Procesamento de minerais

En metalurxia extractiva, o procesamento de minerais ou enxeñaría de minerais, é o proceso de separar os minerais comercialmente valiosos das súas menas.

Un método de trituración de minerais.

Historia

Antiga roda de muíño de tipo batán en Cornualla para machucar minerais.

Antes de que se empezase a utiliza r a maquinaria pesada a mena rompíase con martelos usados a man. Axiña empezarían a usarse medios mecánicos; por exemplo, en Samrcanda utilizábanse para isto unha especie de muíños de batán xa no ano 973. Tamén se utilizaban na Persia medieval e no século XI estaban estendidos por todo o mundo islámico, desde Al-Andalus a Asia Central. Un exemplo posterior son os de Cornualla que se ven na foto, que consistían nunha serie de mazas de ferro montadas sobre un marco vertical, que eran elevados por levas do eixe dunha roda de muíño de río, que caían por gravidade e batían no mineral.

Este simple método de separar a mena da ganga consistía en separar e recoller os cristais de cada unha delas. Este é un proceso moi tedioso, especialmente cando as partículas son pequenas. Outro método comparativamente simple baséase en que os minerais teñen diferentes densidades, o que fai que se recollan en diferentes sitios ao seren arrastrados por unha corrente de auga: os minerais metálicos, como son máis pesados, sairán da suspensión antes que os máis lixeiros, que serán levados máis lonxe pola corrente. Este proceso utilizouse, por exemplo, nas explotacións de ouro. Posteriormente, inventáronse máquinas máis avanzadas como a Frue vanner, inventada en 1874, na que o mineral pasaba por unha cinta na que se facía pasar por chorros de auga e se daban sacudidas laterais, que separaban os minerais pesados. A este seguiron outras melloras como unha especie de artesa utilizada con algunhas máquinas para procesar minerais ou tubos longos utilizados para a sedimentación diferencial.

Operacións

No procesamento de minerais realízanse catro tipos de operacións: trituración (redúcese o tamaño das partículas); separación por tamaños (separación por tamaños por cribado ou clasificación); concentración (na que se aproveitan as propiedades físicas ou químicas do mineral); e eliminación da auga (separación dos sólidos dos líquidos). En todos estes procesos, as consideracións máis importantes son as económicas e isto depende da concentración e recuperación do produto final. Debe considerarse a mineraloxía da mena, xa que esta dita a cantidade de liberación requirida e os procesos que poden ter lugar. Canto máis pequenas son as partículas, maior é a concentración e recuperación teórica do produto final, pero isto xeralmente é difícil de facer con partículas finas, xa que impiden certos procesos de concentración.

Trituración

Na trituración redúcese o tamaño das partículas dos materiais. Pode levarse a cabo con materiais secos ou lodos. Os principais procesos son o machucamento e o moído. O machucamento faise normalmente a medida que o material se extrae da mina antes de ningún outro tratamento, mentres que o moído (normalmente precedido do machucamento) pode facerse con materiais secos ou lodos. A redución do tamaño das partículas débese á acción de tres tipos de forzas: compresión, impacto e abrasión. As forzas de compresión e impacto úsanse amplamente nas operacións de machucado, mentres que as de abrasión (ou atrición) son as forzas dominantes ao moer. Os equipamentos principais utilizados no machucamento son machucadores de mandíbula (ver), xiratorios, ou de cono, mentres que os muíños ou trituradoras de rolo ou de bóla, circuítos pechados con unidade clasificadora, son os que xeralmente se empregan para moer minerais. O machucado é un proceso seco mentres que o moído xeralmente se realiza con material húmido e, por tanto, gasta máis enerxía.

Separación por tamaños

Sizer 2000 para o cribado basto de pequenas partículas.

As partículas sepáranse segundo os seus tamaños. O proceso máis simple para facelo é o cribado, na que partículas de pequenos tamaños pasan a través dunha ou varias cribas. O equipamento pode consistir en grellas de barras de ferro que permiten que atravesen as partículas do tamaño correcto, e reteñen as meirandes. cribas de barras, cribas de arame en cuña, cribas radiais, cribas banana, cribas de plataforma múltiple, cribas vibratorias, cribas finas, cribas flip flop e cribas de mallas de arame. As cribas poden ser estáticas (típicas para materiais moi bastos), ou poden incorporar mecanismos para abanear ou facer vibrar a criba. Algunhas consideracións que hai que ter en conta neste proceso son o material da criba, a apertura de malla, forma e orientación, a cantidade de partículas case do tamaño requirido, a adición de auga, a amplitude e frecuencia das vibracións, o ángulo de inclinación, a presenza de materiais perigosos como aceiro ou madeira, e a distribución por tamño das partículas.

