Reemplazando las expresiones (2.11) a (2.14) en (2.9), se tiene: | | . | \ | ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ − ⋅ − ⋅ + ⋅ = ∆ b B a A d D c C o B o A o D o C a a a a RT G b G a G d G c G ln ) ( (2.15) El término ( ) o B o A o D o C G b G a G d G c ⋅ − ⋅ − ⋅ + ⋅ , lo denominamos ∆G o , de modo que la expresión (2.15) se puede escribir como: | | . | \ | ⋅ ⋅ ⋅ + ∆ = ∆ b B a A d D c C o a a a a RT G G ln (2.16) Si se tiene un reactor con compuestos A, B, C y D, cuyas actividades (concentraciones) iniciales son a A , a B , a C y a D se puede predecir si la reacción va a ocurrir o no, en base al cálculo del ∆G. Entonces, para la reacción (2.1) se presentan dos situaciones: • Si ∆G < 0, la reacción que ocurre es: D d C c B b A a ⋅ + ⋅ → ⋅ + ⋅ • Si ∆G > 0, la reacción que ocurre es: B b A a D d C c ⋅ + ⋅ → ⋅ + ⋅ Supongamos que se tiene el caso ∆G < 0, ¿hasta qué punto A y B se transforman en C y D?: la reacción ocurre hasta que se alcanza el equilibrio. En el equilibrio ∆G = 0, es decir, que no hay ventaja energética en desplazarse en uno u otro sentido. Luego, si en el equilibrio ∆G = 0, entonces de (2.16), se tiene: UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico 1.1. ANTECEDENTES OPERACIONALES DE LA LIXIVIACION EN PILAS 1.1.1. Clasificación de tipos de pilas La primera clasificación de una pila es dada en conformidad al piso que puede tener, lo que define los siguientes tipos básicos: a)Pila renovable: su piso es reutilizable, de modo que terminado el ciclo de lixiviación se retira el ripio para reemplazarlo con material fresco. b) Pila permanente: Su piso no es reutilizable, de modo que terminado el ciclo de lixiviación no se retira el ripio, sino que se abandona. c) Pila modular: es una combinación de ambas, en que sólo se impermeabiliza una vez el piso, el ripio se abandona, pero sobre él se deposita material fresco formando una segunda capa en el sentido vertical. Este tipo de pila se utiliza principalmente en la lixiviación de botaderos. Desde el punto de vista de su operación, las pilas pueden clasificarse en: a) Pila unitaria: se impermeabilizan diferentes sectores de la planta. Todo el material depositado en los diferentes sectores, pasa simultáneamente por las diversas etapas del ciclo de lixiviación. b) Pila dinámica: se impermeabiliza un sector de la planta y en ésta pila única coexisten materiales que estan en distinta etapas del ciclo de lixiviación. Por la configuración de la pila la dirección de flujo de las soluciones es en contracorriente respecto a la salida del mineral (según su ubicación en el ciclo metalúrgico), se riegan con agua los sectores agotados para reposición de las pérdidas por evaporación e impregnación del ripio a retirar. Los sectores inmediatamente anteriores se riegan con solución refino de la planta de extracción por solventes, generando una solución intermedia que se utilizará en el riego de los sectores con mineral más fresco. TABLA 1.1. : Cuadro comparativo de pilas permanentes y renovables PERMANENTE RENOVABLE CAMPO DE APLICACION ◊ minerales de baja ley ◊ minerales baja recuperación ◊ lenta cinética de lixiviación ◊ lixiviación secundaria ripios ◊ amplio espacio disponible ⊗ minerales alta ley ⊗ minerales alta recuperación ⊗ rápida cinética lixiviación ⊗ lixiviación primaria menas CARACTERISTICAS GENERALES ◊ Pilas elevadas para lograr una alta densidad de carga de material por metro cuadrado de pila. Generalmente, 5 m o más. ◊ granulometría alta ◊ comúnmente diseñadas para cargas sucesivas de mineral en capas ◊ la altura queda limitada por las necesidades de oxígeno en ⊗ pilas relativamente bajas para permitir una rápida carga y descarga de material. Generalmente 2 m. ⊗ granulometría baja ⊗ la altura se define por el sistema de carguío y por la concentración de las soluciones a contener. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico el interior de pila TABLA 1.2. : Cuadro comparativo entre tipos de pilas renovables UNITARIA DINAMICA • carga de una vez la totalidad de la pila y la descarga de una vez al término del ciclo metalúrgico • ventajosa para plantas de baja capacidad • operación más simple y flexible ∇en cada período que puede ser diario, o múltiplos de la alimentación diaria, descarga un módulo y carga otro módulo, los cuales además van directamente adosados a sus respectivos sectores de la pila, con la condición de que no haya contacto entre la mena fresca y el ripio agotado. De esta forma la camada queda formada por “sub-pilas” internas. ∇menor inversión unitaria por mejor aprovechamiento de piso impermeable. ∇ciclos de operación muy regulares ∇concentraciones muy estables y regulables de las soluciones de proceso. ∇menor capital de trabajo Figura XX. Fotografía panorámica de Compañía Minera Cerro Colorado-BHP Billiton (Iquique, Chile) UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico 1.1.2. Ciclo metalúrgico o ciclo de lixiviación Se entenderá como ciclo metalúrgico o de lixiviación de una pila o módulo, el período de tiempo medido en días o meses, en que un mineral se deposita en una cancha de lixiviación o pad y que se somete a las siguientes operaciones: a) lixiviación o regadío con solución lixiviante:En las pilas de tipo dinámico se puede distinguir un riego rico y un riego intermedio. b) lavado con agua: Esta etapa se realiza con el fin de disminuir la impregnación de solución químicamente activa, ya sea porque contiene un elemento valioso en solución o porque contiene un lixiviante contaminante y peligroso. c) Drenaje: el ripio antes de retirarlo en el caso de una pila renovable o de abandonarlo en el caso de una pila permanente, se deja en reposo para que percole la cantidad de solución contenida entre los límites de humedad de percolación y de humedad de impregnación del material. d) carga y descarga: en el caso de pilas renovables, algunos autores hacen formar parte de este ciclo, también el tiempo de construcción de la pila y el de su remoción. Definido éste ciclo, el hidrometalurgista a través de un diagrama de ingeniería industrial podrá definir la dimensión de su sistema de lixiviación en pilas. 1.1.3. Reposición de agua y de ácido Las pilas en general pierden agua a través de: - evaporación a la atmósfera - retiro en los ripios lavados, como humedad residual - pérdidas de proceso por derrámes, filtraciones (roturas de carpeta) y descartes ocasionales (purgas para reducir el nivel de impurezas dañinas para los procesos siguientes, como hierro, manganeso, cloruro, etc.). Ellas se reponen directamente al sistema como agua de lavado de los ripios tratados, al final del ciclo de riego, en la forma ya descrita. Se agrega como ácido de reposición sólo el correspondiente al consumo de la ganga, dado que las soluciones ricas se procesan en la planta de extracción por solventes y se retorna a la lixiviación el ácido correspondiente al consumo de cobre. Por la misma razón es importante controlar el ácido libre en la lixiviación, para que su concentración en la solución rica se mantenga en los niveles más bajo posibles. El consumo de ácido es un ítem de costo altamente significativo ya que las relaciones estequiométricas indican que por cada kilogramo de cobre disuelto, se consumen de 2,5 a 7,0 kilógramos de ácido puro, según la mena y el proceso empleado. La condición estequiométrica jamás se cumple, y siempre es necesario consumir más ácido para efectuar la lixiviación. El exceso de ácido es la suma de los siguientes consumos: UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - ácido necesario para neutralizar la ganga (fija para cada tipo de mineral) - ácido libre que tiene que existir para que la lixiviación pueda tener una velocidad y eficiencia razonable (disminuye al aumentar la ley del mineral y por tanto variable). 1.1.4. Sistema de riego de las pilas La solución se introduce sobre la pila regando con canerías perforadas de PVC. Existe una gran variedad de dispositivos de riego tales como: aspersores, goteros, boquillas. El riego debe ser uniforme. La pila se debe mojar con la cantidad determinada de litros de solución por hora y por metro cuadrado de superficie, de acuerdo a lo establecido en las pruebas de laboratorio. El riego por goteo es conveniente cuando el agua es escasa y el viento es permanente y fuerte, o existe el peligro de congelamiento de la solución en la cordillera (3.000 a 4.000 metros de altura). El riego por aspersión resulta favorable cuando hay agua abundante, las condiciones climáticas son favorables (temperatura mínima 0 °C), las aguas son muy duras y el peligro de precipitación de carbonatos es evidente, el régimen de vientos es moderado o intermitente a ciertas horas del día y finalmente cuando haya necesidad de agregar oxígeno a la solución lixiviante. En faenas a gran altura sobre el nivel del mar, ha dado buen resultado el calentamiento de las soluciones, en particular cuando se trata de procesos bacteriales (Compañía Minera Quebrada Blanca, I Región, Chile, enfrenta temperaturas de -10°C durante el invierno, lo que hace necesario precalentar las soluciones). 1.1.5. Aspectos constructivos de la pila 1.1.5.1. Preparación del terreno: El terreno debe estar libre de piedras punzantes, con un grado de compactación que corresponda a un índice Proctor Modificado de 92 a 95%. La pendiente del terreno debe ser de 3 a 4% en una dirección hacia la canaleta de recolección de la solución percolada. 1.1.5.2. Impermeabilización del piso: Los tipos de materiales usados para la construcción de la base (colchoncillo) impermeable son: - ripios compactos mezclados con bentonita - asfalto o mezcla de sulfonato de lignito extendido sobre una grava compacta y recubierto con un sellador de asfalto. - base de concreto armado - carpetas de plástico o goma extendidos sobre el área excavada y lisa recubierta con 2 a 3 pies de arena y grava lavadas. El material plástico es inerte a la acción de los agentes químicos que mojarán su superficie. 1.2. SISTEMAS DE LIXIVIACION EN PILAS 1.2.1. Introducción En este capítulo se analizan los ensayos de caracterización y las pruebas de laboratorio y planta piloto, destinados a definir una base de datos suficientes para sustentar técnicamente el diseño y definir las recuperaciones metalúrgicas y los consumos de ácido y agua y otros servicios, de un circuíto ácido de lixiviación en pilas, para el tratamiento de menas de cobre. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Los procedimientos descritos pretenden guiar el trabajo experimental requerido por un proyecto y suponen que serán ejecutados por un operador con un cierto nivel de experiencia metalúrgica, supervisados por un Ingeniero Metalúrgico. Este trabajo debe considerar tres elementos fundamentales: a) Preparación: Definición de experimentos, equipos e instrumentos necesarios, diseño del programa experimental y su control, y la definición del trabajo analítico necesario. b) Operaciones: Inicio de experimentos, físicos, químicos y controles metalúrgicos y recolección de información. c) Evaluaciones : Definición de criterios para la evaluación de ensayos, extrapolación de datos, conclusiones y recomendaciones. 1.2.2. Descripción de procesos El proceso de lixiviación en pilas se investiga mediante pruebas, para determinar en el laboratorio, las condiciones, parámetros y consumos optimizados del tratamiento, para concluir con pruebas de verificación de las condiciones de la lixiviación, en columnas aísladas de mineral, preparadas de acuerdo con las condiciones del tratamiento industrial que se efectuará en la práctica. Las columnas de las pruebas finales de la serie de ensayos, representarán elementos finitos de la píla de lixiviación, de modo que sus condiciones operacionales y controles deben reproducir tan cercanamente como sea posible, lo que sucederá en la pila real. 1.2.2.1. Preparación de menas Normalmente, las menas se transportan desde el yacimiento a la planta, y se almacenan en acopios previo al chancado. El chancado y clasificación y se efectúan en las máquinas respectivas del circuíto de conminución. El tamaño máximo es deducido a partir de los resultados obtenidos en estas pruebas a través del compromiso económico y técnico, entre las menores inversiones y costos de operación. De esta forma, se busca obtener los mejores resultados de recuperación metalúrgica de los minerales del yacimiento, dentro de su rango de composiciones y otras características. 1.2.2.2. Aglomeración y curado de menas Un grupo de profesionales de la Oficina de Minas de los Estados Unidos investigó en 1982 la técnica de aglomeración de partículas con el fin de mejorar la percolación de la solución de cianuro a través de pilas de material arcilloso de oro y plata de baja ley, o finamente molidas. Los experimentos realizados a escala de laboratorio y piloto por G.E. Mc Clelland y J.A. Eisele, (RI- 8612)/1982, han demostrado que la velocidad de percolación de la solución de cianuro aumenta notoriamente mezclando la mena con cemento portland como aglutinante, humedeciendo luego con agua y aglomerando mecánicamente y dejendo finalmente la mezcla en reposo por un tiempo determinado antes de iniciar la lixiviación. La velocidad de cianuración de oro y plata aumentó visiblemente debido a la percolación uniforme de la solución de cianuro, a través del material aglomerado. El empleo de una solución concentrada de cianuro en vez de agua, en la operación de aglomeración, ha disminuido el tiempo requerido de lixiviación para obtener la máxima extracción. El material ya chancado , puede ser aglomerado y curado, con agua y ácido sulfúrico concentrado, según se requiera, dependiendo del valor final de la recuperación del cobre, de su curva cinética y de la presencia de finos que afecten la percolación de soluciones. Posteriormente a este proceso, UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico el mineral es nuevamente almacenado en las pilas o en otro stock pile, para un tiempo breve de reposo, previo al tratamiento por lixiviación. El aglomerado-curado, desde el punto de vista químico, produce una rápida y enérgica sulfatación de los óxidos, lo que se traduce en soluciones efluentes altamente concentradas en cobre; solubiliza hierro que es la base del ion férrico necesario para la disolución de sulfuros; estabiliza la sílice evitando su forma coloidal que es la causante de pérdidas de órganico en la extracción por solventes. Desde el punto de vista físico, produce la aglomeración de los finos en torno a las partículas más gruesas de mineral, lo que genera un material de tamaño relativamente homogéneo y estable, generando en la pila un volumen importante de huecos, fundamental para las buenas condiciones de permeabilidad líquida y gaseosa del lecho de mineral aglomerado. En general, si los resultados de la evaluación granulométrica indica la presencia de más de un 8% de finos bajo la malla Tyler 65, al tamaño de chancado seleccionado para el tratamiento, debe interpretarse que hay una alta probabilidad que se requerirá de la aglomeración previa de los finos, para mejorar la permeabilidad del lecho. Particularmente, en los sulfuros secundarios, la lixiviación se ve favorecida por las temperaturas y condiciones oxidantes del curado. El aglomerado suele tener una humedad ( producto de la adición de agua y ácido sulfúrico(como solución ácida en el rango de 93 a 98% de pureza)) que fluctúa entre 10 y 15%. Existen diferentes formas y equipos para efectuar la aglomeración y dentro de los más utilizados se pueden mencionar: tambor rotatorio, disco peletizador, correa transportadora y aglomerador manual. Generalmente el equipo más empleado es el tambor rotatorio por su relativa fácil operación y mantención. La aglomeración se relaiza en forma eficiente utilizando un tambor rotatorio, el que tiene una inclinación regulable, en el sentido de flujo del material, y cuya velocidad de rotación también es regulable entre 4 y 15 r.p.m. La carga de mineral se hace en forma continua por la parte posterior y más alta del tambor, al igual que el agua y el ácido sulfúrico, en forma de duchas o chorro. En la parte interior del tambor guías longitudinales evitan el resbalamiento del mineral y éste es elevado produciéndose luego una caída en la cual las partículas adquieren un movimiento rotatorio. Una humedad de 7 a 10% puede dar un excelente aglomerado, con tiempos de residencia del mineral en el tambor de 1 a 3 minutos, cuando opera con 3 a 7 grados de inclinación. Variables del proceso de aglomeración. Dentro de las variables que condicionan la calidad del glómero se encuentran la humedad de aglomeración, características del material que se aglomera, características del tambor aglomerador y condiciones de operación del tambor. a) Humedad de aglomeración El contenido de humedad general, debido a los efectos de tensión superficial que tienen unidas las partículas de mineral, es la variable más importante para producir buenos aglomerados. Muy poca humedad hace imposible el desarrollo de una película de líquido entre las partículas y conduce a una segregación de tamaños de éstas durante el apilamiento. Esto causa una distribución heterogénea de la solución dentro de la pila, la cual afecta práctica e invisiblemente a la recuperación. Por otro lado demasiada humedad separa las partículas pequeñas de las partículas más grandes. La humedad óptima de operación es definida como la máxima humedad antes de llagar al punto adhesivo, valor en el cual el material se torna barroso, se pierde la esfericidad de los glómeros y además distorsiona significativamente su distribución de tamaño. b) Principio de operación de la aglomeración. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Las fuerzas que mantienen unidas las partículas en los aglomerados son de dos tipos principales: tensión superficial y uniones químicas interpartículas. Figura 1. Fuerzas de enlace en un aglomerado. Tensión superficial: Las fuerzas de tensión superficial también se conocen como fuerzas capilares debido a que un líquido (agua) puede subir entre dos paredes sin ninguna ayuda externa como resultado de las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido (agua) y las paredes del material capilar. Cuando hay una delgada película de agua entre dos partículas de mineral, estas mismas fuerzas de tensión superficial ayudan a mantener unidas las partículas (figura 1). Enlaces químicos interpartículas: Si la película delgada de agua entre las dos partículas contiene ácido sulfúrico, el ácido reacciona con las superficies de las partículas y comienza a disolver el cobre. A medida que las reacciones continúan, se desarrollan enlaces químicos que ayudan a mantener unidas las dos partículas. La formación de estos enlaces químicos en ocasiones se denomina curación. De acuerdo a la literatura técnica actualmente disponible y a las condiciones de operación de numerosas minas de Sudamérica, no hay un criterio de control o metodología suficientemente acertada para ser extensamente aceptada, la cual describa la calidad de un glómero. Especialmente para monitorear la aglomeración rutinariamente en línea con diferentes contenidos de finos y/o arcillas. Métodos actuales son deficientes ya que no son suficientemente prácticos, cuantitativos o suficientemente objetivos para el monitoreo en línea. El Test del guante es uno de los pocos métodos comúnmente usados. Este consiste en la inspección visual de una muestra de material aglomerado por un operador en forma manual. Pero este es subjetivo, y proporciona una muy limitada indicación de la calidad. Análisis de imágenes digitales se han intentado presentar con poco éxito. A medida, que se han comenzado a experimentar problemas de percolación y extracción en las pilas, debido al tratamiento de minerales que tienen un alto contenido de arcillas y donde predominan las partículas finas y ultrafinas, se ha requerido establecer otros métodos para controlar la calidad del producto aglomerado. Hoy en día para controlar la calidad de los glómeros, se toman muestras de la corriente de salida del tambor para medir los siguientes parámetros: Detalle que muestra las partículas que se entrelazan a medida que el ácido sulfúrico reacciona con sus superficies durante el curado. La aglomeración y curado permite lograr el aumento de la rapidez de extracción de cobre debido a que el ácido concentrado reacciona con el mineral activamente, lo que posibilita disolver gran parte del cobre soluble disponible en el i l Película líquida Partícula Enlace de curado en zona de reacción UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico • Densidad aparente • Contenido de humedad • Forma de glómeros • Granulometría La información generada se compara con los parámetros de calidad, establecidos para la operación, de modo de poder realizar los ajustes necesarios para mantener la calidad de los glómeros dentro de los valores preestablecidos. a. Transporte y apilamiento El objetivo de esta etapa del proceso es trasladar y depositar el material que va a ser lixiviado en la zona de emplazamiento de las pilas a un ritmo compatible con los programas de producción de la Planta. Tanto en el transporte, como en el apilamiento, deben ser mantenidas o mejoradas las características del material que son requeridas para su posterior lixiviación. Este aspecto resulta relevante cuando la calidad física del material es baja. Estas etapas son las que entregan la condición final del material depositado en la pila la que establecerá, en gran medida, la respuesta hidrometalúrgica del proceso. Tanto la etapa de transporte, como de apilamiento, pueden eventualmente ser aprovechadas para consolidar la preparación del material que se requiere lixiviar. Para que la respuesta hidrodinámica de la pila durante la lixiviación sea adecuada, el lecho de mineral en la pila debe cumplir ciertas características: • El tamaño de las partículas/glómeros que lo componen debe ser máximo • La distribución de tamaños de las partículas/(glómeros) que lo componen debe ser uniforme • Debe ser competente y poseer una mínima deformación plástica • Debe ser estable, y sufrir una mínima degradación física y/o erosión durante el riego El agua y el ácido agregados en la operación de curado y aglomerado debe tener una proporción tal que permita: - lograr la máxima sulfatación por unidad de ácido agregado - operar a una concentración final de mezcla de ácido y agua, de modo que la reactividad de la ganga sea menos efectiva sin dejar de inhibir la sílice soluble. TABLA 1.3.: Dimensiones de Tambor Aglomerador a Nivel Industrial UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico EMPRESA N° TAMBORES L x D (m) Acido (Kg/t mineral) Agua(Kg/t mineral) L/D Quebrada Blanca 2 9,0 x 3,0 3 Manto Verde 3 7,8 x 2,6 3 D. Inés de Collahuasi 2 9,4 x 3,1 30 - 35 80 - 90 3 El Abra 3 ---------- -- DISEÑO DE UN TAMBOR AGLOMERADOR El tiempo de residencia del mineral en el tambor viene dado por: t = 1,77x(A) 0,5 x L/[SxNxD] donde: t = tiempo de residencia del mineral en el tambor (minutos) A = ángulo de reposo del mineral (grados) L = longitud del tambor (pie) S= inclinación del tambor (grados) N = velocidad de giro operacional (r.p.m.) D = diámetro del tambor (pie) Es posible determinar la velocidad de giro N si se considera que el resto de las variables, que no se determinan en pruebas metalúrgicas previas, pueden ser especificadas por el diseñador manteniendo los siguientes rangos: Razón Longitud/Diámetro: 2 a 3 (por lo general 3) Inclinación del tambor: 3 a 7 grados De esta forma la ecuación anterior se puede reescribir como: N = 1,77x(A) 0,5 xR/[S x T] en la cual: R = L/D Para lograr una mejor aglomeración del mineral, la velocidad de giro del tambor rotatorio suele estar entre 20 a 60% de la velocidad crítica de rotación, por ello: C r = 1,77 x 100 x N/ y donde: C r = velocidad crítica de rotación (r.p.m) y = porcentaje de giro respecto a la velocidad crítica de rotación De esta forma, recurriendo a la expresión de velocidad crítica se tiene: C r = 42.32/D 0,5 (r.p.m.) Para relacionar el diámetro del tambor con la capacidad del mismo, se recurre a la siguiente información recopilada de distintos proyectos: CAPACIDAD (TPH) DIAMETRO (pies) UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico 12,5 4,00 141,7 6,00 200,0 6,73 291,7 8,00 400,0 9,40 450,0 10,00 600,0 11,52 641,7 12,00 La regresión lineal de estos datos entrega la siguiente ecuación empírica, con una correlación de 0,997: C = -327,84 + 79,24 D C: capacidad del tambor aglomerador (tph) D: diámetro del tambor aglomerador (pies) Desde la incorporación del aglomerado-curado en los procesos hidrometalúrgicos, han aparecido problemas operacionales sujetos a condiciones mineralógicas particulares a cada mineral pero que en lo genérico se asocian a la presencia de finos y ultrafinos (material bajo 75 micras) contractado con la granulometría normal de estos procesos que consideran entre 9,5 y 12,7 mm como tamaños normales de alimentación, con contenidos variables de hierro, sílice y arcilla. Estos elementos alteran la respuesta esperada en la lixiviación bacterial o química, produciendo bajas extracciones de cobre y altos contenidos de sólidos en suspensión en la solución enriquecida, incrementando los costos de operación. La sílice y el hierro forman compuestos del tipo jarositas cuya velocidad de precipitación aumenta con la temperatura y concentración de amonio, disminuyendo con la acidez, siendo ésta última la que presenta una mayor influencia. Estos precipitados impermeabilizan la superficie del mineral valioso, evitando la percolación del lixiviante y generan pérdidas en la extracción de cobre. Cuando el ion férrico alcanza su nivel de saturación, se hidroliza parcialmente y precipita como un sulfato férrico básico del tipo jarositas, la que se representa por la reacción: 6 Fe 3+ + 10 SO 4 2- + 2 M + + 12 H 2 O → Fe 6 (SO 4 ) 4 M 2 (OH) 12 + 6 H 2 SO 4 El ion M puede ser reemplazado por NH 4 + , K + , o H + . La jarosita cubre la superficie de la calcocita no reaccionada y por tanto interfiere con la actividad bioquímica. La hidrólisis del hierro también incluye las reacciones: Fe 2 (SO 4 ) 3 + 2 H 2 O = 2 ( Fe(OH) SO 4 ) + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4 ) 3 + 6 H 2 O = 2 ( Fe(OH) 3 ) + 3 H 2 SO 4 La concentración de férrico total remanente en solución es una función de la constante de solubilidad de los hidróxidos, de la actividad del ion hidrógeno y de la concentración del ion sulfato. El hierro total debe mantenerse en concentraciones menores a 5 gpl, para no producir precipitaciones masivas de hidróxidos por alteraciones de pH. Por otro lado, la presencia de arcillas dificulta la permeabilidad del aglomerado y la estabilidad física de la pila, lo que se traduce en inundaciones y derrumbes durante la operación de lixiviación en pila. En las Figuras 1.1, 1.2 y 1.3 se observan fotografías con equipos de aglomeración y construcción de pilas de lixiviación. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Figura 1.1. Plano de un tambor aglomerador y partes de fijación 1.2.2.3. Lixiviación de Menas El material con o sin curado, se transporta a la pila para que sea regado secuencialmente hasta con tres tipos de líquidos, para disolver su cobre: a) Solución Intermedia: Durante los primeros días del ciclo de tratamiento, la mena es regada con soluciones provenientes del riego de menas semi agotadas, que ya han permanecido en la pila por algún tiempo y cuyas soluciones efluentes son de baja concentración de cobre. La concentración de ácido de estas soluciones es eventualmente reforzada, si se requiere aumentar su capacidad de recuperar cobre, desde el mineral fresco recién depositado en la pila. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico b) Solución refino : En la segunda etapa del tratamiento de los minerales apilados, cuando una parte importante del cobre ya ha sido removido por la solución intermedia, el mineral se riega con solución retornante desde la planta de extracción por solventes (SX), conocida como refino. En esta etapa de tratamiento, esta solución refino puede: - aumentar su concentración de ácido, antes de lixiviar minerales consumidores, por adición de más ácido de fresco, o bien, - disminuir su concentración de ácido, antes de lixiviar minerales poco consumidores de ácido, por recirculación a la pila, de la misma solución intermedia que este riego genera. c) Agua de lavado: Ocasionalmente y dependiendo de la presencia de impurezas en el mineral y en las soluciones, el mineral ya lixiviado de las pilas (colas o ripio), puede ser lavado con agua, luego que el período de tratamiento - previamente determinado en estos ensayos y controlado durante el proceso - se ha completado y la recuperación objetivo del cobre se ha logrado. El propósito del lavado, es recuperar los últimos valores de contenidos de cobre y ácido retenidos en la humedad de impregnación de los ripios e introducir el agua de reposición para recuperar las pérdidas ocasionadas por la evaporación y por la impregnación de los ripios que salen conceptualmente del sistema. La solución efluente del lavado es considerada como intermedia, y va a ese estanque de procesos. Si el contenido de impurezas del mineral o de las soluciones es alto, se prefiere obviar este lavado, de manera que la propia impregnación de los ripios se transforme en una purga de iones - a cambio de una leve pérdida de cobre y ácido que también impregnan los ripios - mientras el agua de reposición se agrega directamente al refino o a la solución intermedia, en sus respectivos estanques. d) Disposición final de ripios: Después que el agua de lavado ha estrujado del ripio, ese material se remueve a su almacenamiento final - si se usa pilas renovables - o simplemente se abandona, si se ha usado una configuración de pilas permanentes, que es lo usual. e) Lixiviación secundaria de menas: Siendo el período de lixiviación, o ciclo, el resultado de una decisión técnica y económica combinada, el ripio es a veces removido con algún contenido atractivo de cobre, cuya recuperación no es conveniente de efectuar en la pila primaria principal. En este caso el ripio no es lavado, sino transportado a una pila permanente previamente preparada, donde es tratada con soluciones - normalmente refino - por un período adicional. Las soluciones efluentes de ese tratamiento secundario, son normalmente consideradas como solución intermedia N°1, y son redosificadas en ácido y regadas al sector más agotado de la pila primaria, para convertirlas en una solución intermedia N°2 que, luego de su tercera irrigación a minerales frescos, será la solución rica final del sistema de lixiviación. 1.2.2.4. Objetivos de las Pruebas El objetivo central de las pruebas consiste en determinar la ruta, que bajo un criterio económico, resulte más eficiente para el tratamiento metalúrgico. Obtendrán los parámetros básicos de operación y toda la información que incida en los resultados económicos del proyecto, con el máximo de precisión posible a esta escala. En relación con el proceso de lixiviación brevemente descrito, los objetivos y alcances de cada prueba incluyen: 1.2.2.4.1. Caracterización mineralógica UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Se efectúan las determinaciones para definir las especies de ganga y de mineral presentes y las asociaciones entre las especies de minerales y de la ganga, tanto independientemente entre sí, como entre ambos. La evaluación determina las tendencias esperables del tratamiento y permite descartar pruebas no aplicables: - Se evalua la consistencia de la roca y las especies que la afectan - Se clasifican los tipos de minerales presentes, sobre la base de criterios útiles desde los puntos de vista geológicos (composición), mineros (planes de extracción) y metalúrgicos (tratamientos). - Se profundiza el reconocimiento y tipificación de especies que pueden perturbar el proceso, tales como arcillas, que pueden afectar la permeabilidad y tipos específicos de ganga, que aportan: finos, coloides, impurezas o consumo de ácido. - La evaluación puede complementarse con barridos de fluorescencia, para detectar la presencia de elementos que luego se reconocerán en la caracterización química. - El análisis por secciones delgadas se incluye sólo en caso que se requiera, a la luz de los resultados que se obtengan, dado su carácter eventual. 