Concentración de Minerales: Técnicas y Procesos

Concentración de Minerales

Introducción

La concentración de minerales es una operación que consiste en separar el material útil con el fin de tener un producto de mayor ley, libre de impurezas y gangas. Es una operación de tipo físico y no químico, es decir, "no sufre cambios en su estructura química". El producto que cumple con las restricciones técnicas y económicas se le denomina "concentrado", mientras que el material inerte "ganga" se le denomina "cola o relave". Cabe mencionar que si el material de alimentación contiene dos o más especies que sean útiles pueden obtenerse los correspondientes concentrados.

Propiedades Utilizadas en la Concentración de Minerales

La concentración de minerales se basa en la explotación de diferentes propiedades físicas de los minerales. Algunos ejemplos son:

• Color: Origina la "concentración manual".
• Densidad: Origina la "concentración gravitacional".
• Susceptibilidad magnética: Origina la "concentración magnética".
• Propiedades eléctricas: Origina la "concentración electrostática".
  • Las partículas se someten a la acción de un campo eléctrico y se separan según su carga superficial.
  • Ejemplos: Ilmenita – arena de playa, Zirconio – arena de playa, Halita, Silvita.
• Hidrofobicidad: Da origen a la "flotación de minerales".
  • Se utiliza extensamente en la concentración de minerales "base", cobre, plomo, zinc, etc.

Variables de Rendimiento

Variables de Extensión:

• Recuperación (R1)
• Razón de enriquecimiento (R2)

Variables de Calidad:

• Ley del concentrado (R3)
• Contenido de impurezas
• Razón de concentración
• Índice de selectividad

Tipos de Operaciones en un Circuito de Concentración

En cualquier circuito de concentración se pueden distinguir equipos que cumplen diferentes funciones:

• Operación Primaria (Rougher)
• Operación Limpieza (Cleaner)
• Operación Barrido (Scavenger)

Operación Primaria (Rougher)

• Reciben como alimentación mineral fresco.
• Su objetivo operacional es maximizar la recuperación con valores de leyes o calidad del concentrado "razonables".

Concentración de Limpieza (Cleaner)

• Se alimentan con concentrado proveniente de otra operación, que puede ser de operación primaria, barrido u otra limpieza.
• En un sistema pueden existir varias operaciones de limpieza.
• Su objetivo operacional es maximizar la calidad del concentrado con valores razonables de recuperación.
• Normalmente la limpieza está precedida de una operación de remolienda del concentrado.

Operación de Barrido (Scavenger)

• Tratan las colas provenientes de alguna otra operación (rougher/scavenger); (cleaner/scavenger).
• Su objetivo operacional es maximizar la recuperación con valores de calidad de concentrado razonables.
• El concentrado obtenido se incorpora a circuitos de limpieza, previa remolienda cuando es necesario.

Flotación de Minerales

Definición

La flotación de minerales es un proceso de separación de materias de distintas características (distinto origen). Esto se realiza desde pulpas acuosas mediante burbujas de aire, aprovechando las propiedades hidrofóbicas e hidrofílicas de los minerales. Las partículas hidrofóbicas chocarán y se unirán a las burbujas provocando la unión partícula-burbuja de aire, lo cual provoca la flotación del mineral.

Campo de Aplicación

La flotación puede aplicarse a materiales precipitados, sales, iones, minerales, líquidos orgánicos y microrganismos.

Reactivos Utilizados en la Flotación de Minerales

Colectores

Los colectores tienen la propiedad de inducir la hidrofobicidad sobre superficies que son hidrofílicas. Se activan de manera selectiva en la superficie del mineral de interés, sin producir cambios en los demás.

Espumantes

Los espumantes son los reactivos utilizados para generar espuma "mineralizada", la cual permite evacuar desde la misma celda al material en suspensión. La espuma debe tener una altura y volumen deseado, así como una consistencia que permita drenar las colas por arrastre.

Modificadores

Los modificadores son agentes que realizan cambios a las características de la pulpa para facilitar el trabajo a los colectores.