A clasificación consiste nas operacións de separación por tamaños que aproveitan as diferenzas nas velocidades de sedimentación das partículas de diferente tamaño. O equipamento de clasificación pode incluír clasificadores de mena, ciclóns de gas, hidrociclóns, tambores rotatorios, clasificadores de angazo ou clasificadores fluidizados.

Un importante factor tanto para a trituración coma para a separación por tamaños é determinar a distribución por tamños das partículas dos materiais que estaban sendo procesados, normalmente chamada análise do tamaño das partículas. Utilízanse moitas técnicas para analizar o tamaño das partículas, como análises "fóra da liña" (na que se extrae unha mostra para analizar) ou "en liña" (na que se anliza o material conforme flúe a través do proceso).

Concentración

Hai varias maneiras de incrementar a concentración dos minerais procurados: nun caso particular o método elixido dependerá das propiedades químicas superficiais e físicas relativas do mineral aproveitable e da ganga. A concentración defínese como o número de moles de soluto nun volume de disolución, pero no caso da concentración no procesamento de minerais significa o incremento da porcentaxe do mineral valioso no concentrado.

Concentración por gravidade

A separación por gravidade é a separación de dous ou máis minerais de diferente gravidade específica polo seu movemento relativo en resposta á forza da gravidade e outras forzas (centrífuga, magnética), un dos cales é resistente ao movemento (forza de arrastre) por un medio viscoso como un medio pesado ou auga.

A separación por gravidade é unha das técnicas máis vellas no procesamento de minerais, pero o seu uso foi declinando desde que se introduciron outros métodos como os de flotación, clasificación, separación magnética e filtrado. A separación por gravidade xa se realizaba no ano 3000 a. C. cando os exipcios a utilizaban para separar o ouro.

É necesario determinar a adecuación do proceso de concentración por gravidade antes de empregalo para a concentración dunha mena. Para este propósito, utilízase comunmente un criterio chamado criterio de concentración. Defínese así:

Criterio de concentración (CC)= (GE de mineral pesado-GE de fluído)÷(GE de mineral lixeiro-GE de fluído), onde GE=gravidade específica

• para CC > 2,5, axeitado para a separación de partículas de máis de 75 microns de tamaño;
• parar 1,75 <CC< 2,5, axeitado para a separación de partículas de máis de 150 microns;
• para 1,50 < CC < 1,75, axeitado para a separación de partículas de máis de 1,7 mm ;
• para 1,25 < CC < 1,50, axeitado para a separación de partículas de máis de 6,35 mm ;
• para CC < 1,25, non axeitado para ningún tamaño.

Hai varios métodos que fan uso das diferenzas de densidade das partículas, como son:

• Separación en medios densos ou pesados (como, bañeiras, tambores, larcodems, separadores de remuíño dyana, e ciclóns de medio denso)
• Mesas de sacudida, como a mesa Wilfley
• Separadores espirais
• Clasificador de refluxo
• Concentradores Jig, que son aparellos de concentración por gravidade de procesamento continuo que usan unha cama fluidizada pulsante. (RMS-Ross Corp. Circular Jig Plants)
• Concentradores de cunca centrífuga, como o concentrador Knelson e o Falcon
• Separadores multigravidade (Concentrador Falcon, Knelson, Mozley (Separador por gravidade potenciado), ciclóns Salter (separadores multigravidade) e a Kelsey Jig)
• Jigs de presión en liña
• Conos de Reichert
• Canais.

Estes procesos poden clasificarse como separación en medio denso ou separación por gravidade. A diferenza entre os dous é que a separación por gravidade non utiliza un medio denso para operar, senón só auga ou aire. A separación en medio denso pode realizarse con diversos medios. Estes inclúen, líquidos orgánicos, solucións acuosas, suspensións en auga e suspensións en aire. Destes, a maioría dos procesos industriais usan suspensións en auga. Os líquidos orgánicos non se usan debido á súa toxicidade e dificultades de manexo. Utilízase unha solución acuosa como medio denso no procesamento do carbón en forma dun lavado belknap, e a suspensión en aire utilízase en áreas escasas de auga, onde se usa a area para separar o carbón da ganga. A separación en medio denso clasifícase tamén como separación por gravidade absoluta, xa que os materiais que van polo fondo e os que flotan viaxan en diferentes direccións. A separación por gravidade tamén se chama separación por gravidade relativa, xa que separa partículas polas súas diferenzas na resposta das partículas á forza impulsora.

Estes procesos poden tamén clasificarse en procesos multi-G e de G única. A diferenza é a magnitude da forza impulsora para a separación. Os procesos multi-G permiten a separación de finas partículas, que poden estar entre 10 e 50 microns. Os procesos de G única só poden procesar partículas que son maiores de 80 microns de diámetro.