1.2.2.4.2. Pruebas de chancado Los resultados, evaluados con criterio económico y en combinación con los de otras pruebas, determinan los tamaños máximos de tratamiento, y por lo tanto de mínima inversión y costo de operación, que no afecten una alta recuperación del metal en un tiempo razonablemente corto. La prueba muestra la distribución granulométrica de trabajo esperable al tamaño determinado para la lixiviación, la que estará orientada a generar un mínimo de finos, según lo factible de obtener en un circuíto de chancado industrial, para evitar problemas de percolación del lecho, en los casos en que estos constituyen un problema. Como combinación de los diversos factores, define el circuito de chancado recomendable para el tratamiento de los minerales: - comprenden el análisis granulométrico de la muestra recibida a tamaño natural - incluye las determinaciones del work index del mineral - proporciona las curvas de distribución granulométrica, a varios tamaños de chancado máximo, para las pruebas de tratamiento - los resultados permiten apreciar las formas de fracturas - definen el límite inferior del tamaño de chancado, en base al contenido de finos generado en cada tamaño máximo de chancado ensayado - combinado con análisis químico, proporciona los contenidos de cobre total y soluble por cada fracción granulométrica. Las primeras etapas de conminución se realizan para facilitar el manejo del material proveniente de la mina y luego, en sucesivas etapas de chancado y molienda, para separar el mineral de la ganga. El chancado se realiza con material seco, y el mecanismo de reducción de tamaño es la compresión o impacto. Debido a que estas son etapas que consumen grandes cantidades de energía, la filosofía en la aplicación de cada etapa, es moler lo mínimo necesario. TABLA 1.4: Rangos de tamaño de aplicación de cada etapa de conminución UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Etapa Sub-etapa Rango tamaño (cm) Consumo Energía (KWH/T) Equipos Trituración Primaria Secundaria Terciaria 100 - 10 10 - 1 1 - 0,5 0,35 0,3 - 3 t. mandíbula y giratoría t. cono estándar t. cono cabeza corta Molienda Primaria Secundaria Terciaria 1-0,1 0,1-10 -4 10 -4 -10 -5 3 - 6 10 10 -30 Molino de barras Molino de bolas Molino de bolas t. : trituradora Normalmente, los circuítos de conminución van acompañados de las correspondientes etapas de clasificación para evitar la excesiva producción de finos y aumentar la capacidad del equipo. Se puede usar circuíto abierto o cerrado según sea el destino del producto de chancado (abierto, si la descarga es la alimentación a molino de barras y cerrado si va a molino de bolas). 1.2.2.4.3. Caracterización Física Los ensayos aprecian las dosificaciones de líquido para “aglomeración-curado”, la tasa de riego aplicable y la geometría de los taludes en el apilamiento. Más especificamente: - Determinan los pesos específicos absolutos y aparentes, y los ángulos de reposo, tanto del mineral seco como del aglomerado-curado, para definir las geometrías del apilamiento. - Evalúa las humedades: natural (del mineral extraído), de impregnación (del mineral chancado), y dinámicas (a varias tasas de riego), del mineral chancado a varias granulometrías máximas, tanto curado/aglomerado como sin ese tratamiento, para definir las dosificaciones de líquido total en el curado/aglomerado. - Define los consumos de agua por impregnación de ripios y permite el cálculo de los volúmenes transcientes, que a su vez, conducen a definir las capacidades y tamaños de los estanques de solución intermedia, rica y de emergencia del proceso. - Define las tasas de riego que conducen a la inundación del lecho, a las granulometrías seleccionadas, a objeto de orientar la selección de las tasas de riego. - Estudia las propiedades percolantes del mineral (sin tratamiento y también con curado/aglomerado), a varios tamaños de chancado. - Combinando los resultados de estas pruebas con los de columnas, indicadas más adelante, se definen las alturas de apilamiento, razones de riego y configuración del circuíto de soluciones de riego. De esta forma, se proporciona el control de la calidad de la soluciones ricas, en términos de su concentración de cobre y de ácido libre en los niveles requeridos por la planta SX. 1.2.2.4.4. Caracterización química Esta serie de caracterizaciones de especies incluye el análisis de las leyes de cabeza total y por fracción granulométrica, la definición de los contenidos de óxidos y de súlfuros y la determinación de las impurezas presentes. Los resultados obtenidos, orientan las pruebas de comportamiento metalúrgico. Mediante la analítica apoyan la ejecución de esas pruebas con determinaciones, para obtener, por ejemplo: composiciones de ripios, evaluaciones de los efectos de aglomerado/curado y otras. 1.2.2.4.5. Pruebas estándar de consumo de ácido y recuperaciones UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Comprende pruebas de recuperación de cobre y consumos de ácido del mineral, con y sin curado previo, para comparar el efecto de ese proceso sobre su comportamiento metalúrgico. Se efectúan: - Pruebas de consumo estándar: por lixiviación agitada de una pequeña porción del mineral, molido a 100% bajo 10#, en contacto con abundante solución 1N de ácido sulfúrico. En esta condición, define la máxima recuperación de cobre posible y el cónsumo máximo bruto de ácido, como referencias de comparación, con otras pruebas que siguen más adelante. - Prueba de lixiviación a pH=2 o ISO-pH: básicamente similar a la prueba estándar, pero iniciada con sólo una fracción del consumo de ácido de la prueba estándar, y redosificando el ácido hasta estabilizarlo en ese valor, por al menos dos horas. Si la ganga es razonablemente poco consumidora, esta prueba define con aproximación las recuperaciones y consumos esperables en la lixiviación industrial, aplicada al mineral de la muestra, y se puede transformar en una prueba rápida de comprobación de resultados o tendencias. Este dato permite determinar las dosificaciones de ácido sulfúrico que se ocuparán en la operación de aglomerado/curado. La prueba de consumo máximo de ácido de sulfúrico se realiza con 500 gr de mineral 100% -10# y 1,5 L de agua, los que se colocan en un bidón bien cerrado y se agita sobre un equipo de rodillo ( o bien, en un vaso de precipitado con agitador mecánico) por un período de 48 horas o hasta obtener pH constante. En primer lugar, se agita la pulpa durante 2 horas, en éste instante se mide el pH para determinar su pH natural, y se agrega ácido sulfúrico concentrado para ajustar el pH al valor requerido. El paso de ajuste de pH se realiza a intervalos de 2 horas durante el período de duración de la prueba, o hasta que se repita tres veces el pH requerido sin tener que agregar ácido. Al término de la prueba se mide el volumen de ácido sulfúrico adicionado y la solución se deja decantar. Luego, la solución se analiza por acidez libre residual, cobre total, hierro total, pH, cloruro y manganeso. A los ripios se les extrae la solución restante y se lavan durante 15 minutos con agua en el agitador de rodillo. Luego estos ripios se filtran y secan a 104 °C, los que finalmente se analizan por: cobre total, hierro total, cobre soluble, cloruro y manganeso. Con estos datos se puede determinar el consumo de ácido, ya sea en Kg/ton o Kg/Kg, además conocer las extracciones ideales que se pueden obtener con el mineral estudiado. Dósis de ácido (Kg/ton) = [Volumen de ácido] x [densidad del ácido]/ [peso de la muestra] Dósis de agua (Kg/ton) = [Volumen de agua] x [densidad del agua]/[peso de la muestra] H + libre (Kg/ton, curado)= [H + libre] x (Vol. agua + Vol. H + + Vol. lavado)/[peso de la muestra] H + libre(Kg/ton, en ISO-pH)= [H + libre] x (Vol. agua + Vol. H + )/[peso de la muestra] Consumo total de ácido (Kg/ton)= acido agregado - ácido libre Consumo neto de ácido (Kg/ton) = Consumo total - 1,54 x Cu fino agregado Extracción (%) = Volumen de lavado x Concentración de cobre x 100/(Cu fino en cabeza) 1.2.2.4.6. Determinación de la dósis óptima de curado UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico En base a los resultados de consumo de ácido estándar, se estudian las curvas de dosificación de ácido al curado a varias granulometrías máximas de chancado. Se evalúa para cada granulometría la recuperación obtenida, luego del curado con diferentes dosificaciones de ácido, a objeto de determinar las proporciones óptimas de cada caso. Se analizan además, las recuperaciones por fracción granulométrica, sólo para las muestras de las pruebas a varios tamaños máximos y tratadas con la dosificación óptima. Los resultados orientan la definición de los tamaños de chancado máximos, a partir de las cuales se nota un deterioro de las recuperaciones. - Se determinan las dosificaciones de ácido en curado/aglomerado, que producen una recuperación máxima e inmediata del cobre, sin excesos de ácido residual, que afecten la concentración de la solución rica, desde el primer momento del riego. - En la caracterización química de las muestras tratadas, se reevalúan las recuperaciones y consumos de ácido estándar y a pH constante. Se definen las dosificaciones óptimas y se evalúan las recuperaciones por fracción granulométrica, para afinar las granulometrías máximas y las tasas de riego de tratamiento. - Una vez afinadas las condiciones del curado, se repite la caracterización física, para determinar el comportamiento del mineral luego del tratamiento. 1.2.2.4.7. Pruebas de lixiviación en columnas unitarias Con los resultados de las pruebas anteriores se diseñan las pruebas de lixiviación en columnas unitarias, adoptando el tamaño del chancado, la distribución granulométrica, las dosificaciones de agua y de ácido para el curado/aglomerado y las tasas de riego determinadas en ellas. El diámetro de las columnas es concordante con la necesidad de evitar “efectos de pared” a las granulometrías del ensayo. Las concentraciones de ácido del riego se ajustan continuamente, para obtener los efluentes con acidez en el orden de 2 gpl, compatibles con los procesos SX. Las soluciones efluentes se procesan por SX para retornar al riego de la columna los refinos, redosificados en ácido si es necesario, cerrando el circuíto de soluciones y permitiendo evaluar el efecto de la acumulación de impurezas. La información permitirá principalmente definir las curvas de cinética de la recuperación (por sólidos y soluciones), del consumo de ácido y el comportamiento en el tiempo de la concentración del cobre en efluentes. En las pruebas se determinará la relación entre el costo diario del consumo del ácido y la extracción diaria del cobre, para determinar la extensión del ciclo de tratamiento, modelada a varios precios del ácido sulfúrico y del cobre. Un análisis de los resultados de esta prueba permitirá: - Redefinir la “dosificación recomendable” de ácido en curado, en sustitución de la “dosificación óptima”, si el consumo de ácido del mineral así lo requiere. - El comportamiento físico del material y su relación con el comportamiento hidraúlico, evaluando la disgregabilidad y compactación durante el período de lixiviación, y cualquier otro aspecto que sea considerado relevante para el diseño de la planta o para su operación. - Estudiar las recuperaciones por fracción granulométrica del mineral, que permiten confirmar las decisiones sobre el tamaño de chancado. - Clarificar el efecto de las razones de riego sobre la cinética y las concentraciones de cobre, ácido e impurezas en los efluentes. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Evaluar las tasas de disolución de impurezas, respecto del cobre y determinar otros factores relevantes para la lixiviación industrial. Los resultados de la prueba, proporcionan una buena aproximación de las recuperaciones y consumos de ácido esperables en la lixiviación industrial y proporcionan la información para definir la probable configuración del circuíto de soluciones, que logre manipular el comportamiento de la lixiviación, para obtener la solución rica ajustada a los requerimientos de la planta SX. Las pruebas de columnas unitarias permiten estudiar la variabilidad del comportamiento del yacimiento y diseñar las pruebas siguientes, de columnas dinámicas. 1.2.2.4.8. Pruebas de lixiviación en columnas dinámicas Con los resultados de la prueba de columnas unitarias, se diseña un circuíto completo de lixiviación química o bacterial con varias columnas unitarias, que se integran en secuencia y a intervalos fijos, hasta configurar un sistema en régimen, con columnas con mineral fresco entrando y columnas con ripio agotado saliendo del sistema, mientras las soluciones ricas cierran el circuíto con planta de SX, para recircular refinos, eventualmente redosificados en ácido. Se ajustan las dosificaciones de ácido, en la forma deducida de las pruebas anteriores, para que el conjunto genere una solución rica, de alta concentración de cobre y de acidez ajustada a los requerimientos de una planta SX, aunque ello implique el uso de una solución intermedia que se recircule al circuíto. La prueba define una metodología de operación de la lixiviación y representa el circuíto industrial a proponer. Define las recuperaciones de cobre, los consumos de ácido, las duraciones del ciclo y las correspondientes curvas que lo representan, finalmente esperables en la práctica. Estas pruebas establecen definitivamente las concentraciones de ácido en riego, los consumos esperables y costos marginales diarios que aconsejan la duración del ciclo; definen las curvas corregidas de cinética de recuperación y de concentraciones de efluentes, para las alturas de apilamiento y tasas de riego usadas. - Se evalúa la recuperación total del cobre bajo las mismas condiciones establecidas, y su progreso versus tiempo - Se analizan las características de las soluciones obtenidas durante la lixiviación, en términos de contenidos de cobre, ácido libre e impurezas, bajo las mismas condiciones. - El progreso del consumo de ácido versus tiempo y recuperación; los valores se analizan económicamente para introducir este criterio, en la determinación del ciclo de tratamiento. - Se verifican los períodos de tratamiento calculados para el eventual riego con agua de lavado y los correspondientes al riego con soluciones intermedias, y la reposición de ácido entre etapas, y su efecto en el comportamiento calculado originalmente para el sistema Según el análisis de los resultados obtenidos, puede recomendarse la repetición de las pruebas, en condiciones diferentes, hasta lograr el óptimo buscado. 1.2.2.4.9. Pruebas de Verificación Dependiendo de la disponibilidad de medios para efectuarla, se realizan pruebas en columnas anchas, o en cajas de lixiviación (gaviones), o en pilas piloto, a la mayor escala posible y a la altura deducida de los ensayos. De esta forma, se confirman las recuperaciones en lixiviación, cinéticas y consumos de ácido, de alta sensibilidad para el resultado económico. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Con estas pruebas, se busca dominar el proceso y afianzar los antecedentes que sustentan el proyecto; así, se repiten las pruebas “dinámicas” a esta escala representativa, principalmente con el mineral representativo, e integrando otros tipos según conveniencia. Se enfrentan los problemas técnicos particulares del proyecto, se afinan las medidas a adoptar y se generan los criterios del diseño e ingeniería, con atención a su incidencia económica. Se estudia el comportamiento del material bajo las condiciones de reciclo de líquidos, y en las condiciones ambientales existentes en la ubicación de la planta (variaciones de temperatura día- noche, presión atmosférica, estacionalidades) En estas condiciones de ensayos de lixiviación, resulta justificable disponer de instalaciones completas de SX-EW, que además de generar los refinos para los ensayos, permita estudiar adicionalmente el comportamiento de los distintos reactivos, el comportamiento de las impurezas acumuladas, el ensayo de materiales, y en general, el ensayo de todas las condiciones de las diferentes etapas del proceso combinado. 1.3. PRUEBAS EXPLORATORIAS 1.3.1. Representatividad de muestras para ensayos El problema fundamental, asociadas con las pruebas de comportamiento metalúrgico, es la seguridad y posibilidad de escalamiento de estos resultados e información, y ello sólo es posible si las muestras son suficientemente representativas del yacimiento. La recolección de buenos resultados o información química o metalúrgica, que sólo dependen de la acuciosidad y meticulosidad de las pruebas y su análisis, no es en realidad el problema, aunque así se considere frecuentemente. La representatividad de las muestras, sólo puede ser certificada por el cliente y está habitualmente fuera del alcance de los trabajos del laboratorio de pruebas metalúrgicas. Este es un punto realmente remarcable, que se reitere en todos los informes. El muestreo para análisis es muy importante en todas las etapas de la industria minera: en la evaluación de un depósito de mineral, en el desarrollo de procesos de tratamiento, en el control de plantas de procesamiento, en la compra o venta de menas y concentrados, etc. Un muestreo exacto de sistemas particulados como minerales no es nunca posible, pero un mejor muestreo permite reducir el error al mínimo. Todo error de muestreo es causado por alguna forma de heterogeneidad, la cual aparece en dos formas diferentes: a) Heterogeneidad de composición; que se debe al hecho que los fragmentos del material a muestrear no tienen todos la misma composición. Esta heterogeneidad no es afectada por el mezclado, pero si por la reducción de tamaño. b)Heterogeneidad de distribución; que se debe al hecho que los fragmentos de la masa de material que se desea muestrear no están distribuidos al azar, sino que tienen cierto grado de segregación debido a sus características de forma, densidad y tamaño. El mezclado que se realiza generalmente en la industria previo al muestreo tiene por objeto lograr una distribución al azar de los fragmentos de material. Las técnicas de muestreo más empleadas son: UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Grab Sampling: consiste en tomar pequeñas cantidades de material a ciertos intervalos o posiciones de la masa de material a muestrear. Las fracciones es mezclan a continuación y forman la base para la muestra final. Este es el menos exacto de los métodos comunes de muestreo, pero es el más rápido y barato. Se puede aplicar a cualquier cantidad de material. - Cono y Cuarteo: este es un método muy antiguo, aplicable a cantidades menores de 50 toneladas. Consiste en hacer una pila con el mineral, vaciando cada palada en el apex del cono formado. Debido a la simetría radial se supone que al aplastar el cono y dividirlo en cuatro se obtendrán cuatro muestras de igual composición. Dos esquinas opuestas se toman como la nueva muestra y las otras dos partes se descartan. La porción escogida como la nueva muestra puede dividirse de nuevo, continuándose este proceso hasta obtener una muestra del tamaño requerido. - cortador de riffles: es un divisor de muestras constituído por un número par de canales o chutes divisores montados en ángulo recto al eje del equipo. Los canales descargan en forma alternada en dos bandejas laterales. La muestra se vierte sobre los canales y es separada en dos porciones. El proceso se repite hasta obtener el tamaño de muestra requerido. - muestreador automático: este dispositivo tiene un mecanismo rotatorio que distribuye la muestra en 4 canales que descargan en 4 depósitos colectores. 1.3.2. Análisis mineralógico El análisis mineralógico de las muestras originales, es extremadamente útil, especialmente cuando los datos acerca del comportamiento metalúrgico del mineral son escazos. La información debe ser registrada normalmente como sigue: - análisis de fluorescencia, para determinar cualitativamente la presencia de los elementos importantes, bajo algún concepto, para el tratamiento del mineral - análisis químico, de la muestra de “cabeza” para el contenido de cobre soluble y total, consumos de ácido, contenidos de los elementos importantes para el tratamiento, con definición de las especies químicas en que se presentan - análisis mineralógico, para reconocer y contar las especies minerales y de la ganga, y definir sus asociaciones, con microfotografías de las más representativas. Las evaluaciones mineralógicas corresponden a un análisis especializado, que normalmente se encarga a fuentes externas. 1.3.3. Pruebas de chancado En todos los casos, el mineral presenta una distribución específica de tamaño de partículas, que dependen del método de extracción, o del circuito y máquinas de chancado usado para su tratamiento, según el grado de avance de su proceso de beneficio. Es importante disponer de esta información y considerar la distribución , ya sea para definir el circuito de chancado del mineral sólo extraído, o par definir los equipos para el manejo de los minerales (correas, chancadores, aglomeradores, cargadores, etc.), para disponerlo en pilas, para la lixiviación. De acuerdo con el alcance del análisis, se definirán los aspectos a considerar, para la determinación experimental: - Análisis Granulométrico del mineral “run of mine” UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico El mineral vendrá de la explotación minera con una banda específica de distribución de tamaño; ésta puede ser pre-establecida, pero es más conveniente medirla y registrarla, a partir del tamaño máximo de acuerdo con el esqiuema siguiente: • 100% bajo el tamaño superior • 3 a 4 rangos representativos de tamaño según criterio • Tamaño de chancado al que se estima preliminarmente que se intentará la lixiviación • Dos rangos menores de tamaños representativos, según criterio - Pruebas de chancado y granulometrías resultantes Si el material recibido es típicamente ROM, se sugiere efectuar un chancado piloto, para evitar la generación de fracturas secundarias, ocasionadas simplemente por chancado manual, y también, una distribución granulométrica que no represente ni el porcentaje de finos, ni la densidad aparente del mineral. Se definirá un circuíto típico de chancado de laboratorio (primario, secundario y terciario, dependiendo de la situación), tan cercano como sea posible a la realidad, en términos de los objetivos del diseño de la planta. Se definirán los ajustes de los equipos del circuito de laboratorio, en base a varios tamaños máximos de chancado, y se estudiarán las distribuciones granulométricas, obtenidas en cada caso. Si lo que se evalúa es el circuito de chancado, deben recolectarse muestras de todas las etapas del chancado - efectuadas en circuito abierto - , para informar los porcentajes de al menos 6 granulometrías principales, además del tamaño mayor. Para la determinación de las distribuciones granulométricas, la cantidad de muestra será de al menos un 5% del material chancado,con un mínimo de 2 Kg cada una. Al proceder al chancado piloto, deben considerarse cantidades adicionales de muestra, para efectuar las pruebas de aglomerado-curado, con varios tamaños máximos de chancado y sus correspondientes distribuciones granulométricas. Las pruebas, incluyen las mediciones del “Indice de Trabajo” y otras características físicas, tales como el peso específico absoluto y la humedad natural de la roca. Los resultados de las pruebas, permiten apreciar las formas de fracturas y definen el límite inferior del tamaño de chancado, en base a la evaluación del contenido de finos, generados al chancar a cada tamaño máximo de ensayo. Por análisis químico debe efectuarse la determinación de los contenidos de cobre total y soluble por cada fracción granulométrica, obtenida a los diferentes tamaños máximos, de ajuste del chancado. - Análisis del tamaño granular Si se quiere investigar en un material su tamaño granular, entonces se elimina toda fase de trituración después de la división. Primero se debe tamizar y separar todo grano que sea demasiado grande para otra reducción, antes de poder reducir, aún más, el resto. En lugar de trituración se procede entonces a la pesada de cada escalón de reducción. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico ¿Cómo se realiza un análisis del tamaño granular? Un análisis del tamaño granular se puede componer de: un análisis de tamizado, un análisis visual, un análisis de sedimentación y un análisis microscópico; dependiendo de hasta qué magnitudes de tamaño se quiere investigar o analizar. Los alcances de trabajo de los métodos analíticos se aplican aproximadamente como sigue (los valores entre parentésis se emplean muy poco): - análisis por tamizado: hasta 63 micras (20 micras) - análisis por ultrasonido: de 5 micras hasta 60 (100 micras) - impactador de cascada de precisión: de 0,3 hasta 30 micras - análisis de sedimentación en campo de gravitación: de 1 hasta 60 (100) micras - microscopio óptico: de 0,5(0,2) micras hasta 1,0 mm - microscopio electrónico: de 0,005 hasta 1 micra ¿Se debe tamizar en seco o en húmedo? Primero se debe precisar que normalmente se tamiza en seco. Sin embargo, muchas veces causan problemas las fuerzas de adhesión entre partículas debido entre otros, a fenómenos como: cargas electroestáticas (p.e. polvos de materiales sintéticos), efectos de capilaridad (por la presencia de humedad en la muestra) y capas de adsorción formadas por gases y vapores (p.e. vapor de agua en el aire). Todas las dificultades de separación a causa de efectos de adhesión se eliminan efectuando la fase del tamizado en húmedo. El líquido no debe reaccionar químicamente con las partículas. Los tamices se deben mover de arriba a abajo y viceversa en el líquido (el verdadero tamizado en húmedo) o los granos finos pueden hacerse pasar por medio de un chorro de líquido o de un aspersor, por las luces del tamiz (tamices de lodo). ¿Cuánto debe ser el material a tamizar? La cantidad de carga depende de las luces de los tamices, la densidad del material a tamizar y el diámetro del tamiz: Se pueden tomar como regla: 1. Sobre los tamices más finos: aprox. 20 a 60 g y sobre los tamices más bastos: 60 a 150 g de cantidad de muestra en caso de materiales con una densidad de aproximadamente 2 g/cm 3 y con un diámetro de tamiz de aprox. 200 mm. 2. Si con el tamizado de muestras se quiere a la vez determinar los porcentajes, entonces es mejor cargar el material a tamizar en cantidades de 100 g. ¿Qué tiempo debe durar el proceso de tamizado? El tiempo de tamizado depende de la cantidad de material. Normalmente se logra después de 3 a 10 minutos, una separación neta del material. Según las propiedades del material y las exigencias de precisión , el tiempo de tamizado puede durar hasta 30 minutos y más. Como punto final del tamizado se considera aquel en que por cada minuto de duración de tamizado menos que el 0,1% del peso de la cantidad cargada pasa por el tamiz. Por medio de una determinación correcta del proceso de tamizado se evita la abrasión y las destrucciones de los granos. Una condición previa para el tamizado en húmedo es que las substancias a tamizar no se modifiquen en los líquidos (agua u otros): disolución, hinchamiento, etc. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Para el tamizado en húmedo se necesitan tamices si es posible de acero inoxidable con anillos de sellado (juntas), una tapa con cabeza aspersora y un fondo de recogida con desagüe. 1.3.4. Caracterización física Los ensayos de caracterización física se aplican al mineral, al mineral curado-aglomerado y a los ripios (algunas pruebas). Se entrega a continuación, una breve descripción de las determinaciones físicas normales y de los procedimientos aplicables normalmente: a) Peso específico absoluto El peso específico es la relación entre el peso y el volumen respectivo. Generalmente se determina sólo para el mineral, usando el método del picnómetro. Se expresa en gramos por centímetro cúbico. En el caso de menas de taqueos, desmontes, material de placeres, etc. el peso específico se determina utilizando un medio turril cuyo volumen (V) se calcula midiendo el diámetro (d) y la altura (h) : V = π h d 2 /4 . Una vez conocido el volumen (V) se llena el medio turril con la mena indicada, se pesa y se anota el peso bruto (PB). Se repite esta operación varias veces para obtener su promedio. Si el peso del medio turril vacío es T, el peso específico de la mena se calcula con la siguiente fórmula: Peso específico = (PB - T)/V. b) Peso específico aparente Generalmente, se determina para el mineral, para el mineral curado-aglomerado y para los ripios. ∆ Se calcula a partir de la medición del volumen, de un peso conocido de mineral (por ejemplo un 1 Kg de muestra), sin permitir segregación de tamaños, ni compresión de la muestra. ∆ Para determinaciones en material ROM, con partículas mayores, se cuida que el peso de la muestra y el contenedor de medición, sean proporcionales al mayor tamaño de partículas. c) Angulos de reposo Generalmente se determina par el mineral y para el mineral curado-aglomerado. Sólo se determina en los ripios, en caso que se remuevan desde la pila y exista lixiviación secundaria. • Se determinan por descarga del material sobre una superficie lisa, a través de embudo o cono perforado. • Se mide el ángulo de reposo formado respecto de la horizontal, o se le calcula a partir de la altura y diámetro del cono formado. d) Humedad natural Es la acntidad de agua que contiene la mena cuando es removido de la mina o yacimiento: se expresa como porcentaje de peso total, incluida la humedad. Se usa un método gravimétrico, pesando la muestra con humedad natural, secándola hasta peso constante en un horno a 105 °C y pesando la muestra seca. % Humedad Natural = ( ) PesoHumedo PesoSeco x PesodelmineralNaturalEnsayado − 100 e) Humedad de impregnación La humedad de impregnación se define como la cantidad de agua absorbida al exponer el material al agua, por varias horas, hasta que todas las partículas están mojadas en profundidad. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Generalmente, se determina para el mineral y para el mineral curado/aglomerado. Sólo se mide en los ripios secos a la atmósfera, en caso que se desee usarlos para absorber el descarte de soluciones de lixiviación. Para minerales frescos, se usa un método gravimétrico, pesando una muestra con humedad natural, y sumergiéndola en agua por más de cinco horas. Para mineral aglomerado (con cantidad conocida de líquidos) y ripios: - La muestra, pesada exactamente y evitando segregación de tamaño, se introduce en una columna transparente o traslúcida de unos 500 mm de altura, con una tela inerte filtrante en el fondo y otra tela inerte para distribuir gotas en la superficie. - Desde un tambor equipado con una válvula adecuada, por ejemplo una pinza Hoffman o una llave de PVC, se permite gotear agua a una tasa de unos 5 - 10 (L/h/m 2 ), cuidando que no ocurra inundación del lecho. - Permitir que las gotas aparezcan por el fondo por al menos unas 5 horas, para asegurarse que el material ha absorbido agua suficiente. - Suspender el goteo y esperar hasta que no aparezcan nuevas gotas drenando por el fondo. En todos los casos (minaral, aglomerado o ripio), escurra el exceso de agua, por ejemplo, en un filtro. La muestra finalmente se pesa con su humedad de impregnación. % Humedad Impregnación = ( Im ) Peso pregnado Pesonatural x PesoMineralNaturalEnsayado − 100 f) Humedades de percolación y dinámica y tasa de inundación La humedad de percolación del mineral, se define como la cantidad de agua retenida en equilibrio, por el mineral sometido a riego, referida al peso del material natural usado en el ensayo. La humedad dinámica se define como la diferencia entre la humedad actual y la humedad de percolación del material. Generalmente, las dos humedades se determinan en una sóla prueba, que se aplica tanto al mineral sólamente chancado a la granulometría de tratamiento o ensayo, como para el mineral aglomerado-curado. Estas humedades sólo se determinan en los ripios, en caso que se remuevan desde la pila y exista una lixiviación secundaria. - La prueba se efectua en una columna transparente o traslúcida de unos 500 mm de altura. Esta debe tener una tela inerte filtrante en el fondo y otra tela inerte, para distribuir gotas en la superficie. - Se llena la columna con una cantidad de mineral, pesada exactamente, evitando segregación de tamaños de partículas. - Desde un tambor equipado con una válvula adecuada (por ejemplo una pinza Hoffman), permita gotear agua a una tasa de riego definida, expresada en (L/h/m 2 ). - Permita que las gotas aparezcan por el fondo, por al menos unas dos horas. Mida con una probeta y verifique que se ha alcanzado el estado estacionario, es decir, la tasa de riego y la de percolación (tasa de recuperación de líquido en el depósito recolector) se igualan dentro de un margen aceptable de (+/-) 1,5 L/h/m 2 . UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Suspender el goteo, cambiar el tacho de recolección de líquido y esperar hasta que no aparezcan nuevas gotas drenando por el fondo. Finalmente mida el volumen del líquido percolado, desde el instante de la detención del riego. - Repita el procedimiento anterior para varias tasas de riego, cada vez en aumento. - Estar atento a muestras de inundación de la columna, sean estas visuales (se observa acumulación de líquido en zonas intermedias a través de la pared) o detectadas por pulsaciones, en las lecturas de las tasas de percolación. La humedad de percolación depende de las condiciones que afectan la percolabilidad del material. Es propia de cada granulometría, es modificada por el curado/aglomerado previo de la muestra, y varía con la tasa de riego, por lo que debe calcularse para cada valor de ésta. Esta humedad se expresa como porcentaje del peso de material natural (incluyendo la humedad natural). % Humedad Percolación= ( arg ) VolumenDrenadoDesdeDetencionRiego PesoMaterialNaturalC ado x PesoMineralNaturalEnsayado + 100 Por su parte, la humedad dinámica representa la cantidad de agua que drenará de la pila en caso de falla del riego, ocasionando un aumento del inventario de soluciones en los estanques. Se expresa como un porcentaje del peso del material natural cargado en la columna o pila. %Humedad dinámica = Humedad de Percolación - Humedad Actual de Saturación En cualquier condición, se alcanzará un grado límite de saturación del lecho, al aumentar la tasa de riego. Esta representa la máxima tasa de riego aplicable, o tasa de inundación, en esas condiciones. Debe evitarse intentar sobrepasar esta tasa, ya que producirá napas freáticas, desprendimiento de finos e inundaciones internas, con efectos muy negativos en la operación y performance general de la pila. g) Humedad dinámica y tasa de inundación efectiva Es conveniente que las pruebas de humedad dinámica y de tasas de inundación, hasta ahora efectuadas con agua, sean repetidas una vez que se haya avanzado en el reconocimiento del comportamiento metalúrgico, en la etapa de columnas dinámicas que se indican más adelante. En la realidad industrial, las condiciones de operación son diferentes, por ejemplo: i) se recirculan soluciones, cuya viscosidad y densidad se torna diferente de las del agua de los ensayos, por efecto de su carga iónica. ii) el mineral se degrada y cambia su distribución granulométrica, bajo el efecto del ataque ácido y de la compresión del mineral apilado más arriba, produciéndose compactación y pérdida de altura. iii) se producen fallas en los sistemas de riego, de manejo de minerales y otros, que afectan la posición de los finos en la masa, pudiendo promover canalizaciones y capas freáticas. iv) se traspasan soluciones al ripio agotado, de capas inferiores ya abandonadas, desde las capas superiores, aún en lixiviación activa. Así, las condiciones actuales del ensayo repetido, deben considerar todas las variables incidentes en el proceso: tamaño del material, tasa de riego, propiedades físico-químicas del líquido y (aunque en algunos casos sólo se afecte levemente) el grado de avance del mineral en el ciclo de lixiviación, principalmente si la tasa de riego es elevada, o si el mineral es degradado en el proceso. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico 1.3.5. Caracterización Química Mediante analítica tradicional e instrumental, se determinan las leyes de cabeza total, los contenidos de óxido y de súlfuros y la presencia de otros iones en el mineral, por ejemplo: hierro, cloruros, manganeso, aluminio y magnesio. Se analiza el cobre total y el soluble, para las 5 o 6 fracciones granulométricas estudiadas antes. Se decide la conveniencia de efectuar barridos por fluorescencia, para detectar otros elementos y compuestos, que convenga analizar con detalles. Se efectúan: Pruebas de consumo estándar: Por lixiviación agitada de mineral molido a 100% bajo 10#, en contacto con solución 1 N de ácido sulfúrico y por un período máximo de 72 horas. Se analizarán muestras de solución tomadas a las 2, 4, 8, 16, 24, 48 y 72 horas, ajustando los niveles de acidez libre, según los resultados de cada determinación. Las pruebas se prolongarán o acortarán, según se observe la tendencia al consumo o a la recuperación. Las muestras se solución se analizan por ácido y por cobre, con lo que se podrá definir el consumo máximo bruto de ácido, a causa de su abundancia para lixiviar tanto al mineral como a la ganga, en Kg H 2 SO 4 /TM de mineral, y el consumo específico en Kg H 2 SO 4 /Kg de cobre extraído, y se obtendrá la referencia de la recuperación de cobre máxima posible, para comparación con otras pruebas que siguen más adelante. Pruebas de lixiviación a pH=2:Básicamente similar a la prueba estándar, pero iniciada con sólo una fracción del consumo de ácido de esa prueba estándar, y redosificando el ácido cuando la solución sobrepase el pH=2, para detener la lixiviación luego que el pH se haya estabilizado en ese valor, por al menos 2 horas. Si la ganga es razonablemente consumidora, esta prueba definirá con aproximación las recuperaciones y consumos esperables en la práctica en la lixiviación en pilas industrial, aplicada al mineral de la muestra y se transforma en una prueba rápida, para comprobación de resultados. Aparentemente, las cifras de recuperación y consumo de ácido de esta prueba, serán las mismas sin importar si el mineral fue curado o no; no obstante, considerando que el curado oxidará parte de los súlfuros presentes en la muestra, es conveniente ensayar ambos casos, para determinar si el curado/aglomerado produce algún efecto, que se deba estudiar con más detalles. 1.3.6. Pruebas de Curado-Aglomerado Según las características del mineral, puede requerirse o no del tratamiento de aglomerado/curado. En general, el aglomerado/curado: a) puede evitarse: ⇒ Para algunos minerales oxidados, que son de lixiviación rápida, presentan bajo consumo de ácido y producen poco fino en el chancado. ⇒ Para minerales porosos chancados a tamaños elevados (en el orden de 2 ½” o superior), poco degradables y con pocos finos, que serán lixiviados en ciclos largos. Para estos tipos de minerales, será difícil esperar problemas en la lixiviación, de modo que pueden procesarse sin este pretratamiento, y es aconsejable economizar la inversión en un sistema de aglomerado/curado. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Siempre es aconsejable efectuar una prueba de columna unitaria con mineral sin tratamiento, aunque sólo sea para efectos de blanco de comparación. b) es recomendable: ⇒ Si los resultados de la evaluación granulométrica, indican la presencia de más de un 8% de finos bajo la malla 65, al tamaño de chancado seleccionado para el tratamiento. Debe interpretarse, que hay una alta probabilidad que se requerirá de la aglomeración previa de los finos, para mejorar la permeabilidad del lecho. ⇒ En la lixiviación de mixtos, cuya recuperación de sulfuros secundarios, se favorecerá por las temperaturas y condiciones oxidantes del curado. ⇒ Para la lixiviación de crisocolas y minerales en matriz de sílice, para las cuales el proceso evitará la formación de coloídes y mejorará la porosidad de la roca. Para estudiar el proceso de aglomerado/curado se usan los resultados de las pruebas de humedad de impregnación y de consumo estándar de ácido. Se efectúa el ensayo con muestras de mineral chancado a varias granulometrías máximas, cada una de las cuales se dividen en varias porciones, a las que se aplican diferentes proporciones de ácido, en un ensayo conocido como test de sulfatación. TEST DE SULFATACION 1. Pese al menos cuatro muestras de unos 2 Kg de mineral chancado a cada uno de sus tamaños máximos de ensayo; verifique que sus humedades de impregnación, contenidos de cobre por fracción granulométrica (4 a 6 puntos) y consumo máximo de ácido sean conocidos. 2. Calcule el volumen de líquido necesario para completar el 80%, del necesario para que el mineral alcance la humedad de impregnación. Esto es, se usará menos líquido que el posible de absorber por el mineral. 3. Prepare para cada muestra, una porción de agua y una separada de ácido sulfúrico concentrada (en el orden del 98%), bajo las siguientes condiciones: - Las cantidades de ácido destinadas para cada muestra corresponderán respectivamente al : 20, 30, 50 y 75% del consumo máximo de ácido, determinado para el mineral. El volumen de cada porción será medido, o calculado. - Los volúmenes de agua para cada muestra, se calculan por diferencia entre el 80% del líquido necesario, para alcanzar la humedad de impregnación y el volumen de ácido de cada test. 4. Cada muestra se colocará sobre una lámina impermeable, de plástico flexible y se extenderá para permitir una buena superficie de exposición. 5. Adopte las medidas de precaución usuales al manejar ácido sulfúrico y tenga cuidado que el agua moje el mineral antes que el ácido. 6. El material será humedecido, agregando sucesivamente a la superficie expuesta, pequeñas porciones del agua y del ácido (en ese orden), desde los envases respectivos para la muestra. Seguidamente el mineral se rolea varias veces, para lograr homogenizar la mezcla. 7. Repita el paso anterior hasta consumir la totalidad de los líquidos. Durante el roleo, se formarán pellets de mineral por adhesión de los finos a la superficie de las partículas mayores. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico 8. Pese la masa total y permita el reposo del mineral aglomerado/curado, por al menos unas 2 horas. 9. Pese una porción de cada una de las muestras tratadas (la llamaremos “porción A”, y la de reserva “porción B”); viertala en un balde de 10 L aproximadamente y agrege 1,5 veces de volumen de agua, en proporción al peso. 10. Lixivie la muestra por agitación durante al menos media hora; filtre, lave el sólido con 0,5 veces de volumen en proporción al peso. Acumule las aguas de lavado, y analice las soluciones por cobre y ácido libre. 11. Grafique los resultados de la concentración de ácido libre y de cobre recuperado ( o de concentración de cobre en la solución) versus el porcentaje de ácido, respecto del máximo, usado en el curado. Observaciones: a) En caso de estimarlo necesario, por jemplo por un comportamiento anómalo de las curvas de recuperación, o por colores inusuales en las soluciones de lavado, efectue el análisis de las impurezas en la solución de lavado de los sólidos. b) Considere la repetición de las pruebas, variando la dosificación en un rango más estrecho, en las cercanías de los puntos de inflexión, o en los puntos en que las curvas presenten anomalías. En general, notará que a partir de un cierto % de ácido, ya no hay ganancia significativa en la recuperación de cobre, y que simultáneamente aumenta la cantidad de ácido libre en la solución de lavado; ello indica que a partir de esa dosificación de ácido ya no hay un efecto de curado de importancia, y no tiene sentido agregar mayor cantidad de ácido, para este proceso. Normalmente, se denomina dosificación óptima de curado a esta proporción. 12. Se recurre a la porción B, sólo de las muestras correspondientes a la dosificación óptima de curado, de las diversas muestras con diferentes tamaños máximos de chancado. Las porciones deben ser cuidadosamente pesadas. 13. Cada muestra se separa en sus fracciones granulométricas, cada una es cuidadosamente pesada y molida por separado. 14. Lixivie cada muestra de cada fracción granulométrica por agitación, durante al menos media hora; filtre, lave el sólido con 0,5 veces de volumen en proporción al peso. Acumule las aguas de lavado y analice las soluciones por cobre y ácido libre. 15. Es recomendable analizar por separado los sólidos de cada fracción, por cobre total, para cerrar los balances metalúrgicos. 16. Para cada muestra, grafique los resultados de la recuperación de cobre versus el tamaño de las partículas lixiviadas. Esta prueba, si bien no refleja totalmente el efecto del tamaño de chancado en las recuperaciones (ello requiere que se complete el ciclo de lixiviación de las muestras a los diversos tamaños), orienta la definición de los tamaños de chancado máximos, observando el tamaño de partícula, a partir del cual se nota un deterioro de las recuperaciones. Esta orientación es normalmente tanto más precisa, cuanto menos consumidor de ácido sea el mineral. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Finalmente es conveniente repetir las siguientes pruebas, con muestras del mineral aglomerado/curado, a los tamaños del ensayo: - la prueba de consumo de ácido a pH=2 (constante), para comparar estos resultados, con los obtenidos con el mineral sin tratamiento, y visualizar los efectos finales del proceso de curado, sobre la recuperación metalúrgica del mineral. - Las humedades dinámicas y tasas de inundación, para comparar las tasas de riego, apicables luego del proceso. - Las densidades aparentes y los ángulos de reposo, del mineral aglomerado/curado. 1.3.6. Pruebas de Lixiviación en Columnas Unitarias La cantidad de pruebas a ejecutar depende de la cantidad de muestra disponible. Ella determina la cantidad de pruebas posibles y la magnitud de las mismas. Deseablemente, se procurará contar con cantidad suficiente para la ejecución de tres columnas para cada tamaño de chancado, dos con mineral aglomerado y una testigo con mineral sin tratamiento. Como criterio general, es más adecuado sacrificar la altura de ejecución de la prueba, que la cantidad de las mismas. El tamaño del chancado, determina el diámetro de las columnas, influyendo en la cantidad necesaria para lograr una altura determinada. Si la muestra es aún insuficiente, puede decidirse la suspensión de una de las columnas de mineral curado (si existe la duda sobre la aplicabilidad de este proceso), o la del mineral sin curar, si se está seguro de la necesidad de este proceso. 1.3.7. Preparativos de Pruebas de Lixiviación en Columnas ⇒ Se eligirán tres tamaños máximos, en las cercanías del valor deducido estimativamente, con la “porción B” de las pruebas de aglomerado/curado, y se chancarán unos 300 Kg de muestra, a cada uno de esos tamaños. ⇒ Cada producto del chancado se muestreará, para determinar: - Distribución granulométrica - Cobre total y oxidado por fracción granulométrica - Consumo de ácido estándar - Humedad natural y de impregnación ⇒ Dos de las muestras serán aglomerado/curado a las dosificaciones óptimas, utilizando las proporciones determinadas en las pruebas correspondientes. ⇒ La tercera muestra se dejará sin curar y servirá como patrón de comparación del proceso de aglomerado/curado. ⇒ Se muestrearán tanto el mineral aglomerado/curado, como el sin tratamiento para determinar: - Angulos de reposo - Pesos específicos aparentes (base mineral seco) - Humedades dinámicas de equilibrio, a varias tasas de riego - Tasas de inundación del lecho ⇒ Las muestras se separan en dos columnas de mineral aglomerado/curado y una sin tratamiento. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico ⇒ Las columnas tendrán un diámetro, al menos 4 veces superior al tamaño máximo de partícula, y deseablemente del orden de 2 m de altura. ⇒ Se pesará cuidadosamente (y se expresará en base seca), el mineral alimentado a cada columna. ⇒ Las columnas se cargarán sin producir segregación de tamaños, inclinando la columna y cargando el material sobre las paredes mediante algún dispositivo apropiado o cuchara, y levantando la columna a la vertical, de forma que el material se deslice por las paredes hasta el fondo. El procedimiento se repetirá hasta llenar la columna con el material. ⇒ Se dispondrá la instalación para el riego y recolección de soluciones. ⇒ Se debe disponer de un sistema batch de extracción por solventes, para tratar las soluciones ricas y obtener los refinos, que se recircularán al riego. ⇒ El sistema de las pruebas de lixiviación se ilustra en la Figura XX. 1.3.8. Pruebas de Columnas Dinámicas Esta es una prueba de larga duración y permite determinar adecuadamente todos los aspectos y parámetros relativos a la lixiviación. Nuevamente la cantidad de pruebas depende de las disponibilidades de muestras de mineral y de columnas de la altura necesaria para efectuar las pruebas. A partir de los antecedentes de las pruebas de columnas unitarias, se elijen los tamaños máximos de chancado de las muestras. Se calculan las alturas de las pilas para operar en el circuito de manejo de soluciones y obtener soluciones en las condiciones más próximas a las deseadas para alimentar la planta de SX, a las tasas de riego adoptadas. El período de intercalación depende de la disponibilidad de columnas. Para determinarlo, divida el ciclo de tratamiento esperado por la cantidad de columnas disponibles, menos una, que quedará disponible para los recambios. Elija los parámetros considerando los grados de libertad del problema, la interacción entre variables y su importancia económica en los costos de tratamiento e inversiones de la planta. Prepare el circuito de lixiviación en columnas, como el indicado en la Figura 1.4., para simular la condición industrial deseada. Aunque se ilustra un circuito de lixiviación en contracorriente en dos etapas, y con una columna recirculando, seleccione el circuito de acuerdo con sus necesidades. 1.3.8.1. Operación de las Pruebas de Columnas Dinámicas • Se repetirá el chancado inicial del total de cada tipo de muestra, al tamaño máximo seleccionado por los resultados de las pruebas de columnas unitarias. • Se repetirán con fines de verificación, las determinaciones de: - Los consumos de ácido y recuperación - Las propiedades físicas - La distribución granulométrica - El contenido de cobre total y soluble, por fracción granulométrica UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico • El mineral se lixiviará sin tratamiento, o aglomerado/curado, dependiendo de los resultados de la prueba de columna unitaria. En caso de usar aglomerado/curado, se adoptará la dosificación recomendable, en sustitución de la dosificación óptima, usada hasta ahora. • Para el riego, se usará inicialmente un refino artificial, hasta disponer de refinos reales de la planta de extracción por solventes. • Las soluciones cerrarán circuíto con SX, para generar refinos recirculantes. • La dosificación del ácido se aplicará sólo a la solución intermedia. Estará orientada a obtener una solución rica de la concentración de cobre y ácido deseada, para tratamiento por SX. • Las columnas se integrarán al circuíto, con la periodicidad que se calculo antes, según la disponibilidad de columnas. • Las columnas tendrán el diámetro requerido por la granulometría de chancado. Tendrán la altura calculada a partir de los resultados de las pruebas unitarias, o se instalarán columnas en serie para simularla. • Se determinarán: Cu, Fe, H + , Cl - , pH y pEV, para cada columna. • Las determinaciones se harán para cada columna: - diariamente durante los 5 primeros días - día por medio, durante los 10 días siguientes - cada 3 días, durante los días siguientes • Una vez establecido el régimen de operación, se evaluarán diariamente, los contenidos de Cu, Fe, H + , Cl - y pH, en el compósito total de soluciones ricas y en el refino. • Se evaluarán diariamente, los contenidos de Cu y H + , en el compósito de solución intermedia. • La prueba se prolongará al menos, por la duración del ciclo de la primera columna, más el tiempo requerido para intercalar al menos dos columnas según la secuencia. • Si se intentará en la instalación industrial un apilamiento del tipo permanente a varios niveles, se intercalarán columnas con ripios en el circuito, para simular el efecto de su impregnación con soluciones más ricas. • En los ripios de cada columna que se retire del circuito, se determinará: - cobre total - granulometrías - recuperaciones por fracción - propiedades físicas • Se calcularán por cada columna en operación, en los períodos de medición: - el balance de las soluciones y se detectan instantes de inundaciones internas y de ruptura de capas freáticas. - los balances de cobre y de ácido en riego y efluentes - las recuperaciones diarias y acumuladas de cobre, por soluciones - las concentraciones ponderadas de cobre y de ácido en los efluentes - los consumos de ácido diario, relativo al cobre y al mineral, tanto en sus valores diarios, como en los acumulados. - las razones de riego - los balances de las impurezas UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico • Con los antecedentes de los ripios de cada columna, se calculan: - recuperaciones de cobre, en base a sólidos - recuperaciones de cobre, en base a cabezas recalculadas - recuperaciones de cobre por fracciones granulométricas - degradación del mineral Observaciones: a) La discrepancia entre los valores extremos de las recuperaciones, a partir de las soluciones, del balance de sólidos y por cabeza recalculada no debe ser mayor que 10%, para indicar que la información del ensayo fue adecuadamente obtenida y es aceptable para evaluación posterior. b) Si los resultados de recuperación metalúrgica a partir de las soluciones, resultan superiores a los calculados a partir del balance de sólidos, la prueba indica posibles errores de muestreo o de determinación de la ley de cabeza de la muestra. Debe considerarse la repetición de la prueba, si la discrepancia es superior al 5%. • Se trazan para cada columna, las curvas resultantes, al menos de: - recuperación de cobre versus tiempo - concentración de cobre en solución versus tiempo - consumo de ácido en solución versus tiempo 1.3.8.2. Conclusiones de Pruebas de Lixiviación en Columnas Dinámicas La evaluación de los consumos de ácido de estas pruebas permiten redefinir su balance, para comprobar la eleiminación del exceso, producto de la devolución del compuesto por la planta SX, y corregir la dosificación recomendable de las columnas que se integren a continuación a la prueba. La observación de las concentraciones de cobre promedio en efluentes, de cada columna y del conjunto de columnas, en los períodos de régimen estacionario y a las recuperaciones obtenidas, permite corregir y ajustar: - la definición del circuito de administración de soluciones - la definición de las alturas de apilamiento - las metodologías operacionales que proporcionan el control de la calidad de soluciones ricas, en términos de su concentración de cobre y de ácido libre, en los niveles requeridos por la planta SX. En esta prueba, se podrá solicitar el chancado de parte de la muestra a tamaños adicionales, o combinar columnas con otros tipos de minerales del yacimiento, para incorporar otras variables al sistema y desarrollar las metodologías de control. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico DISEÑO DE PILA Y SISTEMAS UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico DE RIEGO 3.1. DISEÑO DE PILA Geométricamente la pila tiene la forma de una pirámide truncada de base rectangular, de manera que su volumen geométrico está dado por: ) * * * * * ( * 3 b a B A b a B A H V g + + = donde A, B, a, b corresponden a las aristas del prisma que muestra en la figura siguiente: Corona base Talud a B A Corte 1-1’ UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Los elementos que conforman la pila son la corona, base y cuatro taludes. Haciendo un corte transversal en 1-1’, se tiene: El talud forma con la horizontal un ángulo de θº, que corresponde al ángulo de reposo del material, cuya determinación experimental se indicó previamente. Notemos a partir de su geometría que: B b X = + ⋅ 2 , es decir: 2 b B X − = Aplicando la función trigonométrica tangente, tenemos que: b B H tg − ⋅ = 2 θ , o bien b B H tg − ⋅ = − 2 1 θ Para determinar el flujo de riego a partir de la tasa de riego, se debe conocer el área de riego. Para estos fines, normalmente se utiliza el área media de riego (A m ), que se determina a partir del cálculo de las medianas de la pirámide truncada, como se indica en la figura siguiente: b B b H θ X m M UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Por congruencia de triángulos rectángulos se tiene: 1 1 2 X H b B H = − Pero H 1 = H/2 (por la definición de la mediana), entones: 4 1 b B X − = Entonces las dimensiones de las medianas son: 2 2 b B b B b + = − + y 2 2 a A a A a + = − + Luego, el área media de riego (A m ) será: 4 ) ( ) ( 2 2 b B a A b B a A A m + ⋅ + = | . | \ | + ⋅ | . | \ | + = 3.2. RIEGO DE PILAS DE LIXIVIACION 3.1. Introducción Normalmente las pilas se distribuyen en módulos de riego, cada una de las cuales se compone de un cierto número de peines. El sistema de riego está formado por un conjunto de cañerías que permiten distribuir uniformemente el flujo, conformando una malla rectangular (por ejemplo, de 70 a 80 m 3 /h) con una presión promedio de entrada por módulo de 220 kPa. Analicemos el siguiente caso: la Figura muestra la distribución de riego en un peine, con 120 a 125 líneas (16 mm de diámetro), 60 a 66 goteros en cada una, y espaciados cada 0.6 m. En total un modulo consta de 23.760 goteros, con un caudal nominal de 4 L/h cada uno. Sin embargo, la tasa de riego es de aproximadamente 9.6 L/h m 2 , lo que indica que el caudal real promedio por gotero es de 3.6 L/h. El sistema de riego en talud está formado por 9 a14 líneas de riego, dependiendo de la altura de la pila, con 60 a 66 goteros en cada una. Si se emplean goteros Twin Drops cuyo caudal nominal es de 2 L/h, aportará una tasa de riego de 6.6 L/h m 2 . 3.2. Riego por goteo H 1 X 1 b UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico El riego se define como la aplicación óptima y uniforme de solución lixiviante a un lecho de mineral, con la finalidad de lograr la máxima extracción de cobre en un mínimo de tiempo. El riego depende de las características hidrodinámicas del material que se quiere lixiviar. Se recomienda el riego por goteo en situaciones en que se requiere asegurar la uniformidad y la aplicación de bajas tasas de riego (inferiores a 50 L/h m 2 ). El correcto funcionamiento de un gotero depende de una serie de factores: vortex, flujo laminar, helicoidales, pulsos, autocompensados, etc., lo que da lugar a una diversidad de productos comerciales. El riego por goteo, engloba algunos de los riegos localizados de alta frecuencia. La Tabla muestra la clasificación de los riegos localizados , utilizando un criterio de separación por caudal por emisor o por metro lineal del mismo. Tabla 3.1. Clasificación de riegos localizados Alto caudal: 16-150 L/h Microaspersión Difusión RIEGOS LOCALIZADOS Bajo caudal: < 16 L/h Goteo Los riegos localizados de alto caudal, pulverizan el agua que se distribuye superficialmente a través del aire. Suelen trabajar a presiones superiores a 90 kPa. Microaspersores: cuando los emisores llevan algún elemento giratorio que distribuye el agua, accionado por la propia presión de esta. Son verdaderos aspersores en miniatura. Difusión: cuando los emisores llevan una tobera no giratoria que pulveriza y distribuye el agua de riego. La diferencia entre microaspersión y difusión no es relevante para efectos hidráulicos. Las ventajas de utilizar el riego por goteo son: - disminución de la compactación de la superficie y su degradación - disminución de la tasa de evaporación - reducción de las pérdidas térmicas 3.3. Emisores Los emisores son los elementos más importantes del riego localizado, y los más delicados. La dificultad de su diseño constructivo reside en lo siguiente: deben proporcionar un caudal bajo, de manera que los diámetros de las tuberías sean reducidas; las grandes longitudes de tuberías utilizadas en planta, requieren muchas veces un ligero incremento en su diámetro, lo que podría encarecer significativamente la operación. La presión de operación de los emisores no debe ser muy baja, para minimizar el efecto que pueda provocar sobre la uniformidad de riego la presencia de desniveles del terreno y las pérdidas de carga a lo largo de la tubería. Ambas condiciones, caudal bajo y presión UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico alta, conducen desde un punto de vista hidráulico hacia emisores con un pequeño paso de agua, situación que puede llevar a serias obstrucciones (en general, el diámetro del emisor debe ser el máximo posible de manera de evitar este último problema). Los emisores trabajan a una presión próxima a los 98 kPa, aunque los de alto caudal pueden hacerlo a 196 kPa. Los caudales varían entre 2 y 16 L/h, con las mismas excepciones que para la presión: los de alto caudal pueden llegar a 150 L/h. 3.3.1. Características de un emisor Junto con las comprobaciones en relación al diámetro de los ductos de cada emisor y aspectos generales de este mismo, se debe tener presente: - la curva o fórmula de caudal-presión - el coeficiente de variación de fabricación Se deben elegir al azar un mínimo de 25 emisores y aplicarles una presión nominal, midiendo sus caudales, los que se ordenan de menor a mayor. A partir de los 25 caudales se calcula el CV y se seleccionan los emisores que ocupan los lugares 3, 12, 13 y 23, los cuales se someten a presiones inferiores y superiores a la nominal. Se obtiene así una serie de pares de puntos (Q, P), que permiten construir la curva o bien usar la relación: Q = k P x . La mayoría de los emisores constan de una única salida, pero existen algunos modelos con varios puntos de emisión (dos a cuatro). Para estos emisores multisalida se debe conocer la separación entre las distintas salidas y verificar si la solución fluye correctamente después de la pérdida de presión . En este sentido se suelen presentar dos casos: - Cada salida del gotero (goteros de largo conducto y orificio), lleva un mecanismo de pérdida de presión, de manera que reproduce varios emisores en una misma carcaza, - El mecanismo de pérdida de presión es común para todas las salidas, sólo después que la energía se haya disipado, el agua se divide entre las distintas salidad. Existen en el mercado, algunos emisores a los que se les ha dado el nombre comercial de autolimpiantes, por disponer de un mecanismo para eliminar partículas que queden obstruidas. Consiste en algún elemento elástico que bajo la acción de la presión del agua se deforma dejando salir la partícula. Otros emisores se pueden desmontar para su limpieza o bien disponen de algún mecanismo de limpieza móvil, acción que permite desobstruir el gotero. Es recomendable elegir emisores sencillos, sin piezas móviles o flexibles y la limpieza se debe confiar a otros elementos dentro de la instalación. No obstante, los emisores desmontables han producido buenos resultados puesto que solucionan el problema de obstrucción sin tener que arrancar el gotero de la tubería, condición que podría llevar a la deformación del agujero de la conexión. El emisor se conecta a la tubería de dos formas: UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico a) Conexión interlínea: el emisor termina en una pieza de diente de tiburón que se introduce en el gotero. Varios fabricantes construyen tuberías de polietileno con goteros embutidos a intervalos de 0.30 a 1.00 metros. Bajo pedido, con un mayor costo, los goteros pueden ubicarse a la distancia requerida por la operación planta. Las conexiones son de una longitud de 0.23 m de tubería por cada emisor. b) Conexiones sobrelínea: los emisores llevan un conector, que se introduce en una perforación realizada en el gotero con un sacabocado. Las conexiones producen una pérdida de carga en los goteros, adicionales a las provocadas por rozamiento en la tubería, que suele ser más significativa conforme es menor el intervalo entre emisores. Las conexiones se pueden sustituir por la longitud equivalente de tubería para efectos del cálculo de pérdida de carga. 