Hidrometalurgia: la contribución y los retos que presenta para la industria minera

El proceso de hidrometalurgia es una vía esencial para el procesamiento de los minerales oxidados de cobre, de manera que juega un rol clave en el desarrollo de la industria de este metal. Desde esa base,  en MINERÍA CHILENA nos contactamos con el ingeniero civil químico y académico del Departamento de Ingeniería de Minas de la Universidad de Chile, Gonzalo Montes, para ahondar sobre la contribución y los retos que implica este proceso en el sector minero.

A su juicio, «si bien en la teoría puede ser considerada perfecta, en la práctica las operaciones industriales poseen ineficiencias de carácter físico y/o químico, las cuales, en la medida que se van identificando, son abordadas para lograr oportunidades de mejora».

El académico identifica que este proceso pasa por una serie de desafíos, uno de ellos “asociado al acondicionamiento de productos provenientes de otras operaciones, por ejemplo, de flotación de minerales, donde se desea selectivamente remover elementos químicos que disminuyen la ley de concentrado”.

Por otro lado,  y como parte de su explicación, se refiere a que el proceso está en constante adquisición de innovaciones y tecnologías para mejorar, precisando que «Ã©stas involucran desde mejoras en cada una de las operaciones hasta la obtención de un mejor entendimiento de los fenómenos físicos y químicos involucrados».

¿Cuál es el aporte de la hidrometalurgia al desarrollo de la industria del cobre?

Es enorme. Más allá de un contexto histórico relacionado con proveer a la industria minera con una alternativa a los también ya conocidos procesos pirometalúrgicos, la hidrometalurgia ha evolucionado hacia un área del conocimiento multipropósito. En efecto, la hidrometalurgia es probablemente una de las ramas más flexibles dentro de la metalurgia extractiva. Incorpora un número importante de subprocesos fundamentales que pueden ser implementados en un amplio rango de condiciones de presión y temperatura, tales como disolución de minerales, purificación y concentración de especies iónicas, precipitación, entre otros; los cuales luego se observan en operaciones tales como lixiviación, extracción con disolventes, cristalización, sistemas de tratamiento de residuos líquidos, etc.

A lo anterior se puede añadir el proceso de electrodeposición metálica, en muchas ocasiones anexadas a la hidrometalurgia involucrando también procesos como cementación de metales, entre otros. Ahora bien, la hidrometalurgia del cobre es también conocida como la “máquina perfecta”, pues intenta en todo momento reutilizar corrientes de agua y otros líquidos optimizando el uso de reactivos y, notablemente, el recurso hídrico.

No obstante, no se trata, en la práctica, de una máquina perfecta pues cada una de las operaciones industriales mencionadas poseen ineficiencias de carácter físico y/o químico, las cuales, en la medida que se van identificando son abordadas en plantas industriales, centros de investigación y universidades de modo de identificar de la forma más integral posible oportunidades de mejora.

¿Qué desafíos implica este proceso para la minería? ¿Existe complejidad técnica?

Existen múltiples desafíos en el área de la hidrometalurgia. No habría suficiente espacio como para enumerarlos todos, por lo que sólo se indicarán un par de ellos. Un desafío aún no resuelto involucra la lixiviación de sulfuros primarios de cobre de baja ley. La lixiviación ácida en medio aireado comúnmente involucra la oxidación de la superficie de sulfuros con la generación de mediadores que inhiben pasos subsiguientes de proceso. Uno de los mediadores ha sido identificado como azufre elemental.

Este azufre elemental tiene solubilidades del orden de 1 ng/L. Lo anterior hace que estas capas superficiales formadas sobre las partículas conteniendo sulfuros sean estables, evitando que capas más internas de dichas partículas sean adecuadamente disueltas. Similar situación ocurriría en el caso de que otros inhibidores sean formados. La identificación y medición del espesor de dichos inhibidores de reacción de disolución es en la actualidad un tema de controversia. Aún más, los balances de masa para trazas o muy bajas concentraciones no es una tarea sencilla pensando en que el muestreo y cada una de las técnicas analíticas utilizadas ya tienen una incerteza. 

Otro desafío está asociado al acondicionamiento de productos provenientes de otras operaciones, por ejemplo, de flotación de minerales, donde se desea selectivamente remover elementos químicos que disminuyen la ley de concentrado. Un ejemplo clásico es el concentrado de molibdeno, subproducto de la industria del cobre. Existen impurezas que son relativamente fáciles de remover como son los sulfuros de cobre. La alta liberación de estos minerales y el uso de reactores con leves cambios de temperatura y presión con respecto a las condiciones ambientales, permiten lixiviar estos minerales de cobre sulfurados. Otras impurezas tales como anhidrita también han sido, aunque no sin alguna dificultad, también removidas.