Entre os procesos de separación por gravidade, os concentradores espirais e as jigs circulares son dous dos máis económicos debido á súa simplicidade e uso de espazo. Funcionan por separación de película de fluxo e poden usar auga de lavado ou non. As espirais con auga de lavado separan as partículas máis facilmente, pero poden ter problemas co arrastre de ganga co concentrado producido.

Células de flotación en escuma utilizadas para concentrar minerais de sulfuro de cobre e níquel, Falconbridge, Ontario, Canadá.

Flotación en escuma

A flotación en escuma é un importante proceso de concentración. Este proceso pode utilizarse para separar dous tipos de partículas diferentes e funciona pola química de superficie das partículas. En flotación, introdúcense burbullas nunha polpa (lodos minerais) e as burbullas ascenden a través da polpa. No proceso, as partículas hidrofóbicas quedan unidas á superficie das burbullas. A forza da que depende esta unión é o cambio na enerxía libre da superficie cando se produce a unión. Estas burbullas ascenden polos lodos e son recollidas na superficie. Para permitir que se unan as partículas, debe terse en consideración a química da polpa, como o seu pH, Eh e a presenza de reactivos de flotación. O pH é importante, xa que cambia a carga da superficie das partículas, e o Eh afecta á quimiosorción de colectores (uns aditivos) na superficie das partículas.

A adición de reactivos de flotación tamén afecta ao funcionamento do proceso. O composto químico máis importante que se engade é o chamado colector. O colector únese á superficie das partículas, xa que é un surfactante. As principais consideracións a ter en conta nos colectores é a natureza do grupo de cabeza e o tamaño da cadea carbonada. A cola hidrocarbonada debe ser curta para maximizar a selectividade do mineral desexado. Do grupo de cabeza depende a que minerais se adherirá.

Outros importantes compostos engadidos á polpa son os escumadores, que permiten que se formen burbullas estables. Isto é importante, xa que se as burbullas coalescen, os minerais caen da súa superficie. Porén, as burbullas non deberían tampouco ser demasiado estables, xa que iso impide un doado transporte e eliminación da auga do concentrado formado. O mecanismo utilizado por estes escumadores non está completamente esclarecido e segue sendo investigado.

Para separar selectivamente un mineral doutro úsanse depresores e activadores. Os depresores inhiben a flotación dun mineral ou minerais, mentres que os activadores permiten a flotación doutros. Un exemplo de depresor é o CN^-, usado para deprimir a todos os sulfuros agás a galena, que se cre funciona cambiando a solubilaidade dos colectores quimioabsorbidos e fisioabsorbidos aos sulfuros. Un exemplo dun activador é o Cu²⁺, usado para a flotación da esfarelita.

Na flotación de minerais poden utilizarse varias células como as columnas de flotación e as células de flotación mecánica. As columnas de flotación utilízanse para minerais máis finos e tipicamente teñen un grao máis alto e unha menor recuperación dos minerais que as células de flotación mecánica. As células en uso neste momento son grandes e poden exceder os 300 m³. O seu uso faise porque é máis barato por unidade de volume que o uso de células máis pequenas, pero non poden ser controladas tan doadamente coma as células máis pequenas.

Este proceso foi inventado no século XIX en Australia. Utilizábase para recuperar un concentrado de esfarelita dos relaves, que foran producidos usando concentración por gravidade. Posteriores mellores feitas en Australia foron a célula de Jameson, desenvolvida na Universidade de Newcastle, Australia. Este funciona usando un chorro profundo que xera finas burbullas. Estas finas burbullas teñen unha maior enerxía cinética, polo que poden utilizarse para a flotación de minerais finamente granulados, como os producidos polo isamill.

Separación electrostática

Hai dous tipos principais de separadores electrostáticos, que funcionan de xeito similar, pero as forzas aplicadas ás partículas son diferentes e estas forzas son a gravidade e a atracción electrostática. Os dous tipos son os separadores electrodinámicos (ou rolos de alta tensión) e os separadores electrostáticos. Nos rolos de alta tensión, as partículas son cargadas por unha descarga coroa. Isto carga as partículas que despois pasan a un tambor. As partículas conducidas perden a súa carga no tambor e son retiradas do tambor por aceleración centrípeta. Os separadores de placa electrostática funcionan facendo pasar unha corrente de partículas por un ánodo cargado. Os condutores perden electróns na placa e son separados das outras partículas debido á atracción inducida ao ánodo. Estes separadores utilízanse para partículas entre 75 e 250 microns e para que se produza unha separación eficiente, as partículas necesitan ser secadas, teñen unha distribución de tamaños bastante uniforme e son da mesma forma. A máis importante destas consideracións é o contido de auga das partículas, xa que unha capa de humidade sobre as partículas fai que os non condutores se comporten como condutores, porque a capa de auga é condutora.