3.4. Uniformidad de riego Los distintos emisores de una misma marca y modelo no son exactamente iguales entre sí, debido a los sistemas de fabricación en serie y a los materiales empleados. En consecuencia, incluso para una misma presión resultan caudales diferentes, lo que afecta la uniformidad del riego. Para caracterizar la uniformidad de un grupo de emisores, se ha establecido el coeficiente de variación, CV, parámetro sujeto a la aprobación de la Norma ISO para definir la calidad de un gotero. Para estos efectos se han definido dos categorías de emisores: - Categoría A: Emisores con un CV < 0.05, vale decir, con una desviación de 5% con respecto al caudal nominal, - Categoría B: Emisores con 0.05 < CV < 0.10 Al adquirir comercialmente un emisor deben observarse las siguientes atributos: - Nombre del fabricante o su marca registrada, o símbolo de identificación en conformidad con el catálogo del producto, - Caudal Nominal (L/h), - La letra A o B conforme a su categoría - Si es necesario, flecha indicando la dirección de flujo Además, el fabricante debe poner a disposición del cliente la siguiente información: - Número de catálogo del emisor - El texto “Uniformidad categorías A y B”, según corresponda y el valor del coeficiente de variación de fabricación, - Tipo de tubería recomendada para el tipo de emisor adquirido - Sistema de conexión del emisor a la tubería - Dimensión mínima de paso de solución del emisor - Caudal nominal - Presión nominal - Intervalo de presiones de funcionamiento - Curva Caudal-presión - Ecuación del emisor UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Instrucciones para la conexión del emisor a la tubería - Prevención de obstrucciones - Necesidades de filtrado de la solución pasante - Caudal nominal en proceso de lavado 3.5. Coeficiente de Uniformidad de riego (CU) La uniformidad de riego es una magnitud que caracteriza a todo sistema de riego y que además interviene en su diseño, e influye en las necesidades hidráulicas, ya que en función de ella se definen los límites entre los que se permite que varíen los caudales de los emisores. La uniformidad de riego en la minería, se basa principalmente en una máxima exposición de las partículas de mineral a la acción de la solución lixiviante. La solución debe ser uniformemente distribuida sobre la superficie de la pila. La más popular medida de uniformidad de riego, es el coeficiente de uniformidad de Christiansen, ampliamente utilizado en el riego por aspersión. No obstante se define un nuevo coeficiente de uniformidad dado por: CU = Q 50% Q a Q 50% = caudal medio del 50% de los goteros con menor caudal Q a = caudal medio de todos los emisores La elección del CU, depende de un criterio económico en el que se debe compensar el costo en relación al mayor consumo de solución de riego y una mayor inversión inicial en la instalación. Tabla 3.2. Valores recomendables para el Coeficiente de Uniformidad (CU) Coeficiente de Uniformidad Emisores Pendiente (i) Clima árido Clima húmedo Espaciados más de 4 m • Uniforme (i< 2%) •Uniforme (i> 2%) u ondulada 0.90 – 0.95 0.85 – 0.90 0.80 – 0.85 0.75 – 0.80 Espaciados menos de 2.5 m • Uniforme (i< 2%) •Uniforme (i> 2%) u ondulada 0.85 – 0.90 0.80 – 0.90 0.75 – 0.80 0.70 – 0.80 3.6. Incidencia del factor constructivo en la uniformidad de riego Los procesos de fabricación de los emisores y los materiales empleados, hacen que los emisores de un mismo modelo no sean iguales entre sí, proporcionando caudales diferentes, incluso a la misma presión de trabajo. La dispersión producida bajo estas UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico condiciones, entre los diferentes valores de caudal se puede cuantificar mediante la desviación típica. La desviación típica se define como la raíz cuadrada de la media aritmética de los cuadrados de las desviaciones respecto a la media: σ = ∑ ( Q i – Q a ) n Q a = ∑ Q i n Sin embargo, para expresarlo de una forma relativa, se utiliza la dispersión relativa, definida por el coeficiente de variación del fabricante: CV = σ Q a σ = desviación estándar Q i = caudal del emisor (L/h) Q a = caudal medio de todos los emisores (L/h) n = número de emisores El coeficiente de variación es prácticamente independiente de la presión de prueba, dentro del rango de trabajo normal del emisor. En conformidad con lo discutido previamente, la normativa ISO establece para la determinación de estos índices un mínimo de 25 emisores, midiendo el caudal que arrojan a la presión nominal. 3.7. Incidencia del factor hidráulico Los distintos emisores de una instalación están sometidos a presiones diferentes, debido a las pérdidas de carga y a los desniveles. Independientemente, de las diferencias de caudal ocasionadas por los factores constructivos en una instalación de riego, los caudales no son los mismos en todos los emisores, debido a las diferentes presiones a que están sometidos, los que a su vez dependen de los desniveles topográficos y de las pérdidas de carga en la red de riego. La baja uniformidad puede ser ocasionada por los siguientes aspectos: - Causa hidráulica: son todas las que afectan a la presión de funcionamiento de los emisores y que pueden ser producto de un diseño inadecuado. Falta de reguladores de presión o desajuste de los mismos. - Baja uniformidad de los emisores, causada por obstrucciones o un inadecuado CV. Tabla 3.3. Aspectos necesarios para mejorar la uniformidad de riego NECESIDADES INSTALACIONES AFECTADAS (%) Instalación de reguladores de presión 5 Ajuste de los reguladores existentes 21 UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Modificación de tuberías por diseño incorrecto 2 Limpieza de filtros 39 Instalación de nuevos filtros 7 Mejoras técnicas de filtros existentes 18 3.8. Instalación y control de las líneas de riego Los goteros se instalan por peine a medida que avanza la carga de la pila, los que permanecen en operación durante el ciclo de lixiviación (tres a cuatro meses para óxidos y hasta un año para sulfuros de baja ley). La frecuencia de mantención de las líneas de riego no es una operación con una periodicidad definida y está sujeta a la inspección visual por parte del operador respecto a la función de la obstrucción del riego. Por lo general, la mantención consiste en sacudir cuidadosamente las líneas para producir un desprendimiento de las sales que precipitan y se acumulan en ellos (sobre y al interior de goteros y aspersores). Revisión de posibles desacoples en conexiones, cambio de goteros o líneas rotas, ajuste de collarines o niples a la matriz y retiro del orgánico acumulado al final de las líneas de riego (evacuación hacia tambores). Se recomienda un lavado de las líneas de riego, al término del período de riego, cuando se observa una masiva obstrucción en los goteros o bien se registra una reducción creciente de la capacidad de riego de la pila. El lavado consiste en el retiro de las líneas problema y posterior lavado con agua a presión o caliente, para instalarlas nuevamente. Esta operación suele durar 2 días por peine. La vida útil de un gotero está en torno a 3 o 4 ciclos de lixiviación. 3.9. Envejecimiento y obstrucciones El riesgo de obstrucción de un emisor, depende del diámetro mínimo de paso y de la velocidad del fluido. Los diámetros son menores en los emisores de bajo caudal, respecto a los de mayor caudal. Normalmente varía entre 0.3 y 1 mm. En los emisores de alto caudal, como los microaspersores y difusores, los diámetros pueden llegar a medir 2 mm, disminuyendo la posibilidad de obstrucción. El porcentaje de obstrucción se puede cuantificar de la siguiente manera: % Obstrucción = N * 100 n n = número de emisores N = número de líneas de riego Tabla 3.4. Sensibilidad de la obstrucción según diámetro de gotero UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Diámetro mínimo (mm) Sensibilidad a la obstrucción ≤ 0.7 ALTA 0.7 – 1.5 MEDIA > 1.5 BAJA A mayor velocidad, menor es el riesgo de sedimentación, razón por la cual se prefiere un régimen turbulento. Sobre 4.5 m/s disminuye notablemente el riesgo de obstrucciones por sedimentación. Mientras más tortuoso sea el recorrido del fluido al interior del emisor, mayor será la probabilidad de ocurrencia de obstrucción. Cambios bruscos de trayectorias son también fuertemente propensos a la formación de depósitos. 3.10. Diferencias de temperatura La mayoría de las instalaciones de riego, se ubican en terrenos expuestos a la radiación solar, lo que origina que el fluido se vaya calentando, situación que alcanza su mayor intensidad en los últimos tramos de la tubería, donde la velocidad del fluido es mucho menor. Se han medido diferencias de temperatura a lo largo de una tubería de del orden de 20 ºC. Las variaciones de temperatura tienen los siguientes efectos: - algunos materiales que componen el emisor, experimentan un envejecimiento acelerado debido a las diferencias de temperatura a la que están sometidos entre día y noche. Los elastómeros de los goteros autocompensantes se ven particularmente afectados por esta situación. - El aumento de la temperatura, disminuye la viscosidad cinemática del agua y aumenta el número de Reynolds, en consecuencia disminuye el factor de la fórmula de Darcy- Weisbach, y aumenta el caudal, - Una alta sensibilidad en goteros helicoidales de largo conducto, con x= 0.66 y 0.86 - Baja sensibilidad en goteros de laberinto de régimen turbulento (x= 0.49 y 0.53) - Sensibilidad negativa para goteros tipo vortex, es decir, el caudal es menor cuando la temperatura aumenta. - La variación de temperatura es un hecho negativo, ya que varía el caudal y baja la uniformidad de riego. 3.11. Sistemas utilizados en las líneas de riego para aumentar la uniformidad a) Thermofilm: geomembrana usada para la estabilización del UV, a base de aminas que le confieren una tonalidad blanca. Posee una excelente termicidad de un 86% debido a su formulación que contiene LDPE y aportes de un 5 a 8% de silicatos de aluminio y magnesio.Esta combinación produce una barera térmica a la radiación infrarroja de gran longitud de onda. Algunas características de este producto son: - espesor de 140 micras - 3 metros de ancho - en condiciones de radiación de 145 Kcal/cm 2 año, se garantiza una duración de 24 meses, - resistencia al rasgado 9N, según ASTM D-1922 - tracción en el punto de rotura 20 mPa - 82% de termicidad según UNE 5332 UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico En general el uso de esta geomembrana térmica , permite disminuir las pérdidas de calor por radiación y disminuir las pérdidas de calor por evaporación . El thermofilm se instala sobre las líneas de los goteros, evitando la precipitación o deposito de sales externas, provocadas por cambios térmicos por diferencia de temperatura entre el día y la noche. 3.12. Clasificación de emisores Existen diversas clasificaciones de acuerdo a las características hidráulicas de los emisores, riesgos de obstrucción y forma de inserción en los laterales. Tabla 3.5.Clasificación y tipos de emisores • Goteros - de largo conducto - de orificio - vortex - autocompensante - microtubo - helicoidales - de laberinto Emisores de bajo caudal o goteros Q< 16 L/h • Mangueras • Cintas de exudación Emisores de alto caudal, Q> 16 L/h - Microaspersores - Microtubos de alto caudal - Difusores Tabla 3.6. Características de los goteros Tipo gotero Caudal (L/h) Diámetro (mm) Régimen Sensibilidad a la T y obstrucción Relación de Caudal (Q) Coeficiente de descarga Exponente de descarga x Microtubo 1-16 0.6-2 Laminar Alta D 4 1.15 *10 6 ν l K= d 4 1.15*10 6 ν l 1 Helicoidal 1-16 12-16 Laminar- turbulento Media-baja KP x K = Q/P x 0.65 – 0.75 Laberinto 2-16 12-20 Turbulento Baja KP x K = Q/P x 0.5 Orificio --- --- Turbulento --- 3.6 a C*(2gp) 0.5 --- 0.5 Vortex 2-8 12-20 Laminar- turbulento Alta 15.9 a C*P x C= 0.3 – 0.4 0.4 autocompensa nte 2-16 12-20 turbulento Baja KP x --- 0 a) microtubo: pertenece a los de largo conducto, entre los que se distinguen el microtubo helicoidal y de laberinto. Es el gotero más antiguo de todos los existentes comercialmente. Consiste en un tubo de polietileno de pequeño diámetro entre 0.6 y 2 mm y de longitud variable. b) Goteros helicoidales: es una modificación del microtubo, en que prácticamente un microtubo se enrolla alrededor de un cilindro, consiguiendo goteros más compactos. Se UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico fabrican generalmente de polipropileno. La trayectoria del fluido es helicoidal, lo que origina fuerzas centrífugas que distorsionan la distribución parabólica de velocidad en la sección del tubo, características de las trayectorias rectas. Esta distorsión es mayor cuando mayor es la relación entre diámetro del conducto y el de la hélice, alejándolo de su condición laminar. El exponente de descarga x, toma valores del orden de 0.65 a 0.75, por lo que estos goteros son menos sensibles que los microtubos a la temperatura, presión y obstrucciones. c) Goteros de laberinto: Son los última generación dentro de los goteros de largo conducto. En estos goteros el fluido recorre una trayectoria tortuosa, funcionando prácticamente en régimen turbulento (x= 0.5), con lo que son muy poco sensibles a la temperatura y a la presión. Además, tienen menos posibilidad de obstrucción. Estos goteros al igual que los helicoidales utilizan normalmente caudales entre 2 y 8 L/h. d) Goteros autocompensantes: Una de las causas de uniformidad de riego es la diferencia de presión entre los distintos emisores de la instalación, debido a desniveles en el terreno y a pérdidas de carga en las conducciones. Como una forma de superar esta dificultad aparece este tipo de gotero en el mercado. Estos goteros llevan un elemento flexible, generalmente una membrana de caucho, que se deforma bajo la acción de la diferencia de presión del agua antes y después de la membrana, manteniendo el caudal aproximadamente constante, aunque varíe la presión de entrada. Son del tipo conexión sobre línea, pero ya existe un modelo de tipo embutido. El gotero autocompensado permite un alto rendimiento durante muchos años. Se puede instalar en terrenos con dificultades topográficas, ya que asegura un flujo constante para un amplio rango de presiones, fabricándose para caudales de salida entre 2.4 y 8 L/h. Un gotero autocompensante perfecto tiene un exponente de descarga x= 0, con una ecuación igual a: Q = K P 0 = K En la práctica es difícil conseguir esta condición y el exponente de descarga siempre adquiere un valor distinto de cero. Además el efecto compensante sólo se produce dentro de un cierto rango de presiones. Para estos goteros se debe exigir al fabricante, más que la ecuación del emisor, la curva Caudal-presión. Además de su mayor costo, el principal inconveniente de estos emisores es que el material del elemento elástico compensador de presiones, experimenta envejecimiento bajo la acción combinada de las distintas temperaturas y presiones a que están sometidos y frente a los agentes químicos: ácido y orgánico que puede llevar el fluido. Los goteros autocompensantes, se justifican en terrenos muy accidentados, pero en general se debe preferir otro tipo de gotero, de coeficiente de descarga bajo y estable en el tiempo, de manera que la uniformidad de riego se consiga con un buen diseño hidráulico. Una característica de estos goteros es que efectúan una cierta autolimpieza: al disminuir o terminar el riego, por efecto de la presión el elemento flexible se separa ligeramente, aumentando el orificio de paso de fluido, permitiendo eliminar partículas acumuladas. 3.13. Procedimiento de cálculo de volumen de riego UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Para realizar éste cálculo se debe conocer los aforos de goteros y aspersores. La Tabla 3.7. entrega a modo de ejemplo, algunos sistemas de riegos comerciales. Tabla 3.7.Aforos de goteros y aspersores usados en la industria del cobre Sistema de riego Gotero Gotero Aspersor Aspersor Aspersor Tipo Lego Noriega 9 13 Fan Aforo (m 3 /h) 0.00325 0.00525 1.15 1.15 1.15 Los valores de aforo de los distintos sistemas de riego no son valores estables, debido a que están sujetos a las condiciones de lixiviación de cada pila, los que dependen de la cantidad de flujo de solución y presión necesarios para alimentar la pila y sus correspondientes módulos. La comprobación de la calidad del riego de cada pila, requiere la verificación de los aforos de los distintos tipos de goteros o aspersores de una pila, a lo menos en forma mensual. La verificación de los aforos se realiza con una probeta graduada, la que se debe situar directamente bajo el gotero durante un tiempo predeterminado. El volumen medido en la probeta (dividido por mil) y dividido por el lapso de tiempo de muestreo, nos entrega el valor del aforo en m 3 /h. En el caso de aspersores, se coloca sobre un aspersor una bolsa de polietileno, con la salida de solución dirigida hacia un recipiente. Durante un lapso determinado de tiempo de muestreo se recoge solución. Se mide el volumen coleccionado en una probeta y se divide por el lapso de tiempo, para determinar el aforo. Se debe tener la precaución, de no levantar la línea donde se encuentran los goteros, para no afectar la medida. 3.13.1. Cálculo del Flujo por módulo de pila Teniendo los datos necesarios, se puede tener el flujo de riego por módulo, mediante la siguiente relación: F módulo = [((Nº GN*AF*TR)+(Nº GL*AF*TR))*1000 + (Nº ASP*AF*TR)] Donde: F módulo = flujo de riego en el módulo (m 3 /día) Nº GN = número de goteros noriega Nº GL = número de goteros lego Nº ASP = número de aspersores AF = aforo TR = horas de riego UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico 3.13.2. Flujo de riego por pila Para obtener el cálculo de flujo de riego por pila es necesario tener el flujo de riego por módulo. La suma de los flujos de los cuatro o cinco módulos, o los que estén establecidos en la planta, representan el flujo total de riego de la pila. F pila = (F M1 + F M2 +F M3 +..........+F MN ) * f c Donde: F pila = flujo de la pila (m 3 /día) F M = flujo de los módulos 1 hasta el N f c = factor de corrección Con este valor de flujo de riego total y la lectura del integrador se obtiene el factor de corrección: f c = (Lectura del integrador en m 3 )/(flujo total de riego en m 3 ) 1.4. DISEÑO E INGENIERIA EN LIXIVIACION DE MINERALES 1.4.1. Introducción Al diseñar una planta competa de lixiviación, extracción por solventes y electro-obtención de cobre - o su equivalente de otro metal -, se debe prestar el máximo de atención al diseño de las pilas de lixiviación. Una simple observación de la experiencia de plantas y proyectos, permite reconocer que: a) La extracción metalúrgica es la primera variable de importancia económica que resulta relativamente controlable por los operadores; menos importante que la ley del mineral y el precio del cobre y normalmente más determinante que el consumo de ácido y otras variables. b) Los problemas experimentados por los proyectos se sitúan precisamente en el área de lixiviación y consisten habitualmente en algunos de los siguientes defectos que deterioran la economía del proyecto o la calidad del producto: - Extracción inferior a la esperada - Cinéticas de extracción más lentas que las esperadas UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Aumentos de consumo de ácido - Incorporación de impurezas a las soluciones, que deterioran a continuación los procesos de SX o EW. En la performance de una pila influyen simultáneamente aspectos relacionados con: El manejo metalúrgico del mineral : Que resulta del como se administran los principios metalúrgicos de la lixiviación. La configuración constructiva de la pila : Que resulta de como el diseño de la pila, permite aplicar los principios metalúrgicos a usar para la lixiviación particular en un proyecto particular. Dado que obviamente el éxito de una instalación depende de una consideración conjunta de ambos factores, se analizan ambos en este capítulo. La acumulación de aspectos de detalle altamente incidente en la performance general de las plantas y una mejor percepción de sus efectos económicos, comienza a cambiar algunos conceptos de diseño hacia nuevas orientaciones. Entre estos, consideramos que los más relevantes son los siguientes: Pilotaje de procesos: como una extensión lógica de la comprobación de las reservas geológicas, las empresas o sus fuentes de financiamiento comienzan a requerir la comprobación de otros aspectos de los proyectos, especialmente los relativos a las recuperaciones en lixiviación, cinética y consumo de ácido, de alta sensibilidad para el resultado económico. Con esto las empresas buscan percibir y demostrar el grado de dominio de los diversos aspectos del proceso y es así como aparecen plantas piloto con algún grado de sofisticación, cuyos objetivos en el tiempo van variando y atraviesan varias etapas a medida qu el proyecto se desarrolla: ◊ En una primera etapa, se las requiere para verificar la información que sustentó hasta ese momento las espectativas del proyecto y que justifican las decisiones de continuarlo: recuperaciones, cinéticas y consumos. ◊ En una segunda etapa (más bien de ingeniería conceptual) se las usa para determinar los problemas técnicos particulares del proyecto, afinar las soluciones que deberá adoptar y para generar parámetros y criterios de diseño de ingeniería, con atención a su incidencia económica. ◊ La tercera etapa (de consolidación) está destinada al entrenamiento del futuro personal y al desarrollo de los modos de operación capaces de obtener el mejor rendimiento. Preferentemente en esta etapa la planta piloto se convierte en un modelo muy cercano a la futura planta industrial, integrándose dispositivos de control y ensayándose nuevos materiales para respaldar la ingeniería de detalles. ◊ En su última etapa, normalmente ya en paralelo con la operación de la planta, se transforma en un modelo a escala que permite desarrollar tecnología propia para enfrentar los problemas de operación, tales como probar variaciones del mineral, pruebas realistas de nuevos equipos, reactivos e incluso para variar el proceso. 1.4.2. Requerimientos de una lixiviación ideal Una observación de los resultados de la lixiviación de varios proyectos y de los resultados de diversos planes de desarrollo, permite proponer los requerimientos de una lixiviación ideal: * Debe maximizar las recuperaciones metalúrgicas y minimizar los consumos de ácido, de agua y de energía. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico * La solución rica generada debe cumplir consistentemente con las condiciones de concentración de cobre y ácido, que le impondría la planta SX para mantenerse en su eficiencia máxima. * Debe generar una solución rica limpia, sin sólidos suspendidos, coloides, hierro, cloro, manganeso y sulfatos totales, para minimizar peligros de borras y de traspasos al electrolito que causen descartes y consumos de agua tratada, aditivos y energía en calentamiento. * Debe anular los efectos de eventuales reductores y arcillas intercambiadoras en el material. * El curado - si se usa - debe adoptar dósis calculadas de modo que sean compatibles: - una máxima ganancia de cinética - un mínimo potenciamiento del consumo de ácido y contribución de exceso a la solución rica y una nula o mínima incorporación de impurezas solubles a las soluciones ricas. * Debe evitar la formación de capas freáticas e inundaciones localizadas, que se traducen en canalizaciones y deslizamientos o derrumbes del apilamiento. * Debe permitir idealmente, el tratamiento conjunto de minerales de diversa mineralogía, incluidas especies de óxidos y súlfuros. * Debe permitir administrar el comportamiento del hierro de modo que: - Se mantengan en solución los contenidos necesarios para el comportamiento adecuado de bacterias en la lixiviación de sulfuros. - Se mantengan en solución las cantidades y proporciones “férrico-ferroso” para producir las interacciones deseadas, en cuanto a : la regeneración de ácido, a la creación de condiciones oxidantes y a la co-precipitación de impurezas. * Debe evitar la formación de precipitados férricos coloidales que fomenten canalizaciones de soluciones y cuando se formen, debe permitirse el estruje del agua de esas precipitaciones. 1.4.3. Proposiciones para una lixiviación ideal Para el cumplimiento de los objetivos planteados es presentan como conclusión las proposiciones siguientes, que se justifican por separado: 1.4.3.1. Configuración de la lixiviación Ellas se orientan a crear la posibilidad de un manejo por zonas de la pila y a disponer de una solución intermedia, que permita ajustar el ciclo de lixiviación según los requerimientos específicos de cada módulo y que también permita el control de las concentraciones de los componentes, para ajustarlo a los requerimientos ideales de SX: - Se debe modular la instalación en unidades de pilas relativamente pequeñas, para disponer de la posibilidad de un manejo discreto de mineral, de riego y de efluentes. - Los módulos de la pila deben tener significado en términos de: * El mineral a apilar y la superficie expuesta al riego * El tipo de solución regada * El tipo de solución drenante a obtener - Se sugiere una altura moderada de apilamiento dado que ello abrevia el tiempo de tratamiento - dado que se logran en menor tiempo las “razones de lixiviación” - y permite abaratar los equipos de carga de pilas; en el tratamiento de súlfuros, ello contribuye a la oxigenación de la pila para la actividad bacterial. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Se debe disponer de un sistema de riego que permita aplicar refino y solución intermedia - sólos o mezclados - a los modulos del apilamiento que se desee. - Se debe disponer de un sistema separado de tres canaletas, para: * recolectar soluciones drenantes de modulos y calificarlas de acuerdo con sus propiedades * conducir a pozos separadamente las soluciones intermedias y ricas obtenidas. - Consecuentemente, se debe disponer de pozos separados de almacenamiento y administración de las respectivas soluciones ricas e intermedias. - Se debe disponer de la posibilidad de dosificar ácido y de reponer agua al refino y a la solución intermedia, usadas para el riego de mineral. - Se debe disponer de una holgada capacidad de bombeo de solución intermedia al riego de pilas. - El pozo de solución rica, debe permitir la clarificación de los sólidos suspendidos, tanto por su configuración, como por la disponibilidad de tiempo de residencia. - Se debe considerar o disponer de medios para tratamientos específicos, por ejemplo para: * calentamiento de soluciones de riego * adición de floculantes a la solución rica * adición de tensoactivos a la lixiviación * inyección de aire a las pilas 1.4.3.2. Operación de la lixiviación Estas proposiciones se orientan a crear los efectos metalúrgicos deseados en modulos discretos de la pila, permitidos por la configuración sugerida: Pretratamiento ácido (curado o riego con solución acidulada fuerte) - Deben aplicarse dósis que compatibilicen el balance global entre aporte y consumo de ácido del mineral, para evitar acidular las soluciones ricas e incorporar impurezas a las soluciones. - Debe aplicarse un tiempo de reposo estudiado con anticipación; si este resulta prolongado , deben considerarse humectaciones períodicas del lecho con la solución que iniciará el riego - sin que alcance a drenar excesos por la base - para evitar que se seque. Aplicación de las soluciones de riego - La aplicación de las soluciones será pulsante; esto es, estará conformado por una sucesión de períodos básicamente iguales de riego y de reposo. - El período de reposo permitirá el drenaje y estruje completo de las soluciones, de modo que las partículas permanezcan húmedas en las soluciones de riego, pero sin películas de líquido que la aíslen del aire que se introducirá a la camada. Esta metodología de aplicación de soluciones de riego optimiza la lixiviación en base a los siguientes efectos: hidraúlicos: UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Se optimiza la “razón de lixiviación”, dado quela partícula mineral se vacía de productos, durante el estruje de cada reposo y admite con mayor avidez los reactivos contenidos en la nueva solución, durante el riego a continuación. - Esta optimización hace innecesario el recurso de presionar sobre las tasas de riego, para mejorar cinéticas y recuperaciones y evita de paso el deterioro de la calidad de las soluciones ricas. - Se disminuyen las canalizaciones, dado que el reposo de cada pulso borra las eventuales dejadas por el riego anterior y obliga a la formación de nuevas rutas en el siguiente ciclo. - Disminuyen los peligros de inundación y derrumbes de pilas, dado que se permite el drenaje de la camada antes de su saturación. Físico-Químicos - El tiempo de exposición de las partículas al aire en varios pulsos, permite ciclos de oxidación de los reductores presentes, de las arcillas intercambiadoras y de las partículas de cobre metálico precipitadas. - En la lixiviación bacterial, proporciona a las bacterias el indispensable oxígeno para activar su desempeño. - El tiempo de exposición de las partículas al aire permite la oxidación de los iones ferrosos presentes en la solución de impregnación, al estado de férricos que precipitan fácilmente por hidrólisis, pero en forma altamente diseminada y con un mínimo de agua, con lo que se evitan las mícelas coloidales capaces de provocar canalizaciones. - Dependiendo de la posibilidad de asociación con otros iones, parte del férrico hidrolizado se solubilizará al disponer de algo de ácido fresco al reponer el riego y parte del hierro quedará precipitado en forma diseminada y permanente. - Los iones férricos redisueltos, se incorporan a la lixiviación, apoyan la recuperación de cobre y retornan al estado ferroso, que luego puede repetir el ciclo en el pulso de riego siguiente, en función de la disponibilidad de ácido en las soluciones. - En el estado de precipitación permanente de los iones férricos, se arrastran por diversos mecanismos - aún no claramente explicados, pero sí notoriamente observados - otros iones que constituyen impurezas, entre ellos, parte importante de los cloruros y sulfatos. - Dependiendo del ambiente específico en torno al ion ferroso al oxidarse a férrico durante el reposo, se produce una regeneración parcial de ácido, que en el riego siguiente se incorpora a la solución como agente activo, restándose del consumo de este reactivo. Aplicación del riego durante el ciclo de lixiviación de oxidos En la lixiviación de minerales oxidados se debe tener presente lo siguiente: - El riego de mineral fresco se inicia con soluciones intermedias de baja acidez y los efluentes se recogen como solución rica; el tiempo de aplicación será el necesario para lograr los caudales deseados de solución rica, de acuerdo con el balance de masas. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Dependiendo de las “razones de lixiviación” necesarias para lograr la recuperación objetico, se continúa con la aplicación de solución intermedia; esta vez los efluentes pueden recircular al propio pozo de solución intermedia, para enriquecerla en cobre y para ajustar la dosificación de ácido de acuerdo con su consumo. - Se regará con refino el sector más agotado de la pila, para incorporar esa solución al riego y para agotar y lavar el mineral en la pila; los efluentes se recogen como solución intermedia. Aplicación del Riego Durante el Ciclo de Lixiviación de Sulfuros - El riego de mineral fresco se inicia directamente con parte del refino; los efluentes se recogen como solución rica; la aplicación de refino dura el tiempo que las soluciones efluentes cumplan con el requisito de concentración de cobre y acidez demandado por SX a las soluciones ricas. - El riego continúa con la aplicación de solución intermedia de baja acidez, en avance a solución rica o en recirculación a su estanque, dependiendo de las “razones de lixiviación” necesarias para lograr la recuperación objetivo. - Se regará con el saldo de refino el sector más agotado de la pila para consumir esa solución, bajar su contenido de ácido y lavar la pila; los efluentes se recogen como solución intermedia. 1.5. ASPECTOS METALURGICOS DEL DISEÑO DE LA LIXIVIACION 1.5.1. Pruebas Metalúrgicas Estas son una de las actividades principales de la etapa conceptual de un proyecto y están destinadas a definir el concepto del proceso y sus parámetros de operación y diseño. Su consideración se inicia con sucesivas etapas de pruebas metalúrgicas, cuyo alcance depende de la disponibilidad de muestras, desde las limitadas cantidades de las etapas de zondaje hasta las extracciones masivas, que permiten pruebas sistemáticas en planta piloto. La información recolectada desde pruebas sistemáticas debe incluir: TABLA 1.5.: Resultados que se obtienen a partir de diferentes pruebas para caracterizar el sistema PRUEBA RESULTADO MINERALOGIA - Especies de mineral y ganga y asociaciones - Tendencias esperables del tratamiento - Consistencia de roca y especies que la afectan - Tipificación de minerales presentes UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Reconocimiento y tipificación de especies que perturban el proceso CHANCADO - Distribución de tamaño de partículas - Definición del circuíto de chancado del mineral - Definiciones para equipos de manejo de minerales - Tamaño mínimo de chancado, bajo en finos y formas de fracturas - Determinaciones del “work index” del mineral CARACTERIZA- CION FISICA - Pesos específicos absolutos y aparentes - Angulos de reposo del mineral seco y “aglomerado-curado” - Humedades natural y de impregnación para cálculos del curado - Humedades dinámicas para estimar volumenes transcientes y capacidades de pozos - Tasas de inundación para estimar tasas de riego - Impregnación de ripios para cálculo de pérdidas de soluciones CARACTERIZA- CION QUIMICA - Leyes de cabeza y por fracción granulométrica - Contenidos de óxidos y de súlfuros - Impurezas presentes en el mineral - Pruebas de consumo estándar de ácido - Ensayos a pH constante para estimar recuperación, consumo y efectos de proceso DOSIS DE CURADO - Conveniencia del tratamiento - Dósis óptima de ácido y agua en curado - Orientación del tamaño de chancado - Comportamiento de impurezas solubles COLUMNAS UNITARIAS - Recuperaciones y curvas cinéticas preliminares del proceso - Consumos de ácido y curvas cinéticas preliminares del proceso - Concentración de cobre y ácido en efluentes - Comportamiento físico e hidraúlico - Afinamiento del tamaño de chancado y de tasas de riego - Alturas de apilamiento preliminares - Verificar el efecto del curado/aglomerado - Definir “dósis recomendable” de ácido del curado - Razón de lixiviación y su relación con recuperaciones y consumos - Datos económicos para la extensión del ciclo - Comportamiento de las impurezas - Variabilidad de comprtamiento del yacimiento - Configuración preliminar de circuito de columnas dinámicas - Operatorias de ajuste de características de la solución rica COLUMNAS DINAMICAS - Recuperaciones y curvas cinéticas finales del proceso - Concentraciones de ácido en soluciones de riego - Consumo de ácido y curvas cinéticas finales del proceso - Verificación final del tamaño de chancado - Verificación final de tasas y metodología de riego - Alturas de apilamiento finales - Razón de lixiviación final y su relación con recuperaciones y consumos - Duración económica del ciclo de lixiviación - Técnicas de control de las impurezas - Configuración del circuíto de riego y de manejo de soluciones Esperablemente, en la etapa de pruebas de columna dinámicas debierán determinarse los últimos detalles de la conceptualización del proceso, de modo que los parámetros obtenidos en ella sean los que finalmente se adoptarán en el diseño de la instalación, junto con criterios de holgura. 1.5.2. Balances de Materiales UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Los parámetros de operación y diseño obtenidos en los ensayos, sirven de base para los cálculos del balance de masas y definición del diagrama de flujos, de los cuales la lixiviación es una parte importante. Es entonces en esta etapa de la ingeniería conceptual o básica del proyecto que se generan los antecedentes de caudales y tipos de soluciones a manejar en la lixiviación, a partir de las cuales se dimensionan las instalaciones de la pila en particular y de la planta en general. Algunas sugerencias relevantes al respecto son: - Debe recordarse que una planta LX-SX-EW es una instalación completamente integrada, por lo que conceptualmente no es posible aislar la lixiviación del resto de los procesos. A modo de ejemplos comunes: * Excesos de impurezas en las soluciones ricas obligarán a descartes de electrólitos cuyo contenido de ácido aparecerá en el refino y generará un desbalance de las condiciones si ese efecto no fue previsto y analizado en conjunto. * Excesos de ácido en la solución rica deterioran la performance del extractante, resultando en la necesidad de mayores concentraciones de reactivo o en la adopción de mayores caudales de orgánico y de solución rica para compensar el efecto. - La operación de toda la planta es función de las características del mineral, que nunca son constantes para todo el yacimiento. Dado que características variables crean diferentes escenarios, es conveniente modelarlos mediante respectivos cálculos de balances de masa, para determinar las condiciones de borde dentro de las cuales es posible que la planta deba operar y dotarla de la flexibilidad suficiente dentro de los ámbitos de las condiciones nominales y de diseño. - Debe recordarse que todo el diseño de la planta es en definitiva un ejercicio de compatibilización de condiciones impuestas por diversos factores, en un marco común impuesto por los balances de masa. Debe entonces adoptarse una visión amplia al evaluar esos factores, para estar muy atento a descubrir cuando será conveniente efectuar simultánea y consiliadamente cálculos de diseño con los de balance de masas. A modo de ejemplo, * En términos del balance de masas, un caudal de solución rica generado por la lixiviación para la planta SX, queda determinado por la necesidad de portear un caudal másico a una determinada concentración. * En la práctica industrial, ese caudal debe ser generado por una composición de una tasa de riego aplicada a una superficie de pilas, que a su vez resulta de adoptar una configuración específica de apilamiento y riego. * Consecuentemente, debe haber una concordancia entre la configuración de la pila y los caudales de riego, para cumplir con los requerimientos del balance. Precisamente esta concordancia obliga a efectuar ambos cálculos y diseños simultáneamente, más aún considerando que la configuración adopta medios - por ejemplo cañerías y aspersores en el caso de una pila - que comercialmente existen en valores discretos que es necesario ajustar o elegir. 1.5.3. Diseño de Sistemas de Pilas de Lixiviación Permanentemente debe recordarse que al diseñar una planta se está creando una costosa herramienta de producción, cuya finalidad última es la generación de utilidades. En otras palabras, el diseño es un asunto económico. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Ubicados en esta perspectiva, las decisiones dejan de ser meramente técnicas y basados solamente en precios alternativos y se enriquecen con conceptos de confiabilidad de desempeño, dado que en una planta de operación virtualmente continua el lucro cesante asignable a una planta detenida resulta un factor de gran importancia económica. Estos criterios son importantes, tanto al definir los diagramas de flujos con suficiente versatilidad operacional para atender situaciones especiales, como al efectuar los diseños con un alto grado de versatilidad y de disponibilidad operacional. Afortunadamente, la lixiviación resulta ser simultáneamente: • El proceso de mayor importancia e incidencia en el resultado económico de un proyecto, por efecto de las recuperaciones que dependen de ella y de los efectos transmitidos hacia el resto de la planta a continuación. • La etapa del proceso cuyas inversiones unitarias resultan menores, lo cual le da el derecho de no escatimar en las inversiones que le sean necesarias. TABLA 1.6.: Elementos a considerar y sus objetivos en un sistema de lixiviación. ELEMENTO OBJETIVOS Pilas Para contener el mineral durante - al menos - su ciclo de lixiviación. Asociados a ella se encuentran los sistemas de apilamiento, de preparación e impermeabilización de pisos, capas de protección y tuberías de drenaje. Sistema de Riego Directamente asociado a las pilas para proporcionar al mineral las soluciones que permiten recuperar las especies. Asociados a ellos se encuentran líneas de aspersores o parrillas de goteros, válvulas y sistemas locales de control. Matrices y Submatrices de Soluciones Destinadas a alimentar el sistema de riego con las soluciones en un secenario de disposición que normalmente cambia en el tiempo. Asociados a ella se encuentran elementos de medición y control. Canaletas Directamente asociadas a las pilas para recoger sus soluciones y despacharlas a los pozos. Asociadas a ellas existen elementos para estimar caudales y direccionar los flujos. Pozos Para recepción y almacenamiento de las soluciones. Asociados a ellas se encuentran sistemas de medición de niveles, de detección de fugas y algunos elementos funcionales de decantación y limpieza de fondos. Bombas Conectadas a pozos para el bombeo de las soluciones contenidas a las siguientes etapas del proceso. Asociadas a éstas y al piping se encuentran los elementos de ajuste de caudal y de medición y control de caudales. Para las indicaciones respecto de su diseño, asumiremos en este apunteque los aspectos conceptuales de proceso se encuentran debidamente determinados desde la etapa de ensayos e ingenerías conceptual y básica; así, están definidos los temas de la capacidad de producción, del espacio disponible, alturas de apilamiento, sistemas de cargas, tasas de riego y otros. 1.5.4. Etapas y Procedimientos del Diseño de Detalles de un Sistema de Lixiviación en Pilas UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Paso 1 : Calcular y definir la configuración general del sistema de pilas, considerando de inmediato todas las restricciones y condiciones del problema. Al respecto de las decisiones de esta etapa se sugiere: - Establecer una cantidad de módulos (se propone de 10 a 20), que permita discriminar los caudales de riego en rangos estrechos respecto de los totales por tipo de solución, para permitir ajustes del estado estacionario, dado que los caudales totales de soluciones efluentes deben ser generados por una cantidad discreta de módulos regados. - Considerar largos basales de módulos inferiores a 200 metros, para escurrimiento de soluciones por tuberías de drenaje, dado que esta distancia ha sido experimentada con éxito. - Ajustar en dimensiones coherentes entre sí, los anchos del sistema de apilamiento y de cobertura del sistema de riego (especialmente si se usan aspersores), para evitar interferencias durante la carga o inventarios inactivos de mineral. - Elegir los aspersores de modo que para las tasas de riego nominales, resulten los segundos aspersores más grandes disponibles operando a las segundas presiones más bajas de aspersión; ello permite economías de inversión y grados de holgura para aumentar o disminuir caudales variando presiones en un rango de valores más bien bajos, que no ocasionan grandes exigencias y consumos de potencia a las bombas. - Cuidar una disposición de aspersores que evite el “sobre riego” de áreas localizadas, capaces de provocar canalizaciones a partir de ellos. Los resultados de los cálculos de configuración de este paso permiten definir: - la cantidad y dimensiones de los módulos activos del apilamiento - la tipificación y distribución del sistema de riego - los caudales y presiones de los componentes del sistema de riego Paso 2 : Con los datos de los cálculos de configuración y del balance de masas, y teniendo en consideración criterios y condiciones preliminares de disposición , calcular y dimensionar los elementos unitarios del sistema. Al respecto de las decisiones de esta etapa, se sugiere: a) Respecto de las tuberías: - Cuidar que los diámetros de las tuberías que distribuyen soluciones, permitan su comportamiento como cámaras de distribución que garanticen una entrega uniforme a sus ramales, sean estos las líneas de riego o los aspersores o goteros. - Cuidar que los largos de las líneas de goteros ocasionen variaciones de presión compatibles con la entrega uniforme de soluciones - Si las líneas están reubicadas, prever los largos entre uniones con pesos adecuados para su transporte con los medios que se usarán en planta. b) Respecto de Canaletas: - Considerar una canaleta recolectora - sectorizada por módulos -, comunicable con dos canaletas conductoras de solución rica y de solución intermedia y calcularla con una geometría y tiempo de residencia adecuado para su función como desarenadora. - Calcular las canaletas conductoras para los máximos caudales de porteo posibles estudiados por un modelamiento. c) Respecto del pozo de solución rica UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico - Calcularlo en base a cámaras que proporcionen un tiempo mínimo y máximo de residencia adecuado - en una cámara el mínimo y en ambas el máximo - para la decantación de sólidos, más revanchas independientes de seguridad. - Incluir volumen para resistir el drenaje de las pilas que lo alimentan, en caso de caídas de energía eléctrica. - Definir una configuración de canaletas de entrada alternativas a ambas cámaras que permita una distribución de la solución al pozo, de forma que se eviten agitaciones y cortocircuitos hidraúlicos. d) Respecto del pozo de solución intermedia - Calcularlo en base a volúmenes activos, revanchas y volumen para resistir el drenaje de la máxima cantidad de pilas que pueden alimentarlo, en caso de caídas de energía eléctrica. e) Respecto de las bombas - Calcularlas de modo de compartir caudales y de mantener capacidad stand by - Procurar alimentarlas con cabezas positivas, desde el fondo de los pozos - Cuidar la elección de materiales de bombas y de manifolds en función de las corrosividades de los líquidos a bombear; considerar el uso de protecciones catódicas. Los resultados de los cálculos y diseños de configuración de este paso permiten definir: - Las dimensiones del apilamiento y la solución de sus procedimientos de carga, colocación de revestimientos y drenaje - Las dimensiones y listados de materiales de piping de matrices, submatrices y sistemas de riego - Las dimensiones de pozos - Los puntos de servicios de las bombas Paso 3: Configurar el sietma de disposición en planta de la pila y de los sistemas de cañerías, canaletas y pozos. Al respecto de las decisiones de esta etapa se sugiere: a) Respecto de la pila - Mantener espacios perimetrales, como bermas de seguridad o caminos - Cuidar la definición de los accesos de la carga de mineral y la mantención de espacios libres para el movimiento de apiladores. b) Respecto de tuberías - Cuidar que las acometidas de los sistemas de riego - que son frecuentes puntos de pérdidas de soluciones - no posibiliten la erosión de taludes, con peligros de derrumbes de material hacia canaletas. - Considerar la formación de anillos o sub anillos de presión constante en los sistemas de riego de gran tamaño - o área - para garantizar la distribución uniforme de soluciones. - Establecer puntos de inserción de rejillas o de aperturas de drenajes para la operación de “flasheo de líneas”. c) Respecto de canaletas - Evitar puntos especiales - en empalmes y cruces - difíciles de revestir, o cuidar de resolverlos previamente. - Establecer anchos de pasillos seguros para el tránsito de personas. d) Respecto de pozos de solución rica e intermedia - Su disposición debe permitir un fácil acceso de las soluciones desde las canaletas - Considerar la disposición de elementos de medición de caudales de entrada UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico e) Respecto de las bombas - Disponerlas de forma que ni ellas ni sus manifolds interfieran con los accesos para mantención. - Cuidar de la recolección de fugas, de forma que sean recolectables y extraíbles del área. Los resultados de los diseños de configuración de este paso permiten definir la configuración final del sistema de lixiviación. 1.5.5. Instrumentación de planta La industria ha percibido la incidencia económica de una buena performance de planta, traducida en un alto factor de disponibilidad efectivo en la práctica, y de una alta y rápida capacidad de maniobra para enfrentar las operaciones en un escenario real, afecto a cambios de continuidad en el comportamiento de los parámetros. Consecuentemente, también ha percibido la gran colaboración que a este respecto obtiene de un buen concepto de instrumentación y control, sea para la captura de información sólamente (en plantas de tamaño menor) como para su procesamiento incluso automático en plantas mayores. Ello incrementa la conveniencia de una buena capacidad de diálogo entre los especialistas de diversas disciplinas, para apuntar a objetivos comunes. Los buenos resultados obtenbidos por experienciasya desarrolladas con sistemas de control distribuido, como es el caso del Proyecto Lince, permitieron su incremento, y que la industria minera continuará importando conceptos de control y automatización. Se estan asumiendo iniciativas propias que integran versiones particulares de sistemas simuladores, supervisores expertos y eurísticos. 1.5.6. Uso de Materiales La empresa aprende a obtener partido económico de los materiales disponibles para las instalaciones de plantas; inicialmente, diversos tipos de plásticos aparecen en tuberías, ductos, válvulas y otros componentes hidraúlicos, incluidas las bombas (HDPE, PVC, FRP). A continuación y en las plantas de tamaño moderado, estos materiales aparecen además como revestimientos resistentes químicamente a las soluciones, normalmente respaldados por soportes estructurales de concreto o acero. Se usan en la construcción de mezcladores-sedimentadores, post decantadores y otros en reemplazo de acero inoxidable. La industria rápidamente comparte experiencias de la práctica existente al respecto, en la búsqueda de adecuados criterios de diseño para la confección de las especificaciones de equipos y de su construcción, que mejoran los resultados de experiencias anteriores. En aplicaciones más comprometidas o exigidas (como las existentes en presencia de cloruros en las soluciones de lixiviación y también en plantas de gran capacidad) la industria adopta luego de una consideración cuidadosa y sin restricciones del costo de inversión, materiales nobles, probados y de mayor precio, como son los concretos poliméricos, revestimientos de polímeros especiales en las instalaciones, además de titanio, hastelloy y otras aleaciones especiales en bombas y equipos. 1.5.7. Muestreos Programados UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico 1.5.7.1. Muestreo solución entrada (refino entrada a lixiviación) - Se debe realizar en la matriz principal de refino - Se debe formar un compósito (se define como compósito la muestra obtenida por soluciones tomadas a distintos tiempos) de 24 horas - El compósito debe ser obtenido mediante un flujo dosificado que salga de la matriz principal para obtener al término de las 24 horas un volumen de solución de unos 20 litros. - Debe controlarse el dosificador de forma tal que no se produzca el rebalse de la solución en el estanque. - Después de obtener el compósito de 24 horas se debe agitar y extraer una alicuota (alicuota se define como una porción o submuestra de una muestra madre) de aproximadamente 300 ml de solución. - Esta alicuota se lleva a laboratorio químico, donde se deben realizar los análisis químico (por volumetría o espectrofotometría de absorción atómica) respectivos por cobre total, ferroso, férrico, hierro total, acidez, potencial redox y pH. 1.5.7.2. Solución salida de lixiviación (solución rica o PLS) - Para realizar la toma de muestra debe acumularse en un estanque un compósito de 20 litros durante 24 horas. Para ello se debe obtener un flujo dosificado, que permita el llenado del estanque al término de las 24 horas, sin rebalse. - Este flujo se debe obtener antes que la solución de salida de la pila llegue a la correspondiente cámara y se mezcle con la solución que viene de las otras cámaras. - Al final de las 24 horas se debe mezclar el compósito y extraer una alicuota de 300 ml de solución. - Esta alicuota se lleva posteriormente a laboratorio químico para análisis por cobre total, hierro total, ferroso, férrico, acidez, potencial redox y pH. 1.5.7.3. Solución de cámaras - La toma de muestra se realiza cada cuatro horas - El muestreo se realiza directamente en la cámara, mediante un tacho que extraíga 300 ml - Después de 24 horas se debe obtener un compósito de 1500 cc de solución - Agitar el compósito y extraer una alicuota de 300 ml - Esta alicuota debe ser llevada posteriormente a laboratorio químico para análisis por: cobre total, hierro total, ferroso, férrico, acidez, potencial redox y pH 1.5.7.4. Determinación de sólidos en suspensión en cámaras y pozos de PLS - El muestreo de cámaras debe ser a lo menos una vez a la semana - La toma de muestras se realiza directamente en cada cámara con un tacho que extraíga suficiente solución para obtener un compósito de 1000 m l de solución - La muestra debe enviarse al laboratorio químico para realizar la determinación de sólidos que se encuentran en suspensión. 1.5.7.5. Control de temperaturas de soluciones (sólo para lixiviación bacterial) - Los controles de temperatura se deben realizar cada 4 horas en los correspondientes turnos - Las mediciones de temperatura se deben realizar con una termocupla o termómetro - El control de temperatura de entrada se debe realizar en un punto en la primera pila alimentada por la matriz principal de refino - El control se debe realizar directamente a un gotero o aspersor en el primer módulo hasta obtener un volumen de 200 ml de solución. - La medición de temperatura se debe realizar lo más rápido posible para evitar variación por efecto del medio ambiente. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico 1.5.7.5. Control de temperatura en cámaras y pozos de PLS - Se debe extraer una muestra de solución en un tacho, donde se introduce la termocupla o el termómetro para obtener el valor de la temperatura. - Esta operación se debe realizar lo más rápido posible para evitar la variación de la temperatura 1.5.8. Procedimiento de cálculo de volumen de riego 1.5.8.1. Flujo de riego por módulo Se debe tener información sobre los aforos de los goteros y aspersores. En la Tabla XX se entregan a modo de ejemplo algunos sistemas de riego comerciales. TABLA 1.7.: Aforos de goteros y aspersores usados en la industria del cobre Sistema de riego Gotero Gotero Aspersor Aspersor Aspersor Tipo Lego Noriega 9 13 Fan Aforo (m 3 /h) 0,00325 0,00525 1,15 1,15 1,15 - Se debe tener presente que estos valores de aforos de los distintos sistemas de riego no son valores estables, debido a que estan sujetos a las condiciones de lixiviación de cada pila, los que dependen de la cantidad de flujo de solución y presión necesarios a alimentar a la pila y los correspondientes módulos. - La comprobación de la calidad del riego de cada pila, requiere la verificación de los aforos de los distintos tipos de goteros o aspersores de una pila por mes. - La verificación de los aforos se realiza con una probeta graduada, la que se debe situar directamente bajo el gotero donde se debe dejar escurrir solución durante un minuto. - En el caso de aspersores, se coloca sobre el aspersor una bolsa de polietileno, la que debe tener la salida de solución dirigida hacia un recipiente donde escurre la solución durante un minuto. Después de obtener la solución se debe medir el volumen del tiesto en una probeta para obtener el aforo. - Se debe tener la precaución de no levantar la línea donde se encuentran los goteros para no afectar la verificación. 1.5.8.2. Cálculo de flujo por módulo Teniendo los datos necesarios se puede obtener el flujo de riego por módulo mediante la siguiente fórmula: F módulo = [((N° GN x AF x HR) + (N° GL x AF x HR)) x1000 + (N° ASP x AF x HR)] donde: F módulo : flujo de riego en el módulo (m 3 /día) N° GN : número de goteros noriega N° GL : número de goteros Lego N° ASP: número de aspersores AF : aforo UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico HR : horas de riego 1.5.8.3. Flujo de riego por pila - Para obtener el cálculo de flujo de riego por pila, es necesario tener el flujo de riego por módulo - La suma de los flujos de los cuatro o cinco módulos, representa el flujo total de riego de la pila en un principio. - Todas estas operaciones se resumen a continuación: F pila = (F M1 + F M2 + F M3 + F M4 + F M5 ) x f c donde: F pila : flujo de la pila (m 3 /día) F M : flujo de los modulos del 1 hasta el 5 (m 3 /día) f c : factor de corrección - Con este valor de flujo de riego total y la lectura del integrador se obtiene el factor de corrección: f c = (Lectura del integrador en m 3 )/ (Flujo total de riego m 3 ) 9.4. Muestreo de ripios - El muestreo de ripio se realiza conforme a un programa preestablecido. - Este muestreo se realiza al término del período de lixiviación de cada pila - En cada punto de muestreo ubicado en la corona de la pila se deben extraer 3 muestras y para los puntos ubicados en el talud, deben extraerse dos muestras. - Estas muestras por punto de muestreo se deben realizar a distintas profundidades. - Las muestras se extraen mediante un martillo hidráulico - Cada muestra se envia al laboratorio químico para realizar primero la determinación del peso de las muestras y posteriormente la determinación del porcentaje de sulfatación y/o empape, además se deben realizar análisis granulométrico, cobre total, cobre soluble, hierro total, hierro soluble y porcentaje de humedad. - Normalmente el análisis granulométrico se realiza en el siguiente juego de tamices: Número Malla ASTM 1 5/8” 2 1/2” 3 1/4” 4 #4 5 #16 6 #40 7 #70 8 #100 9 #200 UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico BIOLIXIVIACION DE MINERALES SULFURADOS Y CONCENTRADOS 1.6. ANTECEDENTES DE MICROBIOLOGIA 1.6.1. ¿Qué es un microorganismo? Hay muchos objetos de interés biológico que son pequeños: las células de las plantas y animales son los ejemplos más obvios. Sin embargo, éstos no son organismos sino sólamente partes de organismos. Un microorganismo es pequeño, pero es también un individuo. El más obvio resultado de ser pequeño es una relación o razón muy grande de área de superficie a volúmen. Por ejemplo, un volumen de bacterias igual al volumen de una sóla célula vegetal, tiene un área de superficie aproximada de 10 veces mayor. Esto es importante, porque es a través de su superficie que un organismo intercambia material con su medio ambiente. A su vez, un mayor intercambio de material, lleva asociado un metabolismo más intenso dentro del organismo y un alto grado de reproducción. Los seres vivos se dividen en : animales, vegetales y protistos. El reino protisto incluye todos los organismos que no tienen algún desarrollo extensivo de tejido, esto es, sistemas de tipos de células distintivas para realizar diferentes funciones. Los protistos incluyen organismos unicelulares y microscópicos, así como también pluricelulares, estando conformado por algas, hongos, protozoarios y bacterias. Los protistos se subdividen en protistos superiores e inferiores (bacterias y algas verde azuladas). UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico En las células de todos los organismos, excepto en las bacterias y algas verdeazuladas, el núcleo está rodeado durante la mayor parte de la vida de la célula, por una membrana. Esta membrana no se encuentra en los protistos inferiores; en estos organismos, el núcleo está simplemente metido en el citoplasma. Las bacterias y las algas verde azuladas son todas microscópicas. 