• Activantes: Preparan la superficie del mineral para que los colectores actúen sobre ella, haciendo que las partículas hidrofílicas se conviertan en hidrofóbicas y realicen la flotación.
• Modificadores de pH: Se usan para el control de la concentración de pulpas.
• Depresores: Se usan para realizar flotabilidad selectiva, impidiendo que partículas no deseadas floten.

Punto Cero de Carga (ZPC)

Definición

El Punto Cero de Carga (ZPC) es el punto de energía del potencial Z donde, al pasar por algún valor del pH, se hace cero. Al saber cuándo aparece el ZPC se sabe que no existe adsorción de naturaleza electrostática, lo que impide la unión de partículas a burbujas de aire por fuerzas electrostáticas. Los reactivos que se adsorben en esas condiciones, lo hacen por interacciones específicas. En el caso que exista interacción física los colectores aniónicos se adsorberán a valores de pH menores al ZPC y los colectores catiónicos a valores superiores.

Aplicación en la Separación de Minerales No-Sulfurados

El ZPC se utiliza para predecir la separación de minerales no-sulfurados, ya que permite determinar el pH óptimo para la adsorción de colectores específicos en la superficie del mineral de interés.

Teoría del Potencial de Mezcla y el Papel del Sulfhidrato de Sodio (NaSH)

Teoría Electroquímica (Potencial de Mezcla)

El sulfhidrato de sodio (NaSH) se oxida sobre la superficie del mineral, generando en el medio condiciones reductoras que inhiben la formación de xantógeno y/o xantato metálico. Con minerales sulfurados modifica las propiedades de flotación y en medios aireados tiende a formar SxOy2- disminuyendo su concentración, entonces el potencial REDOX de la pulpa aumenta y el mineral recupera su flotabilidad. Es por esto que en operaciones industriales se controla su potencial REDOX y en ocasiones se usa nitrógeno como gas de flotación si las condiciones lo permiten.

Celdas de Flotación de Columna

Descripción

Las celdas de flotación de columna son de fondo cónico. En ellas se alimenta pulpa por la parte superior y se dispersa un flujo de aire por la parte inferior. Como consecuencia de esto ocurre sedimentación de las partículas en la "zona de colección", las que colisionan con las burbujas de aire que fluyen hacia arriba. Las partículas hidrofóbicas se adhieren a las burbujas levitando hacia la zona de espuma y las partículas hidrofílicas son descargadas por la parte inferior. En la zona de espumas el mineral es arrastrado por las aguas de flotación y mejorado por una lluvia de lavado, así la operación siempre registra un desbalance positivo de agua.

Diferencias con las Celdas de Flotación Mecánicas

• La columna no posee dispositivos mecánicos.
• El aire se agrega y utiliza únicamente en la generación de burbujas.
• La limpieza de la espuma se logra mediante el agua de lavado.
• En todo momento las partículas se encuentran sedimentando.
• En la pulpa existe una baja turbulencia minimizando los arrastres mecánicos.

Razón de Enriquecimiento e Índice de Selectividad

Razón de Enriquecimiento

Se define por la siguiente expresión:

Razón de enriquecimiento = Ley de concentrado / Ley de alimentación

Esta variable se utiliza especialmente en operaciones de pre concentración, en ese caso las leyes de alimentación son bajas y el producto que se obtiene, a menudo, no satisface los estándares de calidad y debe de ser procesado por algún otro método de concentración.

Índice de Selectividad

Otra variable, de utilidad en operaciones de purificación, es el denominado Índice de selectividad. Este busca medir la eficiencia para separar dos especies mineralógicas, puede definirse de varias formas dependiendo del problema en particular, una definición bastante utilizada es la siguiente:

(CA/CB) / (tA/tB)

donde CA y CB, son las leyes respectivas de los componentes A y B en el concentrado; y tA y tB las leyes respectivas de los componentes A y B en la cola.

Circuitos de Procesamiento

Etapa Primaria (Rougher)

En ella se alimenta el mineral proveniente del yacimiento después de haber sido reducido a un tamaño adecuado. Su objetivo es el de optimizar la recuperación manteniendo la calidad del producto en valores convenientes, esta última variable se podrá mejorar en las etapas siguientes.