Sin embargo, los procesos de remoción de minerales sulfurados de arsénico aún no han sido completamente estandarizados existiendo opciones de proceso en medio ácido y alcalino.  Finalmente, otro desafío siempre será el modelamiento matemático de procesos hidrometalúrgicos. Mucho se ha estudiado en este sentido, pero las capacidades predictivas de estos modelos son aún tema de discusión. En cualquier caso, para la industria minera, un buen modelo matemático nunca será más relevante que el proceso real y su eficiencia.

¿Qué innovaciones han surgido al respecto?

Son muchas las innovaciones presentadas por diferentes autores tales como lixiviación clorurada, biolixiviación, diseño de extractantes con alta resistencia a la presencia de nitratos, estrategias de lixiviación de arsénico desde concentrados de cobre y estabilización de arsénico por precipitación u otro, diferentes diseños de reactores de lixiviación para diferentes aplicaciones, mejoras en sistemas de goteo y aspersores en lixiviación, uso de aditivos en electrodeposición de cobre, posicionadores de electrodos en celdas electrometalúrgicas, sistemas para inhibir la formación de niebla ácida, etc.

El nivel de innovación es alto, pero no toda innovación se ha traducido en una práctica industrial. Prácticamente todo proceso nuevo asociado a generar mejoras en hidrometalurgia ha sido patentado pensando en el gran impacto que podría tener en una industria tan masiva en el uso de materiales.  Sin embargo, la estandarización es un problema por resolver. Es frecuentemente escuchado entre profesionales de la industria que la solución a un problema en una faena puede no ser solución en la faena vecina.

Son muchos los parámetros que pueden ser esgrimidos para justificar la frase anterior. De todas, una frase considerada acertada es aquella que dice relación con cambios, cualesquiera que estos sean, en el mineral de alimentación. Desde un punto de la hidrometalurgia, el argumento es análogo pero referido a la calidad de agua utilizada. Diferentes minerales en contacto con una solución acuosa producirán cambios en la especiación química de las especies disueltas y eventual formación de sólidos suspendidos.

Lo anterior puede no afectar en forma significativa la eficiencia de algún proceso cuando se trata de iones/material particulado no interactuante con los iones y especies químicas relevantes en dicho proceso; pero también puede darse el caso donde la aparición de una traza de algún elemento dificulte enormemente la eficiencia de algún proceso aguas abajo. 

¿Cuáles son las perspectivas para esta línea de producción?

Perspectivas futuras en hidrometalurgia son tan amplias como el subproceso para el metal específico que se desee desarrollar. Estas involucran desde mejoras en cada una de las operaciones hasta la obtención de un mejor entendimiento de los fenómenos físicos y químicos involucrados. En lo siguiente se resumen algunos, sin embargo, esto no puede ser considerado como un listado riguroso y completo del tema. Un aspecto que es interesante de abordar tiene que ver con el estudio de reacciones heterogéneas.

Por ejemplo, la lixiviación de minerales sulfurados de notablemente los sulfuros primarios, aún representan un desafío. Estudios indican que en condiciones ambientales de temperatura y presión la lixiviación ácida generaría una estructura de azufre elemental lo cual está confirmado por la termodinámica, sin embargo, aspectos cinéticos aún no son comprendidos en su totalidad. Por ejemplo, el espesor, la permeabilidad y no-estequiometría de esa estructura, han sido parámetros complejos de identificar y medir. De hecho, los mecanismos químicos y electroquímicos asociados a los diferentes mediadores formados durante el proceso de lixiviación no han sido completamente dilucidados.

Desde una perspectiva de la especiación química del seno de las soluciones acuosas utilizadas se ha avanzado mucho, sin embargo, es fácil utilizar modelos que permiten comprender la concentración de la gran mayoría de los iones presentes en solución así como la eventual formación de especies sólidas, usando ecuaciones clásicas de Meissner, Pitzer, u otra; pero las condiciones acuosas que se utilizan en muchos procesos requieren de modelos semi-empíricos y empíricos de mayor número de parámetros, los cuales no son fáciles de encontrar en la literatura disponible. Y aún más, teniendo estas dificultades para comprender correctamente la especiación acuosa, el entendimiento de la especiación interfacial es aún más compleja de evaluar especialmente considerando que existen muchos casos, notablemente aquellos relacionados con minerales sulfurados, inestables en medios acuosos aireados, cuyas reacciones químicas y electroquímicas son complejas de identificar y cuantificar.

Es entendible, en este contexto, como la ciencia de los materiales ha tomado relevancia e interés en el área. De esta forma, comúnmente se parametrizan eficiencias de diferentes procesos considerando solamente parámetros de calidad de agua medidos en el seno de las soluciones acuosas, pero, en muchos casos, esta estrategia solo lleva a la realización de pruebas de ensayo y error.

Finalmente, un aspecto que habitualmente no es considerado es que la hidrometalurgia es comúnmente no considerada en procesos de concentración de minerales que involucran el uso de agua. Si bien los textos de estudio separan estos dos ámbitos, desafortunadamente la realidad no los separa de igual manera. No es un desafío fácil pero la industria minera chilena tiene ya una madurez suficiente como para recoger el sombrero y no solo pasarlo a otros actores.