1.6.5. La celula bacteriana. Casí la única función de la célula bacteriana es producir otra célula. Todo lo que hace un bacterio es crecer. No produce células de diferentes tipos, ni realiza mucho trabajo mecánico; no produce semillas ni flores, ni camina ni habla. FORMAS DE LAS BACTERIAS. Hay tres formas de células entre los bacterios verdaderos: bastones, esferas y hélices. La forma de bastón es probablemente la más común. Los bastones pueden tener extremos redondeados o romos; algunos son tan cortos que casi no se distinguen de una esfera y otros son muy largos y angostos. Las bacterias esféricas se llaman cocos. Los cocos frecuentemente se presentan en cadenas o racimos; estos racimos pueden ser de tamaño variable y forma irregular o en algunos casos, paquetes de formas muy regulares. Las formas helicoidales se llaman vibriones o espirilos. Un espirilo tiene más de una vuelta de hélice; un vibrión tiene menos de una vuelta completa y superficialmente parece un bastón romo. Las formas y tamaños de un bacterio particular pueden variar dentro de límites más bien amplios, en medios ambientes diferentes. Aunque la mayoría de las células procariotas son pequeñas, existe una gran variación de tamaños entre los diferentes organismos. Las células procariotas más pequeñas pertenecen al grupo de los micoplasmas y son demasiado pequeñas para verse con el microscopio óptico. Las mayores células procarióticas las cianoficeas, tienen un diámetro que es de más de 500 veces el de micoplasma y casí podrían observarse a simple vista. La medición de la longitud de un objeto microscópico es en esencia lo mismo que la medición de cualquier otro objeto; éste se coloca al lado de una regla de longitud conocida leyéndose directamente la dimensión. La regla utilizada en microscopía es el micrómetro ocular, un pequeño disco de vidrio con una regla grabada. Las líneas del micrómetro ocular serán equivalentes a micrómetros (micras) o a partes de micrómetro. El tamaño se mide ahora moviendo la célula de tal modo que quede ópticamente al lado de la regla del ocular, leyéndose su tamaño directamente. En las células esféricas sólo se necesita medir el diámetro, pero en las que no lo son , debe medirse tanto la longitud como el ancho. LA REACCION DE GRAM. Uno de los caracteres citológicos más importantes de los bacterios es su reacción ante un procedimiento de coloración simple llamado, en homenaje a su descubridor, la coloración de Gram. Este procedimiento consiste en colorear las células con con el colorante cristal violeta; todos los bacterios tomarán el color azul. Los bacterios son seguidamente tratados con una solución de yodo y luego decolorados con alcohol.; las bacterias Gram positivas (ó Gram(+)) retienen el cristal violeta; los bacterios Gram negativos (ó Gram(-)), son decolorados. La base química de esta reacción diferencial no está bien entendida y el procedimiento parece ser totalmente arbitrario. Sin embargo, la división de bacterios en las formas Gram(+) y Gram(-) se correlaciona sorprendentemente bien con muchas otras características. Por ejemplo, todos los bacterios que forman esporas son Gram positivos; todas las formas con flagelos en los polos son Gram negativos. Las Gram(-) poseen pared celular delgada, en tanto que las Gram(+) presentan paredes gruesas. FLAGELOS BACTERIANOS. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Muchos bacterios pueden nadar valiéndose de pequeños apéndices en forma de látigos llamados flagelos. Los flagelos de los bacterios móviles están distribuidos sobre la superficie de la célula en formas características: pueden estar restringidos a uno o ambos extremos de la célula (flagelos polares), o pueden encontrarse sobre toda la superficie celular (flagelos perítricos). La duración de los movimientos de avance en relación a los de giro, está asociada a receptores presentes en la membrana bacteriana; estas variaciones permiten a la bacteria acercarse a determinadas sustancias, como partículas alimenticias, y alejarse de aquellas condiciones ambientales adversas. En algunas bacterias acuáticas, que contienen partículas ricas en hierro, el movimiento se orienta según el campo magnético. Los cocos, al ser redondos, se distorcionan menos y por tanto resultan más resistentes a la desecación que los bacilos o los espirilos. Los bacilos por otra parte, tienen expuesta más superficie por unidad de volumen que por tanto pueden tomar más rápidamente nutrientes de las soluciones diluídas. Las formas espirales son habitualmente móviles, y se desplazan por un movimiento de sacacorchos, lo que significa que encuentran menos resistencia por parte del agua que las rodea que los bacilos móviles. LAS ENDOSPORAS. Muchos otros microorganismos producen tipos de células resistentes que pueden mantenerse vivas bajo condiciones que matarían a las celulas vegetativas. Ninguna de estas es el equivalente de la espora bacteriana que resiste condiciones extremas, tanto químicas como físicas. Algunas endosporas pueden germinar aún después de varias horas de inmersión en agua hirviendo. Una endospora tiene una apariencia muy característica cuando se examina al microscopio. A causa de su bajo contenido de agua , es muy densa y altamente refractaria. Con sólo una pocas excepciones, las esporas están restringidas a dos géneros de bacterios en forma de bastón: bacillus y clostridium. Estos géneros se distinguen por una condición fisiológica: los clostridios son estrictamente anaeróbicos, mientras que los bacilos son aerobios. La germinación de una espora tiene lugar cuando se coloca en un medio ambiente adecuado. ARQUITECTURA MOLECULAR DE UNA CELULA BACTERIANA Como en todos los seres vivos el agua constituye el grueso de una célula bacteriana: del 70 al 80% del peso de una célula es agua. Un bacterio típico pesa 5x10 -6 ug y tiene una masa seca de más o menos 1x10 -6 . ¿Cuál es la composición química de este trillonésimo de un gramo? Su composición no es extraordinaria: los elementos comunes carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, junto con menores cantidades de fósforo y azufre, comprenden por lo menos el 99% de la masa seca total. Hay cantidades más pequeñas de hierro, potasio, magnesio y algunos otros elementos. TABLA 1.8.: Composición de un bacterio típico. ELEMENTO PESO SECO (%) carbono 50 oxígeno 20 nitrógeno 15 hidrógeno 08 azufre 03 UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico fósforo 01 TABLA 1.9.: Composición Molecular de una bacteria Subtancia Masa x 10 7 ug Peso Molecular Moléculas por célula Abundancia Molecular Masa total 50 ---------- ---------- ---------- Agua 40 18 1,3 x 10 10 5 x 10 6 Masa seca 10 ---------- ---------- ---------- Proteína: -de ribosomas - Otras proteínas -Proteína total 1 4 5 1 x 10 5 1 x 10 5 0,6 x 10 6 2,4 x 10 6 3,2 x 10 6 250 950 1000 Ac. ribonucleico - de ribosomas -soluble - total 1,2 0,3 1,5 1 x 10 6 1 x 10 6 ----------- 8 x 10 4 2 x 10 4 10 x 10 4 32 8 40 Acido desoxiribonucleíco 0,2 5 x 10 6 2,5 x 10 3 1 Carbohidrato 1 5 x 10 2 3 x 10 8 1,2 x 10 5 Lípido 1 1 x 10 3 1,5 x 10 8 0,6 x 10 5 ESTRUCTURA DEL FLAGELO BACTERIANO. Un flagelo bacteriano típico mide más o menos 120 A (unidades Angstrom) de grueso y tal vez 4 ó 5 micrones de largo. El flagelo está adherido a un pequeño granulo basal en el interior de la célula y emerge a través de la pared celular. El flagelo es de origen citoplasmático y no es un apéndice de la pared celular. Es de forma helicoidal, con radio y paso constantes para un tipo de bacterio dado. Los flagelos conducen el bacterio hacia adelante de un modo muy similar al de una hélice que impulsa a un barco. Sin embargo, a diferencia de un propulsor de un barco, los flagelos no giran; en lugar de esto, olas, en forma de tornillo, se mueven por debajo de ellos, en la misma forma en que pasaría una ola debajo de una cuerda atada en un extremo y hecha girar en el otro. LA PARED CELULAR Y LA MEMBRANA CELULAR. Analicemos primeramente el concepto de osmósis. Consideremos una solución de sacarosa en agua. Tanto las moléculas de agua como de sacarosa se mueven violentamente y al azar por toda la solución. Si la molécula se coloca en un sacoa través del cual el agua puede pasar pero no la sacarosa (se dice que el saco es permeable al agua pero impermeable a la sacarosa) y el saco es colocado en agua pura, ¿qué pasará? Las moléculas de agua van a pasar a través del saco en ambas direcciones, pero en promedio van a ser más las que entran que las que salen. Esto es porque para un número total dado de moléculas, hay menos moléculas de agua dentro del saco que afuera, puesto que algunas moléculas de adentro son de sacarosa. En un saco cerrado lleno, la solución estará bajo una presión; está es llamada presión osmótica y es una medida de la tendencia del agua a pasar dentro del saco. Si el saco es elástico, se hinchará y eventualmente reventará si la presión osmótica se hace mayor que la resistencia mecánica del saco. Por el contrario, si un saco lleno de agua pura es colocado en una solución de sacarosa, se encogerá a medida que el agua fluye hacia afuera. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico La misma clase de comportamiento se observa en bacterios bajo circunstancias similares. Así, si una célula bacteriana se coloca en una solución muy concentrada de sacarosa, se verá que el contenido de la célula (el protoplasma) se encoge, pero la envoltura limitante por afuera no se encoge, es rígida. Esto demuestra dos propiedades importantes de la superficie de la célula bacteriana: - Hay una membrana semi-permeable alrededor de la célula, puesto que el contenido de la célula responde a un cambio en la presión osmótica del medio de cultivo. - En el exterior de la membrana hay una pared celular rígida. Una idea de la rigidez de esta pared se puede obtener considerando la presión osmótica ejercida contra la pared cuando un bacterio se coloca en agua (procedimiento que generalmente no causa mayor daño o cambio visible). Se sabe que la presión osmótica es aproximadamente 20 atmósferas. La membrana responsable del comportamiento osmótico se llama membrana plasmática y la estructura rígida que resiste la presión osmótica, pared celular. ESTRUCTURA DE LA PARED CELULAR BACTERIANA. Bajo el análisis anterior, cabe preguntarse ¿cuál es la naturaleza química y estructura de esta pared celular rígida? La pared celular de un bacterio es fácilmente vista en el microscopio electrónico. Generalmente aparece como una envoltura de 50-100 A de grueso. Los polisacaridos constituyen una gran parte de la pared celular. Estan compusetos de un número de diferentes azucares simples, tal como glucosa, galactosa y manosa. Los azucares que se encuentren dependen del tipo de bacterio. En muchos casos es presentan amino-azucares en lugar de los correspondientes azucares simples. La diferencia entre estos puede verse comparando las estructuras de la galactosa y la galactosamina . Un componente de los polisacaridos de las paredes de las células bacterianas, presente casí universalmente, es el compuesto ácido murámico, el que está relacionado con la galactosamina . La pared de los bacterios contiene sólo trazas de lípidos, mientras que la pared de las Gram(+) pueden contener hasta 20% de lípidos. La pared tiene una amplia variedad de aminoácidos; ciertamente, todos los aminoácidos que se presentan en las proteínas se encuentran en las paredes celulares de los bacterios Gram(-). La pared de los Gram(+) por el contrario, se caracterizan por la sorprendente simplicidad de la composición de aminoácidos. El ácido glutámico y la alanina generalmente se presentan en grandes cantidades, acompañadas de uno o dos aminoácidos distintos en menores cantidades, los cuales varían con los diferentes bacterios. El ácido diaminopimélico es un aminoácido que se presenta en las paredes de bacterios, tanto Gram(+) como Gram(-). Este último se encuentra sólo en los protistos más bajos. LA MEMBRANA PLASMATICA Esta contiene grandes cantidades de fosfolípidos junto con proteínas y algunos polisacaridos. Por lo que muestra una microfotografía electrónica, no parece tener más de 20-40 A de grueso, indicando así que sus moléculas de proteínas están ordenadas en una sóla capa. Las enzimas respiratorias de la célula están asociadas con ella. En el estudio de la estructura de células de otros organismos, aprendimos que las enzimas respiratorias están limitadas a los UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico organelos llamados mitocondrios, que no aparecen a nivel de bacterios. Los bacterios que tienen más o menos el mismo tamaño que los mitocondrios no necesitan “micromitocondrios” dentro de ellos. EL CITOPLASMA Y EL NUCLEO El hecho de que la célula bacteriana posea una estructura simple significa que la complejidad de las células de organismos más elevados no es esencial para el crecimiento. Se conoce muy poco en lo que concierne a la división de la región nuclear bacteriana; en apariencia simplemente se estrangula hasta dividirse en dos mitades. El espacio comprendido entre la región nuclear y la membrana plasmática está lleno con un citoplasma uniforme y granulado. Inmersos en él, se observan imnumerables partículas muy pequeñas, llamadas ribosomas, los que miden aproximadamente 11 A de diámetro. Los ribosomas de los bacterios están aparentemente libres en el citoplasma y no están asociados con ningún componente de la membrana como lo están a menudo en otras células. Los ribosomas están compuestos de más o menos la misma cantidad de proteínas y ácido ribonucleíco. El ARN de los ribosomas representa del 80 al 85% de todo el ARN de la célula. El 15 a 20% restante está disuelto en el citoplasma. Este corresponde al ARN soluble. La proteína de los ribosomas es parte del aparato encargado de hacer otras proteínas. Una gran cantidad de evidencia sugiere que los ribosomas son el asiento de la síntesis de proteínas. MECANICA DE LA DIVISION CELULAR Los bacterios se reproducen dividiéndose po la mitad; la división es perpendicular al eje más largo de la célula en los bastones y espirilos.Este proceso es llamado fisión binaria simple. La división del citoplasma se realiza en varias etapas. Primero, es tendida una membrana plasmática transversa. esta membrana es luego separada en la mitad por el crecimiento centrípeto de la pared celular. Muy a menudo esta pared celular transversa permanecerá incompleta, con las dos células hijas conectadas en la membrana transversa. Las dos células hijas pueden permanecer juntas y la división continua conduce a una cadena o racimo de células. En los bacterios esféricos (cocos) los planos de división sucesiva pueden ser paralelos produciendo cadenas , o perpendiculares unos con otros, produciendo láminas o paquetes de células. METABOLISMO ENERGETICO Al igual que cualquier organismo, un bacterio existe sólo para hacer una copia de sí mismo; en otras palabras, una célula bacteriana es una unidad “auto-duplicante”. Si analizamos el significado de éste término, vemos que en realidad abarca dos ideas. En primer lugar, está la noción de un aumento en el número de una clase específica de unidad. Esto naturalmente, es lo que significa duplicación en cualquier contexto. Cuando llegamos a la idea de autoduplicación, es cuando nos acercamos a problemas biológicos peculiares. ¿Por qué necesita energía una célula simplemente para crecer? Cuando está creciendo la célula, no se mueve, no levanta peso, etc. En efecto, no está realizando ninguna de las cosas que uno puede intuitivamente asociar con trabajo. Una célula en crecimiento necesita energía porque está haciendo orden a partir de desorden; está haciendo la compleja y altamente ordenada estructura de una célula a partir del desorden del medio ambiente. “Debe gastarse energía para formar un sistema ordenado”. La clase de orden que hace una célula para duplicarse a sí misma, es de naturaleza química. Los componentes macromoleculares de la célula (proteínas, ácidos nucleícos y polisacaridos) son moléculas ordenadas de manera muy precisa y son asimismo parte de una estructura ordenada. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Además, los elementos básicos que contienen estas grandes moléculas deben ser fabricados por la célula u obtenidos ya hechos del medio ambiente. Estos procesos necesitan el gasto de energía química. Durante el crecimiento de una célula podemos distinguir dos metabolismos , sobre la base de sus funciones. Uno es biosintético, e incluye todas las reacciones por las cuales el material del medio ambiente es transformado en sustancias básicas y componentes macromoleculares específicos de la célula. El segundo metabolismo, suministra la energía consumida en el primero. No debe suponerse que estos dos metabolismos están realmente separados. Por el contrario, muchas reacciones y productos intermedios son comunes a ambos. De ese modo, las funciones son separables, pero los mecanismos están estrechamente ligados. El eslabón entre las reacciones que consumen energía y las que la proveen, está representado por el Adenosín Trifosfato (ATP). Las funciones de todos estos importantes compuestos, se describen más adelante. La formación de ATP es el mecanismo por el cual puede capturarse la energía disponible de cualquier reacción metabólica , y desviarla para conducir , cualquier reacción que necesite energía. Brevemente, la manera como trabaja el ATP es como sigue: la formación del ATP a partir de Adenosin Difosfato y Acido Fosfórico es una reacción endogónica; esto es, consume energía. Esta reacción puede continuar sólo si está acoplada a una reacción exogónica, o productora de energía. En esta forma, la energía de varias reacciones exogónicas, que de otra manera sólo producen calor, es capturada en un sólo compuesto. La energía almacenada en el ATP puede ser usada para dirigir la multitud de reacciones endogónicas biosintéticas necesarias para el crecimiento. En el transcurso de su evolución, los bacterios han desarrollado una enorme variedad de matabolismos energéticos. El propósito de todos estos es suministrar a la célula energía en forma de ATP. LAS OXIDACIONES COMO FUENTE DE ENERGIA En esencia sólo dos fuentes de energía están disponibles para los seres vivos: luz solar y oxidación química. Los organismos que usan la luz solar se denominan FOTOTROFOS; los que utilizan energía química se llaman QUIMOTROFOS. Los bacterios fototrópicos serán tratados más adelante. Hagamos algunos comentarios breves para considerar los rasgos más destacados de las reacciones óxido-reducción. La oxidación es la pérdida de electrones de un átomo o molécula; reducción es la adición de electrones. La oxidación del hierro es un ejemplo de la clase más simple de oxidación en la que un sólo electrón se elimina: Fe 2+ = Fe 3+ + e La oxidación de compuestos orgánicos, especialmente los de importancia biológica, lo más frecuentemente es que involucra no sólo la pérdida de electrones libres sino de átomos de hidrógeno, generalmente en pares. Esto se denomina deshidrogenación. La oxidación del ácido succínico en ácido fumárico es un ejemplo. Ni los electrones ni los átomos de hidrógeno pueden acumularse como tales; por eso, cada oxidación es acompañada por una reducción. De esta manera, la oxidación del ácido succínico recién ilustrada, no puede producirse a menos que esté presente otro compuesto que pueda aceptar los átomos de hidrógeno. El aceptor de hidrógeno es así reducido. Cualquier oxidación puede representarse por la reacción general: AH 2 = A + 2 H y una reducción por: UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico B + 2H = B H 2 La suma de las dos reacciones representa la oxidación de AH 2 por B : AH 2 + B = BH 2 + A En esta reacción AH 2 es el reductor ( o donador de hidrógeno) y B es el oxidante ( o aceptor de hidrógeno). Todas las reacciones que producen energía en los bacterios quimiotróficos son óxido- reducciones, e implican la transferencia de átomos de hidrógeno ( o electrones) de un compuesto a otro. La máxima cantidad de energía que la célula puede obtener de la transferencia de átomos de hidrógeno de un compuesto a otro, no puede exceder de la cantidad de energía liberada cuando la misma transferencia se produce en el exterior de la célula viva. Una reacción particular, para que sea usada por un organismo como fuente de energía, debe involucrar la presencia en el medio ambiente, de un oxidante y un reductor en cantidades suficientemente grandes. Hay en efecto, un gran número de estas reacciones, y es destacable que los bacterios como grupo, han desarrrollado mecanismos para hacer uso de casí todas ellas como fuentes de energía. Las oxidaciones productoras de energía de los bacterios pueden ser clasificadas de acuerdo a la naturaleza orgánica o inorgánica del oxidante y del reductor. Litótrofo, que sólo se encuentran en los bacterios, son organismos que obtienen su energía de la oxidación de reductores inorgánicos, tales como azufre y hierro, por acción de oxidantes inorgánicos. Los organotrofos, en contraste, oxidan donadores orgánicos de hidrógeno, usando tanto oxidantes orgánicos como inorgánicos. Todos los animales, los hongos y la mayoría de las bacterias son organótrofos. Definiremos la respiración como cualquier oxidación productora de energía, en la cual el oxidante es un compuesto inorgánico; el oxígeno no necesita estar implicado. De manera similar, la fermentación es definida como cualquier oxidación productora de energía en la cual el oxidante es orgánico. RESPIRACION La respiración es una reacción de óxido-reducción productora de energía, en la cual el oxidante es inorgánico. En el curso de su evolución, los bacterios han desarrollado una amplia variedad de diferentes clases de respiración que pueden ser caracterizadas sobre la base de la naturaleza del reductor y el oxidante. TABLA 1.10.: Reductores y Oxidantes en Respiraciones Bacterianas REDUCTOR OXIDANTE PRODUCTOS ORGANISMOS H 2 O 2 H 2 O bacterios del hidrógeno H 2 SO 4 = H 2 O + S = desulfovibrio Compuestos Orgánicos O 2 CO 2 + H 2 O muchos bacterios, todas las plantas y animales NH 3 O 2 NO 2 - + H 2 O bacterios nitrificantes UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico NO 2 - O 2 NO 3 - + H 2 O bacterios nitrificantes Compuestos Orgánicos NO 3 - CO 2 + N 2 bacterios denitrificantes Fe 2+ O 2 Fe 3+ ferrobacillus S = O 2 SO 4 = + H 2 O thiobacillus RESPIRACION AEROBICA CON REDUCTORES ORGANICOS Corresponde a la oxidación de compuestos orgánicos por el oxígeno, o más brevemente, respiración aeróbica. La respiración celular abarca dos fases diferentes. La primera incluye reacciones por las cuales el substrato es oxidado a CO 2 con eliminación sucesiva de pares de átomos de hidrógeno. La serie de reacciones conocidas como el CICLO DE KREBS, juegan un rol indispensable en esta fase. La segunda fase es la oxidación de estos átomos de hidrógeno por oxígeno, con formación de ATP. Las dos fases conducen la oxidación del substrato a CO 2 y agua, y a la formación de energía biológicamente útil (ATP). La mayoría del ATP es producido durante la transferencia de los átomos de hidrógeno del substrato del oxígeno. Los átomos de hidrógeno provienen de las deshidrogenaciones del ciclo de Krebs; y además la secuencia de las reacciones por las cuales se forman ciclos de Krebs intermedios a partir de diferentes substratos, generalmente incluyen dos hidrogenaciones. Tres moléculas de ATP se forman por cada par de átomos de hidrógeno oxidado. RESPIRACION ANAEROBICA Los bacterios del género Desulfovibrio oxidan compuestos orgánicos usando sulfato como oxidante, siendo el sulfato reducido a sulfuro. Los reductores del sulfato no pueden usar oxígeno. El nitrato se usa como oxidante en la respiración, por muchos bacterios. Los bacterios denominados denitrificantes, también pueden usar oxígeno como oxidante. Estos bacterios reducen nitrato sólo en ausencia de oxígeno. El nitrato es reducido a gas nitrógeno o amoniaco u óxido nitroso, dependiendo del bacterio. RESPIRACION CON REDUCTORES INORGANICOS Los organismos litotróficos se distinguen de los organotrofos, por su capacidad de obtener todo su carbono celular a partir del CO 2 . Los organismos que pueden crecer en ausencia de cualquier carbono orgánico, se llaman autotróficos. Oxidación del hidrógeno La oxidación del hidrógeno gaseoso es empleada por un grupo de bacterios conocidos como bacterios del hidrógeno. Su respiración está representada por: H 2 + ½ O 2 = H 2 O + E En contraste con otros bacterios litotróficos, los bacterios de hidrógeno son también capaces de respirar compuestos orgánicos. La oxidación clave en la respiración del hidrógeno es la activación del hidrógeno. En esta reacción una molécula de hidrógeno es desdoblada para dar dos átomos de hidrógeno: H 2 = 2 H UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Esta reacción que no es peculiar en los bacterios del hidrógeno, se encuentra en muchos bacterios autotróficos. la oxidación de los átomos del hidrógeno; así formados es esencialmente la misma que en la respiración de compuestos orgánicos. Bacterios Nitrificantes La oxidación del amoniaco a nitrato es un paso importante en la economía del nitrógeno en la naturaleza. Este proceso de nitrificación ocurre en dos pasos, cada uno realizado por un grupo de bacterios muy especializados. El primer paso es la oxidación del amoniaco a nitrito: NH 3 + 1 ½ O 2 = NO 2 - + H + + H 2 O + E Los bacterios del género nitrosoma pueden usar esta oxidación como su única fuente de energía; el CO 2 sirve como fuente de carbono. Estos bacterios son incapaces de cualquier otra forma de crecimiento. La segunda etapa en la nitrificación es la oxidación de nitrito a nitrato: NO 2 - + ½ O 2 = NO 3 - + E Aquí los agentes importantes incluyen en el género nitrobacter; la oxidación del nitrito es la única fuente de energía que estos bacterios pueden usar. Bacterios del Azufre La oxidación de los compuestos del azufre reducido, es la fuente de energía para varios bacterios. Una de éstas, el Thiobacillus Thiooxidans, oxida azufre elemental a ácido sulfúrico. S + H 2 O + ½ O 2 = H 2 SO 4 + E Este organismo es único por su capacidad de crecer en medios ambientes extremadamente ácidos, como por cierto debe ser, si se hace uso de la formación de H 2 SO 4 como una fuente de energía. Otro grupo de bacterios oxidantes de azufre está estrechamente relacionado morfológicamente con las algas verde-azuladas. Este grupo incluye las Beggiatoa, que oxidan hidrógeno sulfurado a azufre elemental: H 2 S + ½ O 2 = S + H 2 O Los largos filamentos de la Beggiatoa se atestan de diminutos gránulos de azufre, que dan un aspecto muy característico bajo el microscopio. Bacterios del hierro El último ejemplo de metabolismo litotrófico, es tal vez el más interesante de todos; es la oxidación del hierro llevada a cabo por Ferrobacillus. La oxidación productora de energía es : Fe 2+ = Fe 3+ + e El hierro férrico es depositado como hidróxido férrico insoluble. Algunos otros bacterios oxidan hierro con formación de hidróxido férrico, pero no es seguro si estos pueden usar la oxidación como fuente de energía. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico No se conoce bastante acerca del transporte de hidrógeno y formación de ATP en los litótrofos. Sin embargo, es muy probable que aquí también, los pigmentos citocromas desempeñen un rol central. Thiobacillus Ferrooxidans: Bacteria típica con forma de bastoncillo, tiene un tamaño de célula de 0,3 a 0,5 um de diámetro y 1,0 a 1,7 um de longitud. Son fuentes de energía son el hierro ferroso y el azufre reducido; oxida practicamente todos los minerales sulfurados conocidos. Crece en un intervalo de pH de 1,0 a 6,0 siendo el pH óptimo para alcanzar la máxima velocidad de crecimiento entre 2,0 y 2,5. De modo análogo, sobrevive en un intervalo de temperatura de 2 a 40 °C, pero el más favorable es el intervalo de 28 a 35 °C. Curiosamente, mientras el T. Ferrooxidans crece en un medio de bajo pH, su pH citoplasmático interno está próximo al punto neutro y el gradiente de pH a través de la membrana citoplasmática del T. Ferrooxidans es uno de los mayores de todos los organismos vivientes. El T. Ferrooxidans prolifera, en cuestión de horas, dividiéndose en dos bastoncillos idénticos. Estos, a su vez, aumentan de tamaño y vuelven a dividirse y así continúa la proliferación en forma exponencial. Normalmente, en un sistema en actividad, las poblaciones bacterianas alcanzan cifras de 10 9 a 10 10 por milílitro de pulpa. Sin embargo, incluso con esta elevada densidad no hay pruebas de su presencia a simple vista. Generalmente estas bacterias trabajan en ambientes de calor y acidez tan hostiles que no se produce contaminación por otros organismos. Figura 4.4. Lixiviación bacterial de concentrado de molibdeno. Los estudios realizados indican que la molibdenita (MoS 2 ) es muy refractario al ataque por las bacterias y se disuelve muy poco. Luego en un concentrado de molibdenita, con calcopirita o calcosina UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico como impureza, la biolixiviación se puede usar para disolver ya sea la calcosina o la calcopirita, quedando un concentrado de molibdenita puro. 1.6.3. Genética bacterial El material genético de la célula bacteriana está formado por una hebra doble de ADN circular. Muchas bacterias poseen también pequeños ADNs circulares llamados plásmidos, que llevan información genética pero, la mayoría de las veces, no resultan esenciales en la reproducción. Muchos de estos plásmidos pueden transferirse de una bacteria a otra medianteun mecanismo de intercambio genético denominado conjugación. Otros mecanismos por los cuales la bacteria puede intercambiar información genética son la transducción, en la que se transfiere ADN por virus bacterianos, y la transformación, en la que el ADN pasa al interior de la célula bacteriana directamente desde el medio. Las células bacterianas se dividen por fisión; el material genético se duplica y la bacteria alargada se estrecha por la mitad y tiene lugar la división completa, formándose dos células hijas idénticas a la célula madre. Así, al igual que ocurre en los organismos superiores, una especie de bacteria origina al reproducirse sólo células de la misma especie. Algunas bacterias se dividen cada cierto tiempo(entre 20 y 40 minutos). En condiciones favorables, si se dividen una vez cada 30 minutos, transcurridas 15 horas, una sóla célula, habrá dado lugar a unos mil millones de descendientes. estas agrupaciones, llamadas colonias, son observables a simple vista. En condiciones adversas, algunas bacterias pueden formar esporas, que son formas en estado latente de la célula que permiten a ésta resistir las condiciones extremas de temperatura y humedad. 1.6.4. La influencia del oxígeno sobre el crecimiento de los bacterios El tipo de metabolismo energético que un bacterio posee, determina en gran medida el medio en el cual puede vivir. Desde el punto de vista del metabolismo energético, el factor individual más importante en el medio ambiente, es la presencia o ausencia de oxígeno. Por su respuesta a la presencia de oxígeno, los bacterios caen dentro de tres grupos: aerobios obligados, anaerobios obligados y anaerobios facultativos. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Los aerobios obligados, sólo pueden crecer en presencia de oxígeno. El oxígeno es necesario para estos bacterios porque la respiración aeróbica es la única clase de metabolismo energético que poseen. Los anaerobios obligados, sólo pueden crecer en ausencia de oxígeno. El crecimiento de estos organismos es inhibido por el oxígeno; ciertamente, algunos de ellos son tan sensibles a la presencia de oxígeno, que una breve exposición de aire los mata. La base para esta sensibilidad al oxígeno no está totalmente clara; pero puede explicarse por lo menos en parte, por la destrucción por oxidación de ciertas enzimas indispensables. Es obvio que los anaerobios obligados deben ser capaces de obtener energía a partir de procesos que no requieren oxígeno, tales como la fermentación o la respiración anaeróbica. Los anaerobios facultativos, pueden crecer sea en presencia o ausencia de oxígeno. Los anaerobios facultativos incluyen tres clases de bacterios con fisiologías muy diferentes.La primera clase incluye los bacterios que tienen un metabolismo energético puramente fermentativo; y por lo tanto son indiferentes al oxígeno. El segundo tipo de anaerobios facultativos son los bacterios denitrificantes. La tercera clase de bacterios y la más grande, incluye los bacterios y hongos que obtienen energía para el crecimiento sea por fermentación o respiración aeróbica. 1.6.5. El crecimiento de las poblaciones de bacterias El crecimiento se define como un aumento de la masa de los bacterios por unidad de volumen del medio, acompañada generalmente de un aumento en el número de células. Todos los constituyentes de la masa bacteriana deben provenir del medio. Es característico del crecimiento de unidades que se autoduplican , que en un medio ambiente constante y después de un período inicial de adaptación, la proporción de crecimiento específico tienda a hacerse constante. El aumento en la masa de cualquier sistema de autoduplicación, es autocatalítico. En otras palabras el grado de aumento de nuevos bacterios es proporcional a la masa de nuevos bacterios (puede señalarse que no todos los procesos autocatalíticos son de duplicación; un buen ejemplo, es una reacción explosiva en cadena). Este concepto puede expresarse en términos que son tal vez más familiares. La tasa de nacimiento de una población humana, esto es, la rapidez de formación de nuevos individuos, es proporcional al número de individuos en la población. Por ejemplo, si en una ciudad de 1 millón de habitantesla tasa de nacimiento es de 10.000 por año, entonces la tasa específica de nacimientos es de 10.000 por año por millón o 1/10000 por año.En forma similar podemos definir la proporción de crecimiento específico de una población bacteriana. Si la proporción total de síntesis de nuevo material celular en cualquier momento es, digamos, 100 ug por ml por minuto (100 ug = diez milésimas de un gramo) y si la masa total en ese tiempo es 1000 ug por ml, entonces la proporción de crecimiento específico es de 100 ug por ml por minuto dividida por 1000 ug por ml o 0,1 por minuto. Naturalmente podríamos haber expresado el crecimiento en términos de número de células; la proporción del crecimiento hubiera sido la misma. Usaremos el símbolo para denotar la proporción de crecimiento específico. Obsérvese (y pondérese) que está dado en unidades de tiempo recíproco, por ejemplo, por hora o por minuto. Durante el período de adaptación la proporción de crecimiento específico está aumentando. Cuando esta proporción es constante, la velocidad con que se está formando nuevo material celular en cualquier momento, es simplemente la masa de material celular presente multiplicada por la proporción de crecimiento específico. Esto se deduce obviamente de la definición de proporción de crecimiento específico; α = proporción total de aumento por unidad de masa de material celular. En otras palabras, la población aumentará según un factor constante, en iguales intervalos de tiempo. Este factor es simplemente la proporción de crecimiento específico multiplicado por la longitud del intervalo de tiempo (debe tenerse cuidado de emplear las mismas UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico unidades de tiempo). Si inicialmente la masa bacteriana es B o , entonces después de un intervalo de tiempo, la masa será B o αt = B 1 . Después de un segundo intervalo igual, será B 1 αt = B 2 ; en términos de masa inicial, B 2 = B o αt αt = B o ( αt ) 2 . De igual modo, después del tercer intervalo, B 3 = B o ( αt ) 3 y así sucesivamente. Al considerar el crecimiento de un sistema que se autoduplica es razonable tomar como intervalo de unidad de tiempo, el tiempo que requiere la masa para duplicarse, o en otras palabras, el tiempo que necesita el sistema para autodupicarse una vez. Este tiempo es llamado el tiempo de duplicación de la masa. Si nosotros usamos el tiempo de duplicación como nuestra unidad de tiempo, el factor de aumento αt, es claramente 2. Por lo tanto, las simples ecuaciones desarrolladas arriba se hacen B 1 = B o x 2, B 2 = B o x 2 2 y B 3 = B o x 2 3 . Ahora, la potencia a la cual debe ser elevado el número dos para igualar cualquier número, es llamado el logarítmo en base 2 de ese número (Si x = 2 y entonces log 2 x = y). Nuestras ecuaciones pueden ser expresadas en forma logarítmica como sigue: log 2 B 1 =1 + log 2 B o , log 2 B 2 = 2 + log 2 B o y log 2 B 3 = 3 + log 2 B o . Después de cualquier número N de duplicaciones, podemos calcular la masa bacteriana por la fórmula: log 2 B N = N + log 2 B o . Si el logarítmo de la base 2 de la masa bacteriana es graficado contra el tiempo (todavía expresado en unidades de tiempo de duplicación) veríamos claramente que resultaría una línea recta. Una mirada a esta gráfica aclarará los puntos que siguen. Es obvio que la pendiente de la recta es igual al incremento por unidad de tiempo del logarítmo de la masa bacteriana. Si el tiempo está en unidades de tiempo de duplicación y se usa logarítmo base 2, la pendiente será la unidad, puesto que la masa se duplica en una unidad de tiempo. La pendiente de la recta es sólo otra forma de expresar la constante de proporcionalidad de crecimiento específico α, en términos de duplicación por unidad de tiempo. Si se usan minutos como unidad de tiempo, entonces la pendiente de esta recta es claramente 0,01 y α es 0,01 duplicaciones por minuto. La aritmética es un poco menos evidente si se usan logarítmo base 10. Una duplicación de la masa incrementa el logarítmo en sólo 0,3 esto es, log 10 2 y ésta es la pendiente de la recta con el tiempo expresado en unidades de tiempo de duplicación. La pendiente es evidentemente 0,003 cuando el tiempo es dado en minutos. Estas pendientes dan el valor de α en las ecuaciones cuando se usan logarítmos comunes: log 10 B N = α t + log 10 B o Es fácil obtener el valor de α en duplicaciones por unidad de tiempo dividiendo por log 10 2, que es 0,3. En general, si la proporción de crecimiento específico es constante, el logarítmo (en cualquier base) de la masa bacteriana se incrementará linealmente con el tiempo. La pendiente de esta recta es igual a α, y el valor numérico de α depende de la unidad de tiempo usada y de la base del logarítmo. La proporción de incremento de la masa bacteriana, está dada por: dB/dt = α B Si α es constante, la ecuación puede integrarse para dar: B t = B o exp(α t) o en forma logarítmica: ln B t = ln B o + α t Se ha dicho que la proporción de crecimiento específico puede permanecer constante sólo en un medio ambiente que no cambie; pensando un poco se ve que esta condición no se puede cumplir nunca en la naturaleza. El medio ambiente se va transformando, por el crecimiento en bacterios; cualquier medio ambiente limitado debe cambiar, y cambia más rápidamente cuanto más crecimiento se realiza. Puede esperarse por lo tanto, que la proporción de crecimiento específico comenzará eventualmente a declinar y que finalmente el crecimiento cesará, ya sea porque se han acumulado productos tóxicos o porque el medio de cultivo se ha agotado. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico LA CURVA DE CRECIMIENTO Veamos que sucede cuando se le inocula a una cierta cantidad de medio ambiente de cultivo, una cantidad conocida de bacterios y es luego incubada bajo condiciones físicas constantes. Al principio, hay un período durante el cual se realiza poco crecimiento o ninguno. Este se llama la fase estacionaria. Tarde o temprano los bacterios empiezan a aumentar, al principio lentamente pero con una proporción de crecimiento específico en aumento, la que eventualmente se vuelve constante. La fase estacionaría y el período de proporción de crecimiento específico en aumento representan un tiempo de adaptación de las células al nuevo medio ambiente. Durante la fase estacionaria la masa celular generalmente, aumenta algo, mientras que el número de células permanece constante; en otras palabras las células se hacen más grandes. La duración de esta fase es extremadamente variable. La fase siguiente se caracteriza por una proporción de crecimiento específico. Esta se llama la fase de crecimiento exponencial o logarítmico. El valor de la constante de crecimiento específico depende, tanto del bacterio como del medio de cultivo; es una constante sólo para un bacterio particular creciendo bajo un conjunto de condiciones particulares. Entre la fase estacionaria y la exponencial hay un período (generalmente corto) de crecimiento específico en aumento. Durante el crecimiento exponencial en un medio ambiente constante, las propiedades fisiológicas de los bacterios son constantes. Una de las más importantes de estas propiedades constantes es la proporción de masa a área. Las células se hacen grandes durante la fase estacionaria, alcanzan su tamaño máximo al final de esta fase y permanecen del mismo tamaño durante la fase exponencial. La división celular no es la causa del crecimiento exponencial. Sin embargo, es necesaria para un crecimiento exponencial continuo, puesto que ésta es la forma en que los bacterios mantienen una proporción constante de masa a área. De igual importancia para un crecimiento exponencial continuo, es el mantenimiento de una composición celular constante. Esto significa que las cantidades relativas de enzimas, metabolitos y otros constituyentes no cambian durante el crecimiento exponencial. Para denotar esta constancia de características fisiológicas se usa el términado crecimiento balanceado. Si el medio ambiente cambia, el estado fisiológico de las células cambiará. Generalmente este cambio será simplemente una transición a un estado fisiológico constante diferente. Si el cambio en el medio ambiente es tal que la célula no puede alcanzar un nuevo estado de equilibrio, el crecimiento se vuelve permanentemente no balanceado. Si esta condición se prolonga suficientemente las células mueren. Es imposible que el crecimiento exponencial se prolonge indefinidamente en un volumen finito de medio de cultivo; el medio ambiente debe cambiar y con él la constante de crecimiento. El crecimiento eventualmente se detiene; no hay aumento de masa. El cultivo ha entrado en la fase estacionaria de la curva de crecimiento. La fase estacionaria está precedida por un período de proporción de crecimiento específico en disminución. En la fase estacionaria la proporcionalidad entre la masa bacteriana y el número celular puede romperse otra vez. Algunos bacterios simplemente dejan de crecer y el número de células vivas permanecen más o menos constante por un tiempo más bien largo - mucho más largo que el tiempo de duplicación de las células en crecimiento. El tamaño de las células, por el contrario, decrecen algo. Algunos bacterios empiezan a morir cuando cesa el crecimiento. La fase estacionaria no es el resultado de ninguna clase de envejecimiento intrínsico de los bacterios. Este hecho se puede demostrar fácilmente transfiriendo una porción de un cultivoen la fase exponencial de crecimiento a un medio de cultivo fresco; el cultivo diluído continua creciendo UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico exponencialmente. Esto se puede repetir en forma indefinida. Sólamente el medio de cultivo envejece, no las células. El medio de cultivo puede cambiar en dos formas. En primer lugar el metabolismo invariablemente resulta en la excreción de productos de desechos y a medida que éstos se acumulan, el medio de cultivo puede volverse tóxico, reduciendo de tal modo la proporción de crecimiento; eventualmente el crecimiento se detiene. La segunda forma en que el medio puede cambiar y limitar la cantidad de crecimiento es cuando en el medio de cultivo se agota algún nutriente esencial. Por ejemplo, puesto que el nitrógeno constituye aproxidamente el 10% de peso seco del bacterio, un medio de cultivo que contiene 100 ug de nitrógeno por ml no puede rendir más de 1000 ug de bacterios por ml. Si el contenido de nitrógeno del medio de cultivo fuese sólamente 50 ug por ml, sólamente podrían ser producidos 500 ug por ml de bacterias. Una situación similar se tiene con un nutriente que sirve al mismo tiempo como CO 2 o como fuente de energía. La concentración de un nutriente limitante debe influir no sólamente sobre la cantidad de crecimiento sino también sobre la proporción de crecimiento. La proporción de crecimiento es máxima e independiente de la concentración a lo largo de una amplia escala de concentraciones. Empieza a disminuir sólamente cuando la concentración de nutrientes limitantes es muy baja. Generalmente la concentración inicial del nutriente será mucho mayor que aquella a la cual la proporción de crecimiento empieza a declinar. La proporción de crecimiento no disminuye hasta que casí la cantidad máxima de crecimiento se alcanza. Así, el período de proporción de crecimiento en disminución es muy corto. CICLO DEL CRECIMIENTO CELULAR Hasta ahora la discusión se ha centrado sobre el crecimiento de poblaciones de bacterios, en lugar de hacerlo sobre el crecimiento y división de células individuales. Por lo que aquí respecta, el conocimiento acerca del crecimiento de poblaciones de bacterios es de interés limitado; su valor es en cierto modo el que puede decirnos algo acerca del crecimiento de la célula individual. Desafortunadamente, el crecimiento de un sólo bacterio no puede estudiarse en detalle por la simple razón de que es demasiado pequeño. Queremos averiguar cuanto tarda una sóla célula en dividirse observándola bajo el microscopio, pero esta es la observación más directa que nosotros podemos hacer de ella, el microbiólogo es entonces forzado a usar poblaciones para averiguar acerca de individuos. Claramente hay alguna relación entre la forma en que crece una población de muchas células similares, pero ésta relación no es necesariamente simple. Por ejemplo, el crecimiento exponencial de una población no implica que el crecimiento de una célula individual sea exponencial. Heterogeneidad de las Poblaciones de Bacterios ¿Cuánto tarda en duplicar su tamaño y dividirse? Esta pregunta se contesta fácilmente observando células en crecimiento bajo el microscopio. Se encuentra que las células en una población no tardan lo mismo en dividirse, pero que los tiempos de división están distribuídos alrededor de un promedio en la conocida curva de distribución normal en forma de campana. El valor del tiempo de división promedio es el mismo para ambas poblaciones, pero la “distribución” de los tiempos de división individual es muy diferente en las dos. Las dos poblaciones tendrían el mismo tiempo de duplicación de la masa (30 minutos) si éste fuese calculado de una curva de crecimiento de acuerdo con la ecuación exponencial. Estudiando la población como un todo podemos averiguar cual es el tiempo de división promedio, pero no podemos averiguar nada acerca de los tiempos de generación individuales o como están distribuídos éstos. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico La heterogeneidad de los tiempos de división explica por qué una población descendiente de una sóla célula no crece en forma escalonada. En el desarrollo de una población proveniente de una sóla célula, las primeras pocas divisiones son sincrónicas o aproximadamente sincrónicas; osea que todas las células se dividen más o menos al mismo tiempo. Pero después de unas pocas generaciones, las divisiones comenzarán a estar desfasadas unas con otras. Cuando la población es suficientemente grande para ser estudiada fácilmente, la división es completamente al azar. Así, en cualquier momento todas las etapas del ciclo de la división celular, están representadas en la población. Durante la fase exponencial, el crecimiento de una población está equilibrada, o en otras palabras, la composición química y las propiedades fisiológicas de la población son constantes. Sin embargo, puesto que el crecimiento es al azar no puede inferirse que el crecimiento de una célula individual está equilibrado. 1.6.6. Variables que afectan la actividad microbiana 1.6.6.1. Temperatura La temperatura óptima de crecimiento bacteriano es entre 28 y 35 °C, aunque la Thiobacillus Ferrooxidans puede mantener cierta actividad en el rango de 5 a 45 °C. Ha sido reportado que cada 6 grados que la temperatura disminuye la actividad bacteriana decrece a la mitad. Hay especies de bacterias que se desarrollan mejor en determinados intervalos característicos de temperatura. Algunas, las crisófilas, en frío (menos de 20 °C). Las mesófilas, en caliente (20 - 40 °C); otras (las mesófilas moderadas) en un medio más caliente (40 - 55 °C) y algunas (las termófilas extremas) necesitan un ambiente muy caliente (más de 55 °C). Ninguna de las bacterias criófilas participa en la oxidación de minerales. TABLA 1.11.: Clasificación de las bacterias de acuerdo a su resistencia a la temperatura. CLASIFICACION RANGO TEMPERATURA ESPECIE/(T OPTIMA, °C) criofilas 0 mesófilas 10 - 50 thiobacillus ferrooxidans (20-35) thiobacillus thiooxidans (20 - 35) leptospirillum termófilas 40 - 120 sulfolobus acido caldarius (55 - 85) sulfolobus like termófila (45 - 80) sulfobacillus termosulfioxidans (50 - 120) thiobacillus like TH3 (45 - 70) archaebacteria UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico (85 - 110) pirodictum accultum (70 - 110) metallosphaera acidanus sulfurococcus 1.6.6.2. Contaminantes Existen una variedad de especies inhibitorias del crecimiento de las bacterias. TABLA 1.12.: Niveles de Toxicidad Inhibitorios del Crecimiento de Thiobacillus ferrooxidans Componente Concentración Mínima Inhibitoria Ag 6,4 ppm Al 4,8 gpl As 0,64 gpl Hg 4,6 ppm Mg 12,0 gpl NO 3 - 2,0 gpl SO 4 = 80,0 gpl Cl - 5,0 gpl Cu 12,0 gpl Reactivos SX 16,0 ppm 1.6.6.3. Concentración de oxígeno Anteriormente se indicó que existen dos compuestos que son esenciales en la biolixiviación, el oxígeno y el dióxido de carbono, ambos presentes en el aire. Inicialmente, se postuló que la aireación natural de la pila, que permitía airear aproximadamente 1,5 m de la pila desde la corona hacia hacia la base, era suficiente para satisfacer la demanda de oxígeno, sin embargo, la realidad de operaciones tales como Cerro Colorado y Quebrada Blanca en Chile y Girilambone en Australia demostraron que esto no era efectivo, al menos para pilas de 6 m o más. Estas operaciones han mostrado significativo aumentos en las recuperaciones de cobre por biolixiviación desde que empezaron a suministrar aire forzado desde la base de la pila y/o por tuberías verticales sepultadas en el lecho. Una de las razones de la falsa interpretación de los resultados de las pruebas en columnas es no considerar que en una columna la aireación natural es considerablemente mayor que la aireación natural en una pila. La lixiviación oxigenada es un importante proceso hidrometalúrgico que frecuentemente es considerado para el pretratamiento de minerales a temperaturas y presiones elevadas. Ejemplos incluyen la lixiviación de mata Cu-Ni, concentrados de níquel ricos en pirrotita, lixiviación a presión de oxígeno de concentrados de cinc, oxidación a presión de minerales refractarios de oro. También, se incluyen los procesos de oxidación bacterial de súlfuros. En todos los casos, la solubilidad del oxígeno en la fase acuosa determina la viabilidad de la oxidación durante la lixiviación y en el caso de operaciones a alta temperatura, el volumen de oxígeno que está involucrado durante el enfriamiento de la solución de lixiviación. Termodinámica de la solubilidad del oxígeno: El equilibrio entre el oxígeno molecular en la fase gaseosa (O 2 ) g y el oxígeno disuelto en el agua (O 2 ) aq está dado por: (O 2 ) g = (O 2 ) aq ; K = [∝ C aq ]/[γ P O2 ] = [O 2 ] aq /[O 2 ] g UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico donde K es la constante de equilibrio; [O 2 ] aq y [O 2 ] g representan la actividad del oxígeno en el agua y la fugasidad del oxígeno en el agua, respectivamente; ∝ es el coeficiente de actividad del oxígeno disuelto en el acuoso a una concentración molal (m) de C aq ; y γ es el coeficiente de fugasidad del oxígeno gaseoso a una presión parcial de oxígeno de P O2 atm, donde 1 atm es equivalente a 101.325 kPa ó 14.695 psi. Cuando C aq es proporcional a P O2 , el soluto exhibe una conducta tipo Henry, con una constante de proporcionalidad (k H ) dado por k H = C aq /P O2 . Entonces, la ecuación anterior se puede reescribir como: k = k H (∝/γ) = [O 2 ] aq / [O 2 ] g Cuando ∝ y γ están próximos a la unidad tal que ∝/γ = 1, entonces k = k H . Esta situación se espera prevalezca a baja concentración de soluto y moderada presión parcial de oxígeno. Bajo estas condiciones, conociendo k se puede calcular C aq a una determinada P O2. TABLA 1.13.: Datos termodinámicos para las especies de oxígeno a 298 °K (25°C) Especie Estado u° (kJ mol -1 ) S°(J mol -1 K -1 ) O 2 g 0 205.028 O 2 aq 16.506 109 g: fase gaseosa; aq : fase acuosa El estado estándar se refiere a unidades de fugasidad para oxígeno gaseoso y unidades de actividad para oxígeno acuoso, utilizando atmósferas (atm) para oxígeno gas y molalidad (m) para oxígeno acuoso. A cualquier temperatura T, k está referido al potencial químico molar estándar u° aq y u° g de la especie acuosa y del oxígeno gaseoso respectivamente, a temperatura T y para el cambio global en la energía libre química estándar de la reacción (∆G°) a través de las siguientes ecuaciones: ∆G° = ∑(νu°) productos - ∑(νu°) reactivos = u° aq - u° g = - RT lnk k = exp [(u° g - u° aq )/RT] = exp [-∆G° /RT] donde R es la constante de los gases (8,3144 J mol -1 K -1 ), T está en Kelvin (°K) y ν es el número estequiométrico de cada especie participante en la reacción estequiométrica. Por convención, el valor estándar de u° g para el (O 2 ) g a 298 °K siempre se toma como cero. El valor de u° aq a 298 °K se puede calcular desde valores experimentales de k a través de la última ecuación. El apendice (a), analiza algunas fuentes a partir de las cuales se puede obtener el valor de k. Battino considera los datos de solubilidad del oxígeno de Benson y Otros para promediarlos en el rango de 273 - 373 °K a 1 atm de P O2 . Estos datos dan 12,79 x 10 -4 para k a 298 °K (Tabla XX en el apendice (a)) el cual, después de insertarlo en la ecuación anterior da un valor de +16.506 kJ/mol para u° aq . Esta se lista en la Tabla XX y se considera más real que aquel de 16,3 kJ/mol indicado por Hoare. a) Dependencia de la temperatura de k La dependencia de la temperatura de k está controlado por una combinación de efectos sobre el término exponencial en la última ecuación y sobre los valores de u° de las especies de oxígeno. Relaciones termodinámicas estándar entre la capacidad calorífica, entalpía y entropía a presión constante se pueden emplear para mostrar que u° para una especie simple a temperatura T 2 está referido a una temperatura de referencia T 1 de acuerdo a la ecuación siguiente: UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico (u°) T2 = (u°) T1 + ∫ 1.6.4. Conservación del calor Como ha sido mencionado, la temperatura es una variable relevante en la biolixiviación. Las condiciones ambientales en cuanto a : bajas temperaturas ambientales en la noche y en ciertas épocas del año, más las condiciones de viento imperante en algunas localidades, contribuyen a las pérdidas de calor desde la pila. Por lo tanto, se deben tomar todas las medidas que sean necesarias para minimizar las pérdidas de calor, algunas medidas básicas son: iirigación por goteo es preferible a los aspersores (2 a 3 °C), cubrir las canaletas de descarga de PLS, piscinas de almacenamiento y las pilas y conciliar altura de pilas, aireación forzada y contenido de pirita del mineral. 1.6.6.5. Control del pH El control de la acidez del sistema también es otro aspecto importante en la biolixiviación; los esfuerzos deben orientarse a lograr tener el pH más adecuado para favorecer el crecimiento bacteriano y disolver la menor cantidad de impurezas posibles sin afectar la recuperación de cobre. 1.7. Balance de células Para controlar la actividad de los microorganismos, la mayoría de los estudios con sistemas contínuos, se llevan a cabo usando un substrato limitante al crecimiento. Es posible establecer un crecimiento microbiológico en situación contínua, en un reactor simple. Un balance de materia para el crecimiento bacterial en un reactor de etapa simple está dado por : (Células Entrada) - (Células Salida) + (Células Crecimiento) - (Células Muertas) = (Acumulación de Células) (F/V) X o - (F/V) X + u X - α X = dX/dt F : velocidad de flujo de nutrientes u : velocidad específica de crecimiento α : velocidad específica de muerte V : volumen de líquido en el reactor S o : substrato inicial X o : concentración inicial de células En un cultivo continuo, la velocidad específica de crecimiento es mucho mayor que la velocidad específica de muerte: u >> α, así la ecuación anterior podemos escribirla: (-F/V) X + u X = dX/dt Como una consecuencia de la condición continua: dX/dt = 0 y por consiguiente: u = (F/V) La velocidad específica de crecimiento está determinada por la velocidad de flujo del medio nutriente dividido por el volumen de cultivo. Esta razón es definida como la velocidad de dilución : UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico D = (F/V) = u, y en un sistema continuo la velocidad específica de crecimiento es igual a la velocidad de dilución, D. 1.8. Cuantificación de bacterias Para la estandarización de las pruebas a nivel de laboratorio en este campo de la biohidrometalurgia es necesario, especialmente durante el inicio de una prueba de lixiviación bacteriana en suspensiones (inoculación), conocer la cantidad de bacterias presentes en un mililitro de cultivo, o sea su población. Curvas de crecimiento de los microorganismos que caracterizan por ejemplo los bioreactores, describen las poblaciones versus tiempo y demandan métodos rápidos para las determinaciones correspondientes. El método más exacto para la determinación de la población es el método del número más probable (MPN: Most Probable Number). Un método más rápido resulta por el conteo de las bacterias con la cámara de “Neubauer” o “Thoma”, facilitado por el contraste de fases como accesorio de un microscopio. Número Más Probable El grado de dilución, una tabla estadística y una comprobación visual son las necesidades e informaciones para averiguar el número más probable de la cantidad de células o bacterias en un cultivo o en una dilución. McGrady ha desarrollado tablas estadísticas, por ejemplo para tres o cinco pruebas paralelas que sirven para encontrar el MPN de la cantidad de bacterias por milílitro; es necesario una secuencia de diluciones del cultivo en investigación hasta que resulten pruebas que no contengan bacterias. La Thiobacillus Ferrooxidans utilizan la oxidación de ferroso a férrico como fuente de energía para su metabolismo. Esta oxidación se muestra en un cambio de color de la solución nutriente y comprueba de éste modo el límite de la concentración para la dilución de un cultivo. La determinación del “título de gérmenes” se realiza rutinariamente de igual forma como el método para el MPN, con una secuencia de diluciones; pero el resultado lleva una gran desviación estándar. Unas tres o cinco pruebas (tubos) para cada dilución, permite reducir éste error notablemente y con tres diferentes grados de diluciones se encuentra el MPN (Tabla de McGrady) de las bacterias por milílitro en la solución de cultivo, es decir la población respectiva. La influencia de la casualidad que juega el rol decisivo en el “título de gérmenes” no domina tanto el método del número más probable. TABLA 1.14.: Medio Nutriente para el Cultivo de Thiobacillus Ferrooxidans Constituyente Leadhen et al.(1951) Medio 9K (1959) Silverman&Lundgren Mihaylov et al. (1991) (NH 4 ) 2 SO 4 0,15 g 3,0 g ------ CO(NH 2 ) 2 ------ ------ 3,0 g K 2 HPO 4 0,05 g 0,5 g 0,5 g MgSO 4 7 H 2 O 0,5 g 0,5 g 0,5 g Ca(NO 3 ) 2 0,01 g 0,01 g 0,01 g KCl 0,05 g 0,10 g 0,10 g agua destilada 1000 ml 700 ml 700 ml 10 N H 2 SO 4 ------ 1,0 ml 1,0 ml UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico FeSO 4 7 H 2 O 10 ml de solución al 10% p/v 300 ml de solución al 14,47% p/v 300 ml de solución al 14,47% p/v Procedimiento 1. Se prepara una secuencia de diluciones de la solución del cultivo con la solución nutriente 9K ( sin sulfato ferroso). 2. De cada dilución se preparan cinco tubos con solución nutriente 9K (10 g FeSO 4 7H 2 O/litro en vez de 44,22 g/l); pH= 2,5. 3. Se incuba los tubos con las diferentes diluciones hasta que se muestran por coloración el desarrollo de bacterias (hasta el límite de la dilución); temperatura 30 - 35 °C. 4. Se evalúa el crecimiento de Thiobacillus Ferrooxidans por medio de la oxidación de ferroso a férrico, osea por el cambio de color de la solución nutriente a amarillo o marrón (efecto de concentración). 5. Los resultados en los límites de las diluciones que se recibe después de la incubación, se utilizan para la búsqueda del MPN según las Tablas respectivas de McGrady. Ejemplo : - Se tienen 5 tubos paralelos de cada dilución (1:10 6 =10 -6 del cultivo original; 1:10 7 =10 -7 del cultivo original; 1:10 8 =10 -8 del cultivo original). - Incubados durante un tiempo con 35 °C, muestran los resultados siguientes: * 5 tubos positivos de la dilución 10 -6 * 2 tubos positivos de la dilución 10 -7 * 0 tubos positivos de la dilución 10 -8 El agrupamiento de los números de los resultados es [5 2 0]. Con éste número compuesto se entra en la tabla correspondiente de McGrady y se encuentra el número más probable: 5,0. - Podemos interpretar que en la dilución 10 -6 del cultivo original se encuentran como número más probable 5,0 bacterias por milílitro. El cálculo del MPN para el cultivo original se realiza por la división por el factor de la dilución, es decir, 10 -6 : MPN = 5,0/10 -6 = 10 6 bacterias/ml 1.9. Identificación de bacterias Para realizar la identificación de bacterias es importante hacer uso de coloraciones del cuerpo del microorganismo para observar su estructura interna o externa, puesto que las bacterias son incoloras. Las coloraciones pueden ser simples, cuando sólo interviene un colorante o bien compuesta, cuando intervienen dos o más colorantes y se efectúan en varios tiempos. 1.9.1. Coloración de Gram Es una coloración indispensable en bacteriología, la que es diferencial para los microorganismos. Gram Positivas: Son aquellas bacterias que retienen el colorante violeta de genciana y no se decoloran por el alcohol, toman un color violeta. Gram Negativas: Son aquellas bacterias que pierden el colorante violeta de genciana por decoloración con alcohol y necesitan ser teñidas por un colorante de contraste que es la safranina: adquieren una coloración roja. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Mediante esta técnica, es posible diferenciar en dos grupos a las bacterias de acuerdo a la constitución de su cubierta o membrana celular. Procedimiento 1. Preparar un frotis 2. Fijar la preparación a la llama 3. Hacer actuar violeta de genciana más cinco gotas de bicarbonato de sodio en solución durante un minutos. 