Etapa de Limpieza (Cleaner)

En ella se alimenta concentrado proveniente de una etapa Primaria o una de Barrido. El objetivo principal es optimizar la calidad del producto, para lo cual se debe aumentar la composición del concentrado o eliminar alguna impureza indeseable. Dependiendo de las normas de calidad del producto a obtener, en un circuito de concentración pueden existir varias etapas de limpieza. Estas pueden articularse entre sí de diferentes formas, por ejemplo en el caso de purificación de concentrados uno de los patrones de flujo utilizado es el de una cascada en contracorriente. Otro tipo de operación de limpieza frecuente es la denominada Re-Limpieza (Re-Cleaner), la que está precedida de una operación de remolienda que busca aumentar el grado de liberación de la especie útil.

Etapa de Barrido (Scavenger)

En ella se alimentan colas provenientes de la etapa primaria o bien de alguna etapa de limpieza. El objetivo es optimizar la recuperación manteniendo niveles convenientes de calidad del producto, este último se trata en nuevas operaciones de limpieza. En un circuito pueden existir varias etapas de barrido dependiendo del tipo de alimentación que tengan, por ejemplo si se procesan colas provenientes de una etapa de limpieza esta etapa se indica como Barrido/Limpieza o Cleaner/Scavenger.

Balance de Materiales en Plantas de Procesamiento de Minerales

Uno de los aspectos de importancia en el control, evaluación y análisis de plantas de procesamiento de minerales es el referido al balance de materiales. Permite:

• Determinar los consumos específicos de los distintos insumos que participan en el proceso.
• Determinar los inventarios específicos y globales.
• Cuantificar los índices operacionales de rendimiento.
• Detectar las pérdidas de material.
• Estimar la cantidad de reactivos que se debe agregar en puntos intermedios.

Para lo anterior, y como una tarea rutinaria, se toman muestras de los diferentes flujos involucrados y con dicha información se establecen los balances de masa correspondientes. Sin embargo, las mediciones que se obtienen desde un muestreo contienen errores aleatorios y, al resolver los balances, se generan, inevitablemente, algunas inconsistencias que pueden distorsionar la evaluación que se haga de la marcha operacional de la empresa o de alguna de sus secciones y equipos en particular.

Concepto de Nodos y de Corrientes

Para una adecuada representación del problema de ajuste de balances másicos es conveniente representar a los circuitos como una red de nodos interconectados a través de corrientes de material. Estos nodos corresponden a una ubicación específica dentro del circuito, como ser un pozo de traspaso o una celda de flotación, y en ellos pueden establecerse balances del siguiente tipo:

ACUMULACION = ENTRADAS - SALIDAS

Se denomina a los nodos como "nodos simples" cuando en ellos participan sólo tres corrientes, dos de entrada o bien dos de salida. De acuerdo a su función los nodos simples pueden diferenciarse en Uniones y Separadores. En el caso de nodos complejos, en los que participan más de dos corrientes en la salida o en la entrada, estos pueden representarse mediante una cascada constituida por (n-1) nodos simples, donde n es el número de corrientes mayores que dos en la entrada o la salida del nodo.

Estimación de Factores de Peso

El factor de peso determina la influencia que tendrá el valor medido sobre el ajuste que se realiza. Si la medición tiene una gran variabilidad será conveniente utilizar un factor de peso pequeño, a fin que el dato utilizado influya poco en el resultado final, por otra parte, si la medición es muy confiable el factor de peso a utilizar debiera ser elevado. Si se conoce un conjunto de valores del componente i medidos en el flujo k, los factores de peso se calculan utilizando el recíproco de la varianza mediante la relación:

wk,i = 1 / σk,i²

pero en muchos casos puede que la información estadística no esté disponible o que simplemente ella no exista, sobre todo si no es una información de uso corriente y se ha obtenido desde una campaña especial y realizada solamente con el propósito de establecer un balance. En esos casos es conveniente hacer una estimación de las fuentes de variación, para ello deben aplicarse distintos criterios los que a menudo no son lo suficientemente objetivos y son fuertemente dependientes de la experiencia de quien realiza el balance.