4. Lavar con agua corriente y cubrir la preparación con lugol por tres minutos 5. Lavar con agua corriente y decolorar con alcohol de 95° durante 8 segundos. 6. Cubrir el frotis con safranina, 3 minutos 7. Lavar con agua corriente, secar y observar al microscopio. 1.9.2. Coloración de Ziehl-Neelsen Hay bacterias que luego de colorearse forman un complejo difícil de decolorar, ya sea con alcohol e incluso con alcohol ácido, por lo que se les denomina “ácidos resistentes”, toda la cubierta externa de la bacteria adquiere una coloración roja. Procedimiento 1. Preparación del frotis 2. Fijar al calor 3. Cubrir la preparación con colorante de Ziehl-Neelsen (fucsina fenicada) y calentar hasta la aparición de vapores, durante 5 minutos. 4. Lavar con agua de caño 5. Decolorar con alcohol ácido (alcohol de 95° al 3% en Hcl) 6. Lavar con agua y añadir azul de metileno por un minuto 7. Lavar, secar y observar al microscopio. Figura XX. Microscopio de epifluorescencia para la identificación y conteo de bacterias. El reactivo de tinción más utilizado es el anaranjado de acridina. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico El anaranjado de acridina pertenece al grupo de los colorantes de acridina. El anaranjado de acridina se usa como colorante fluorescente para diferenciar ADN y ARN. Existen además numerosos procedimientos de tinción para visualizar estructuras ricas en ADN y ARN. El anaranjado de acridina se puede usar también para la tinción de microorganismos en muestras no fijadas y para tinciones vitales. La Figura XX, muestra una visión típica obtenida con esta tinción y usando el microscopio mostrado más arriba. La preparación considera dos pasos importantes: 1. Solución primaria de anaranjado de acridina. Disolver 0,1 g de anaranjado de acridina en 100 ml de agua destilada. 2. Solución de trabajo de anaranjada de acridina. Diluir la solución primaria de anaranjado de acridina con tampón de fosfato en la relación 1:10. Procedimiento conteo de bacterias mediante microscopio de epifluorescencia 1. Tomar 10 ml de la solución a analizar 2. A la solución se agregan 0.2 ml de naranja acridina y se deja reposar durante 10 minutos 3. Armar equipo de microfiltración (matraz y filtro) 4. Enseguida se somete a filtración en vacío utilizando un filtro de policarbonato de 0.2 m, de color negro. 5. Este filtro (que retiene a las bacterias teñidas) se coloca sobre el portaobjeto. Seguidamente se agrega una gota de agua bidestilada y se tapa con el cubreobjeto, cuidadosamente para evitar formaciones de burbujas de aire. 6. Colocar el portaobjeto en el equipo microscopio. Sobre el cubreobjeto se coloca una gota de aceite. Seleccionar objetivo de 100X. Encender luz del microscopio. 7. Se proyecta la imagen sobre monitor a través de una cámara digital y se utiliza el software para la captura y tratamiento de la imagen (depuración). 8. Se inicia conteo visual sobre la pantalla utilizando un contador. Se consideran 30 campos de observación tomados con un ordenamiento escalonado. 9. El total de bacterias contabilizadas en los 30 campos se multiplica por el área de la fotografía de campo (aproximadamente 13.000 um 2 . Luego, se extrapola la cantidad de bacterias sobre el área total de filtro (aproximadamente 2.01 cm 2 ) mediante la siguiente relación: Bacterias en la muestra = (bacterias en 30 campos) *(Area total del filtro)/(área de los 30 campos) 10. Las bacterias en la muestra, determinadas en el punto 9, se dividen por el volumen de la solución filtrada (en ml), obteniéndose el contenido de bacterias en la muestra en unidades de bacterias/ml. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico 1.10 LA LIXIVIACION DE SULFUROS 1.10.1. Introducción La oxidación bacteriana como medio para extraer metales de yacimientos sulfurados se ha utilizado durante miles de años. Este método fue empleado, por ejemplo, por los romanos, si bien ellos no se daban cuenta de lo que estaban haciendo. En efecto, hasta 1947 no se comprobó que en las aguas ácidas de mina hay bacterias presentes y que desempeñan un papel fundamental en el proceso de oxidación del mineral. Actualmente es posible, gracias a la lixiviación bacterial, el tratamiento de minerales sulfurados de cobre de baja ley, ya sea por lixiviación in place o botaderos: o de minerales mixtos y sulfurados secundarios (calcosina, bornita y covelita) por lixiviación en pilas con ayuda de bacterias o por la combinación de ésta con lixiviación TL (proceso de Sociedad Minera Pudahuel, S.M.P.). Una de las principales aplicaciones de la oxidación bacteriana es la liberación del oro de menas refractarias en las que dicho metal está encapsulado en pirita. Actuando sobre el cristal de pirita las bacterias van desintegrando gradualmente y abren brecha en él, liberando así al oro. La lixiviación bacteriana es un proceso complejo, pues envuelve una complicada interacción entre los aspectos termodinámicos y cinéticos de la física, la química y la biología, junto con su relación con otros aspectos tecnológicos y de ingeniería.El campo de investigación en este caso abarca desde la ingeniería genética que persigue la obtención de cepas bacterianas más rápidas y eficientes hasta modelos matemáticos que permiten predecir el comportamiento de un cierto tipo de mineral en base a las características geológicas, mineralógicas, químicas, fluidodinámicas, etc. El éxito obtenido con los minerales sulfurados secundarios de cobre ha estimulado las investigaciones tendientes a la aplicación de la lixiviación bacteriana a minerales calcopiríticos. Además, prosiguen los intentos por aplicar esta tecnología a los concentrados de cobre. 1.10.2. La lixiviación bacterial de minerales sulfurados Los procesos biohidrometalúrgicos incluyen la biolixiviación y el biobeneficio. El primero involucra la disolución microbial del metal valioso desde un mineral mientras que el último involucra la remoción microbial selectiva de un constituyente metálico indeseable desde el mineral. La función de la bacteria puede ser como catalizadora de la disolución o como generadora de productos metabólicos los que causan la disolución química. La función de los hongos es exclusivamente como generador de productos metabólicos que causan la disolución del metal valioso. La bacteria, en algunas instancias, como en la biolixiviación de minerales sulfurados, puede alcanzar acciones catalíticas o no catalíticas en forma simultánea. La catálisis bacterial de la biolixiviación es frecuentemente clasificada como acción directa, en la que la bacteria esta directamente adherida a la superficie del mineral, mientras que la biolixiviación que resulta de la interacción química del mineral con productos metabólicos corrosivos se clasifica como acción indirecta, encontrándose la bacteria en el fluido. Estos conceptos fueron formulados inicialmente por Silverman y Ehrlich en 1964. MECANISMO DIRECTO DE LIXIVIACION En muchos sistemas naturales y artificiales, se ha encontrado que las bacterias están asociadas con interfaces. Para conocer la conducta bacterina-mineral, es importante conocer la adsorción y desorción bacterial en la interface. El conocimiento de las interacciones interfaciales de los UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico minerales con la solución bacterial podría ser un criterio importante para establecer la biocompatibilidad de un mineral. Se sabe que la adhesión bacteria-mineral, es la primera etapa importante para que el proceso bacterial tenga lugar. La habilidad de la bacteria para atacar superficies preferenciales, se ha observado en algunos sistemas minerales. Algunas bacterias atacan preferentemente las superficies anódicas, las que proveen mayor alimento para las bacterias Th. Thiooxidans, en la forma de azufre y en la forma de iones metálicos bivalentes, comparable con superficies catódicas. Se ha observado como resultado, la aceleración en la disolución de las superficies anódicas, y una lixiviación preferencialmente de la pirrotita en contacto con calcopirita. Las bacteriuas están densamente pobladas sobre la superficie de la pirrotita, mientras que la superficie de la calcopirita contiene muy pocas bacterias. Los iones férrico son generados presumiblemente por bacterias no adheridas, las cuales oxidan los iones ferroso a férrico. Las bacterias están indirectamente involucradas en esta modalidad, debido a que ellas catalizan la oxidación de los iones ferroso a férrico en presencia de agua y oxígeno. LA ADHESION BACTERIAL La adhesión bacterial es un fenómeno fisico-químico reversible. La energía libre de Gibbs de la adhesión bacterial (∆G adh ) se puede calcular del balance de energías de Gibbs interfaciales: ∆G adh = G BS ex - G BL ex - G SL ex (1) donde G ex es la energía libre de Gibbs de exceso por unidad de área superficial (J/m 2 ), y en donde la letra B es para bacteria, L es para líquido y S es para la superficie sólida. Se han utilizado dos conceptos para el cálculo del cambio de la energía libre de Gibbs de adhesión para estabilidad coloidal. Estas son: una energía libre de Gibbs superficial, se decir, el concepto de interacción de rango corto; una aproximación al DLVO, es decir el concepto de interacciones de rango largo en estado coloidal. Modelo Termodinámico : Combinando la primera y segunda ley de la termodinámica podemos escribir: dG = -S dT + V dP+ γ dA + Σ u i dn i (2) donde a temperatura (T) y presión (P) constantes y la concentración superficial molecular/bacterial, es decir n i no cambia, la ecuación (2) se reduce a la ecuación (3): dG = γ dA (3) Para los sistemas en los cuales el efecto de cambios eléctricos, tales como las interacciones bioquímicas específicas se pueden despreciar, G ex en la ecuación (1) se puede reemplazar por las correspondientes tensiones interfaciales γ desde la ecuación (3). La ecuación (1) se puede escribir entonces como: ∆G adh = γ BS - γ BL - γ SL (4) donde ∆G adh es el cambio de energía libre de Gibbs de adhesión por unidad de área superficial, γ BS es la tensión interfacial del sólido-bacteria, γ BL es la tensión interfacial del líquido-bacteria, γ SL es la tensión interfacial del sólido-líquido. La adhesión bacterial se favorece si ∆G adh es negativo y la adhesión bacteriana no se favorece si ∆G adh es positivo. Las tensiones interfaciales que involucran superficies sólidas se pueden obtener usando la ecuación de Young: γ SV - γ SL = γ LV cos θ (5) UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico donde θ representa el ángulo de contacto del líquido sobre el sólido. De las cuatro variables de la ecuación (5), sólamente la tensión superficial del líquido γ LV y θ son fácilmente determinadas experimentalmente, y otras relaciones son requeridas para determinar el γ SV y γ SL . Se ha demostrado a partir de consideraciones termodinámicas que una relación de ecuación de estado se puede escribir como: γ SL = f(γ SL , γ LV ) (6) Usando datos experimentales de ángulo de contacto y tensión interfacial líquido-vapor, la ecuación (6) se ha formulado como sigue: γ SL = [ (γ SV ) 1/2 - (γ LV ) 1/2 ] 2 [1- 0,015 (γ SV γ LV ) 1/2 ] -1 (7) combinando la ecuación de Young (5) con la ecuación (7),se deduce la ecuación: cosθ =[(0,015 γ SV -2,00) (γ SV γ LV ) 1/2 ] [γ LV (0,015(γ SV γ LV ) θ -1] -1 +γ LV (8) con la ayuda de la ecuación (8), la tensión superficial desconocida del sólido γ SV , se puede determinar a partir de cantidades medidas experimentalmente, γ LV y θ. Newmann et al., dedujeron un set de expresiones para calcular γ BS , γ BL y γ SL desde γ BV , γ SV y γ LV basados sobre datos experimentales de γ LV y θ. En el rango de 0 < γ LV ≤ 30 ergs/cm 2 , es valida la ecuación (7). Para el rango 30 < γ LV < 50 ergs/cm 2 , la ecuación (7) se puede usar para γ SL = γ SV ; en los contornos de este punto se recomienda la siguiente relación: γ SL = ¼ [(2 - 0,015 γ SV ) (γ LV ) 1/2 - ((2 - 0,015 γ SV ) 2 γ LV - 4(γ LV - γ SV ) 1/2 ] 2 cuando γ LV > 50 ergs/cm 2 , la ecuación (7) se usa sobre la pendiente igual a -1. Las Tablas, muestran algunos datos disponibles sobre tensión superficial para líquidos orgánicos polares (γ LV ), tensión superficial para minerales y polímeros sólidos (γ SV ), tensiónsuperficial de bacterias (γ BV ) y ángulo de contacto (θ), respectivamente. Los cambios de energía libre de Gibbs de adhesión como una función de la tensión superficial del mineral a un γ BV fijo se muestran en la Fugura XX. Esta figura también muestra el efecto de γ LV sobre ∆G adh . Como se puede ver desde la figura existen tres condiciones límites diferentes: a) γ LV < γ BV , b) γ LV >γ BV , c) γ LV = γ BV El significado de estas condiciones límites de la adhesión bacterial sobre la superficie mineral se discute enseguida. a) γ LV < γ BV El ∆G adh decrece (es decir, valores positivos inferiores) con el incremento de la tensión superficial del sólido γ SV . En esta región se incrementa la adhesión bacterial sobre la superficie del mineral. Para γ SV inferior a cierto valor ( es decir, punto X), la adhesión bacterial no es significativa sobre la superficie del mineral, aún con un incremento de γ SV desde 0 a X. b) γ LV >γ BV El ∆G adh incrementa (es decir, valores menos negativos) con el incremento de la tensión superficial γ SV . En esta región se espera una disminución de la adhesión bacterial, es decir un desprendimiento de la bacteria desde el mineral. Para γ SV inferior a cierto valor (es decir, punto Y), UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico se espera no hayan cambios significativos en la adhesión bacterial sobre la superficie del mineral, aún cuando aumente γ SV desde 0 a Y. c) γ LV = γ BV El ∆G adh llega a ser igual a cero y también es independiente de γ SV . Esta condición límite es también indicativo de γ BL = 0, y γ BS = γ SL . Esto implica que la dhesión bacterial no depende de la tensión superficial del mineral γ SV , si no de otros efectos tales como interacciones electrostáticas que existen en el sistema; el ∆G adh debería ser igual a cero. Todas estas condiciones se muestran en la Figura adjunta. Chei y Torma, reportaron que la biolixiviación permite disolver ZnS, pirita y otros minerales sulfurados. La biolixiviación de ZnS en solución 1N H 2 SO 4 con T. Ferrooxidans fue reportada. El pH y γ LV del lixiviante de 1 N H 2 SO 4 . No existen datos de tensión superficial de T. Ferrooxidans. Los cálculos fueron realizados usando γ BV para S. Epidermidis de 66,9 ergs/cm 2 y M. Phlei con 55 ergs/cm 2 . El ∆G adh calculado como una función de la tensión superficial del ZnS a γ LV = 72,3 ergs/cm 2 y para dos diferentes bacterias. Como podemos ver de las figuras,si asumimos que γ BV para T. Ferrooxidans no es significativamente diferente que S. Epidermidis, para un γ SV constante, el ∆G adh disminuye (es decir, valores más negativos) con la disminución de la tensión superficial de la bacteria, γ BV . Un ∆G adh más negativo es indicativo de una mejor adhesión y esto se puede correlacionar con una mejor lixiviación de ZnS. TABLA 1.15.: Tensión Superficial de Líquidos Orgánicos Polares LIQUIDOS TENSION SUPERFICIAL (γ LV )[erg/cm 2 ] Agua 72,8 Glicerol 63,4 Formamido 58,2 Ioduro de Metileno 50,8 Glicol Etileno 48,3 1-Bromo-Naftaleno 44,6 Tri-cresil Fosfato 40,9 Metil Benzoato 37,0 Octano 21,8 Hexano 18,4 TABLA 1.16.: Angulo de Contacto (θ) y tensión superficial de Minerales y Polímeros Sólidos. Materiales Angulo de contacto (θ) γ sv (erg/cm 2 ) Vidrio ------ 78,0 Poliestireno sulfonatado 24 66,0 Acetal resina 62 46,0 Polietileno de baja densidad 85 32,0 Polistiene 95 25,6 Tefelon FEP 110 16,4 1.10.3. Adhesión de bacterias a partículas de pirita. La interacción de la T. Ferrooxidans con pirita es importante desde el punto de vista metalúrgico y ambiental. En aplicaciones metalúrgicas puede utilizarse para la oxidación de la pirita para liberar el oro encapsulado o para producir ion férrico y ácido para la lixiviación del cobre. La oxidación de la pirita está controlado por un fenómeno de difusión en estado sólido. UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Después de dos horas de fermentación, es posible localizar células bacteriales sobre la superficie de la pirita. Una fotomicrografía después de 1 día de fermentación es una excelente representación visual de las bacterias que residen sobre la superficie de la pirita. Las líneas de división de las bacterias llegan a ser visibles cuando la longitud de la célula alcanza alrededor de 3 micrones. La longitud de una célula dividida es cercana a 1,5 micrones. También se reporta el inicio de la colonización de células. La localización de l inicial depende del lugar de adhesión inicial de una célula o algunas células. Con el tiempo la célula llega a dividirse, pero debido a que está firmemente adherida a la superficie de la pirita, las células hijas permanecen también en el mismo lugar. Las condiciones de la superficie de la pirita después de 1,5 días de fermentación , como se esperaba la concentración de células sobre la superficie de la pirita se incrementa con el tiempo. Las líneas de división son fácilmente observables. La superficie de la pirita después de 2 días de fermentación, constituye el tiempo crítico, en donde la superficie de la pirita llega a estar completamente aíslada de la solución. La superficie de la pirita sufre un dramático cambio llegando a estar completamente cubierta con una capa de bacterias activas (conclusión alcanzada por presencia de líneas de división fácilmente visibles). La bacteria se posesiona lateralmente sobre la superficie de pirita, existiendo una capa de producto consistente de esferas monotamaño. Debido a que el diámetro de estas esferas es cercano al diámetro de una célula, se pensó inicialmente que la capa de producto circundante eran células orientadas perpendicularmente a la superficie. Una capa de producto similar se obtiene después de 2,5 días de fermentación. Se observa que con el tiempo, la bacteria crece más corta que la bacteria de etapas iniciales de fermentación. Además, los terminales brillantes de algunas de las células indica los cambios internos de las mismas. Algunas células se agrupan en racimos. Los racimos superiores de las células se pueden ver más claramente , a 5 días de fermentación. El racimo individual en el centro consiste de muchas células agrupadas. Unas pocas divisiones de bacterias se pueden observar sobre la superficie, la que está cubierta con una capa continua consistente en racimos esféricos empaquetados en forma individual. 1.10.4. Efecto de finos y arcillas en la lixiviación bacterial Se ha observado que la T. Ferrooxidans sirve como sitio de nucleación para la formación de jarosita. La formación de jarosita comienza sobre una célula. Con el tiempo el núcleo inicial de jarosita crece y se inician nuevos sitios de nucleación. Los sitios de nucleación se pueden ver sobre la célula sólamente después de un día de fermentación. Durante la formación de jarositas, las células sufren drásticos cambios. La iniciación de las áreas globulares se pueden ver especialmente al final de las células. TABLA 1.17.: Composición teórica de la Jarosita Especie %O %S %Fe %K KFe 3 (SO 4 )(OH) 6 44,7 12,8 33,5 7,8 HFe 3 (SO 4 )(OH) 6 48,4 13,8 36,2 ---- El efecto sobre la pirita o mispíquel, es hacer que este se desintegre, generando, a través de una compleja serie de pasos químicos intermedios, compuestos de hierro férrico solubles o ácido sulfúrico. Estos a su vez, puestos en disolución pueden reaccionar con otros minerales presentes que no contienen ni hierro ferroso ni azufre reducido. Claro está que debe evitarse la precipitación indeseable de hierro férrico, porque entorpecería el proceso, recubriendo a los minerales e UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico impidiendo a las bacterias atacar la superficie del mineral. Por consiguiente es una circunstancia favorable la de que las bacterias se desarrollen en condiciones fuertemente ácidas. Las esmectitas son filosilicatos 2:1 constituídos por una capa octahedral que contiene Al o Mg entre dos capas de sílice tetrahedral. Las arcillas esmectíticas son ampliamente utilizadas en diferentes industrias. La montmorillonita es una especie de esmectita dioctahedral. Grim y Kulbicki (1961) proponen que la montmorillonita se puede dividir en tipo Cheto y Wyoming de acuerdo al contenido de Mg en la capa octahedral, con un alto contenido en el tipo Cheto. El tipo Wyoming tiene algunas partículas finas y un alto contenido de Na en la posición de intercapa. La capacidad de intercambio catiónico, la distribución de tamaños de partículas, cristalinidad y reacción a alta temperatura no son iguales para ambos tipos. Se ha observado que la composición mineralógica, el porcentaje de partículas finas y el contenido de Na y Ca del material son los factores principales que se deben considerar en las propiedades reológicas (esfuerzos de corte inicial, viscosidad aparente, etc.). La molienda reduce el tamaño de partículas hasta un cierto tiempo crítico, sobre el cual se produce una reagregación del material. La molienda produce un incremento en la adsorción de agua, la que se ve favorecida por la presencia de finos. La disolución bacterial de un metal valioso desde minerales por acción directa involucra oxidaciones enzima-catalíticas o reducciones. En oxidaciones, el metal- contenido en el mineral en una mena actua como donador de electrones (también llamado sistema de transporte de electrones) con el sistema respiratorio de la bacteria transportando los electrones hacia un aceptor de electrones disponible. La oxidación resultante del mineral lo transforma en un producto soluble en agua, es decir: CuS + 2 O 2 → Cu 2+ + SO 4 = En reducciones, el metal - contenido en el mineral de una mena actua como aceptor de electrones, la bacteria transporta los electrones hacia un donador de electrones soluble, el cual puede ser inorgánico tal como H 2 u orgánico tal como glucosa o acetato. La reducción del metal - contenido en el mineral resulta en su solubilización. La mayoría de los minerales que pueden actuar como aceptores de electrones son óxidos tales como: óxido de hierro (III) u óxido de manganeso (IV). Dos reacciones típicas son: 2 FeOOH + H 2 + 4 H + → 2 Fe 2+ + 4 H 2 O y MnO 2 + H 2 + 2 H + → Mn 2+ + 2 H 2 O 1.10.5. Mecanismo indirecto de lixiviación La disolución a través de bacterias u hongos por acción indirecta involucra productos metabólicos que son mayoritariamente productos terminales de la respiración o metabolismo energético de los respectivos organismos y puede ser orgánico (es decir, fórmico, acético, oxálico, láctico, pirúvico, succínico, cítrico u otros ácidos) o, en el caso de bacterias inorgánicas, tales como sulfato férrico en solución ácida, o los ácidos sulfúrico y nítrico. Durante la lixiviación de la pirita se verifica la siguiente reacción, previamente señalada, a través de una acción indirecta de los microorganismos: FeS 2 + 2 Fe 3+ = 3 Fe 2+ + 2 S o Esta reacción muestra que tres iones ferrosos se producen en la solución por cada molécula de pirita lixiviada. Si se conoce la velocidad de producción de ferroso, la velocidad de disolución de la pirita se puede calcular, basado en esta estequiometría. La concentración de ferroso a cualquier tiempo durante la lixiviación indirecta, se puede medir a través del potencial redox de la solución UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico con un electrodo de platino y aplicando la ecuación de Nernst sobre la base de las semireacciones ferroso/férrico. E = E o + (2.3 RT/F) Log (Fe 3+ / Fe 2+ ) Fe 3+ + e = Fe 2+ Estas ecuaciones permiten calcular la concentración de ferroso, suponiendo que el potencial electroquímico se conoce así como también el potencial estándar de la semi-celda, E o y la concentración de hierro total. En situaciones de lixiviación real , no obstante, otras semi-reacciones tienen lugar simultáneamente junto a la reacción dominante férrico/ferroso, que afectan asimismo el potencial electroquímico. Este hecho se puede compensar mediante el desarrollo de una prueba de calibración para determinar un potencial de semi-celda estándar efectivo, E o , para cada licor. Esta calibración se puede realizar agregando cantidades conocidas de sulfato ferroso al licor y midiendo el potencial electroquímico, E. La actividad bacterial en el licor se puede eliminar completamente agregando 1500 ppm de HgCl. También es posible que parte o todo el sulfuro se oxide a sulfato de acuerdo a la reacción: FeS 2 + 14 Fe 3+ + 8 H 2 O = 15 Fe 2+ + 2 SO 4 2- + 16 H + En este caso, la velocidad de solubilización del hierro debería ser 1/15 de la velocidad de producción de ferroso. Esta razón estequiométrica representa el límite inferior de la solubilización de hierro por ion ferroso producido. Basados en la ecuación inicial , se puede predecir un límite superior de 1/3. Si la mitad del sulfuro se oxida a azufre y la otra mitad a sulfato, según la reacción: FeS 2 + 8 Fe 3+ + 4 H 2 O = 9 Fe 2+ + S o + SO 4 2- + 8 H + se predice una velocidad de disolución del hierro igual a 1/9 veces la velocidad de producción de ferroso. Claramente, si se conoce la estequiometría exacta , la velocidad de solubilización del hierro por el mecanismo indirecto se puede determinar a partir de la velocidad electroquímica de producción de ferroso. En relación a los ácidos orgánicos, algunos actúan promoviendo acidolísis, otros por complejación y unos pocos pueden actuar con otras capacidades, dependiendo del pH del medio de reacción. Algunos microbios son capaces de producir compuestos en su metabolismo secundario en contraste con su metabolismo respiratorio que actua como ligandos específicos. Los Sideroforos son un ejemplo. Ellos tienen la capacidad de disolver Fe(III) contenidos en óxidos férricos altamente insolubles a pH neutro. Algunos microorganismos también forman polisacaridos extracelular (exopolisacaridos) que reaccionan con la sílice para formar silicatos y aluminosilicatos. TABLA 1.18.: Ejemplos de productos del metabolismo de bacterias y hongos con un potencial para la lixiviación de metales desde minerales, no enzimáticamente. COMPUESTO FUENTE ORGANISMAL MECANISMO DE ACCION Fe 3+ + H 2 SO 4 bacteria acidófila del Fe oxidación de sulfuros metálicos ácido nítrico bacteria nitrificante acidulación ácido sulfúrico thiobacillus acidulación ácido fórmico bacteria fermentante reducción de óxidos ácido oxálico hongo complejación; acidulación ácido acético acetógenos; clostridia acidulación ácido láctico bacteria fermentante acidulación ácido pirúvico bacilo megaterium; Zymomonas mobilis complejación ácido succínico bacteria fermentante acidulación UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico ácido cítrico hongo complejación , acidulación ácido 2-ketoglucónico Erwinia herbicola cadenas pseudomonas complejación siderophoros bacteria, hongo complejación exopolisacarido bacteria reacción con silicatos Los microorganismos con potencialidad para la biolixiviación se pueden dividir en autótrofos (obligados y facultativos), mixotrofos y heterótrofos. Los autotrófos aplicables a la biolixiviación son todos quimiosintéticos, es decir, ellos obtienen su energía de la oxidación de compuestos inorgánicos y obtienen todo el carbono celular desde el dióxido de carbono. Los mixotrófos en la biolixiviación obtienen su energía de la oxidación de un compuesto inorgánico oxidable pero obtienen una porción de su carbono celular desde compuestos orgánicos. Los heterotrófos obtienen su energía de la oxidación de compuestos orgánicos y su carbono celular de la asimilación de compuestos orgánicos. Los mismos compuestos pueden servir como fuente de energía y de carbono. Las bacterias están representadas en los tres grupos nutricionales, pero los hongos están restringidos a los heterotrófos. Los autotrófos son los candidatos más deseables para la biolixiviación por su habilidad para crecer en ausencia de materia orgánica preformada, permitiendo el uso de una solución de cultivo que es indeseable para el crecimiento de competidores, mixotrófos y/o heterotrófos, los que están siempre asociados con un mineral y que no se pueden remover de él por esterilización. La interferencia se puede manifestar por medio de un desplazamiento de los organismos activos de la lixiviación por organismos inactivos, o por destrucción del lixiviante por la extracción del metal valioso generado por los organismos activos. Las autotrófas que pueden lixiviar minerales se han encontrado especialmente útiles en la lixiviación de minerales sulfurados de cobre de baja ley tratados en pilas, botadero o in situ. En la lixiviación de minerales sulfurados, las condiciones selectivas pueden requerir un pH inferior a 2,5 del agua con la cual el mineral se trata y a la cual se transfiere el metal valioso desde el mineral. Esta agua sirve como medio de cultivo, y como resultado de la actividad microbial selectiva, llega a ser el lixiviante. La fuente de energía requerida por los organismos es suministrada por constituyentes oxidables del mineral, mientras que el nitrógeno, fósforo y otras trazas de nutrientes minerales son adquiridos por el agua desde compuestos naturalmente asociados con el mineral o introducidos en la preparación del mineral para la lixiviación. El carbono es suministrado por el dióxido de carbono atmosférico. Una estimulación selectiva de las bacterias activas de la lixiviación normalmente no conducen a una población microbiana que consista exclusivamente de organismos capaces de lixiviar el mineral. En el caso de las autotrófas acidófilas selectivas en la lixiviación de un metal desde un mineral sulfurado, heterotrófas satélites (bacterias, hongos y protozoa) y mixotrófos (bacteria) son capaces de crecer al pH ácido y pueden ser indirectamente estimuladas. Muchas de las bacterias satélites y hongos parecen depender principalmente de la porción eliminada del carbono orgánico formado en la asimilación de dióxido de carbono por las autotrófas. El consumo de éste carbono orgánico eliminado ayuda a las autotrófas porque su acumulación excesiva detiene o inhibe su crecimiento. TABLA 1.19.: Algunas bacterias autotróficas con potencial para la lixiviación NOMBRE REQUERIMIENTOS ESPECIFICOS PARA EL CRECIMIENTO ATRIBUTOS FISIOLOGICOS PERTINENTES A. EUBACTERIA Thiobacillus Ferrooxidans mesófila-acidófila Fe(II);oxidación de sulfuros metálicos y azufre Thiobacillus Thiooxidans mesófila-acidófila oxidación del azufre Thiobacillus Prosperus mesófila-acidófila, tolerante a la sal (max. 6% NaCl) Fe(II), oxidación de sulfuros metálicos y azufre Leptospirillum Ferrooxidans mesófila-acidófila oxidación del Fe(II) Cadena SP5/1 mesófila-acidófila Fe(II), oxidación de sulfuros metálicos y azufre UNIVERSIDAD ARTURO PRAT HIDROMETALURGIA I Jorge Ipinza Abarca, Dr. Sc DEPARTAMENTO METALURGIA Ingeniero Civil Metalúrgico Cadena Hö5 mesófila-acidófila oxidación de sulfuros de cobre Cadena L7 mesófila-acidófila Fe(II), oxidación de sulfuros metálicos y azufre Sulfobacilo Thermosulfooxidans termofílica-acidófila Fe(II), oxidación de sulfuros metálicos y azufre Cadenas desconocidas termofílica-acidófila Fe(II), azufre, oxidación variable de pirita B.ARCHAEBACTERIA Metallosphaera Sedula termófila-acidófila oxidación de sulfuros metálicos y azufre Acidianus Brierleyi termófila-acidófila Fe(II), oxidación de azufre, calcopirita y molibdenita Sulfolobus acidocaldarius termófila-acidófila oxidación de hierro y azufre Sulfolobus Cadena BC termófila-acidófila oxidación de Fe(II), azufre y sulfuros metálicos