Os separadores de placa electrostática utilízanse xeralmente en correntes acuosas que teñen pequenos condutores e non condutores bastos. Os rolos de alta tensión utilízanse normalmente en correntes que teñen condutores bastos e non condutores finos.

Estes separadores utilízanse xeralmente para separar areas minerais; por exemplo, utilízanse na planta procesadora CRL de Pinkenba en Brisbane, Queensland, Australia, na cal se separan circonio, rútilo e ilmenita da ganga de sílice.

Separación magnética

A separación magnética é un proceso mediante o cal o material magneticamente susceptible é extraído da mestura utilizando unha forza magnética. Esta técnica de separación pode ser útil na minaría do ferro, xa que é atraída por un imán. Nas minas onde a wolframita está mesturada coa casiterita ou co bismuto, pode utilizarse a separación magnética para separar as menas. Nese tipo de minas utilízase un aparello chamado separador magnético de Wetherill (inventado por John Price Wetherill, 1844–1906). Nesta máquina os minerais brutos, despois da calcinación, pasan a unha cinta móbil que os fai pasar por debaixo de dous pares de electroimáns baixo os cales outras cintas corren en ángulo recto coa cinta de alimentación. O primeiro par de electroimáns está debilmente magnetizado e serve para arrastrar a mena de ferro presente. O segundo par está fortemente magnetizado e atrae a wolframita, que ten un magnetismo feble. Estas máquinas poden tratar 10 toneladas de mena ao día.

Este proceso funciona nun campo magnético. A forza experimentada no campo magnético vén dada pola ecuación f=m/k·H·dh/dx, onde k=susceptibilidade magnética, H=forza do campo magnético, e dh/dx é o gradiente do campo magnético. Como indica a ecuación, a separación pode ser impulsada de dúas maneiras, ou a través dun gradiente nun campo magnético ou pola forza do campo magnético. As diferentes forzas impulsoras utilízanse segundo as diferentes concentracións. Poden realizarse con auga ou en seco. Igual que nas espirais, a auga de lavado axuda á separación das partículas mentres que incrementa o arrastre de ganga no concentrado.

Separación de menas automatizada

A separación automatizada moderna aplícase a sensores ópticos (espectro visible, infravermello próximo, raios X, ultravioleta), que poden acoplarse con sensores de condutividade eléctrica e susceptibilidade magnética, para controlar a separación mecánica de menas en dúas ou máis categorías nunha determinada rocha baseándose na rocha. Tamén se desenvolveron novos sensores que aproveitan as propiedades dos materiais como a condutividade eléctrica, magnetización, estrutura molecular e condutividade térmica. A separación baseada en sensores ten aplicacións no procesamento de níquel, ouro, cobre, carbón e diamantes.

Eliminación da auga

A eliminación da auga é un importante proceso no procesamento de minerais. O propósito da eliminación da auga é retirar a auga absorbida polas partículas que incrementa a densidade da polpa. Isto faise por varias razóns, como son permitir a manipulación das menas e concentrados para que sexan máis facilmente transportados, permitir os procesos posteriores, e retirar a ganga. A auga extraída dunha mena recircula para ser utilizada en operacións da planta despois de ser enviada a unha planta de tratamento de augas. Os principais procesos que se utilizan nesta eliminación da auga son cribas de desaugado, sedimentación, filtrado, e secado térmico. Estes procesos aumentan a súa dificultade e custo a medida que o tamaño das partículas decrece.

As cribas de desaugado operan facendo pasar as partículas por unha criba. As partículas pasan por riba da criba mentres que a auga pasa a través das aberturas da criba. Este proceso só é viable para menas bastas que teñen unha distribución de tamaños bastante uniforme.

A sedimentación funciona facendo pasar auga nun grande espesador ou clarificador. Nestes aparatos, as partículas decántanse dos lodos polos efectos da gravidade ou forzas centrípetas. Está limitado pola química da superficie das partículas e o tamaño das partículas. Para axudar ao proceso de sedimentación, poden engadirse floculantes e coagulantes para reducir as forzas repulsivas entre as partículas. Esta forza repulsiva débese á dobre capa formada na superficie das partículas. Os floculantes funcionan unindo moitas partículas, e os coagulantes funcionan reducindo o grosor da capa cargada no exterior das partículas.

O secado térmico úsase xeralmente para partículas finas e para eliminar contidos pequenos de auga das partículas. Algúns procesos comúns son secadores rotatorios, camas fluidizadas, secadores de spray, secadores de forno e secadores de bandexa rotatoria. Este proceso é xeralmente caro porque os secadores requiren un gasto de fuel.

Outros procesos

Moitas plantas mecánicas incorporan tamén procesos hidrometalúrxicos ou pirometalúrxicos como parte da operación metalúrxica extractiva. A xeometalurxia é unha rama da metalurxia extractiva que combina o procesamento de minerais coas ciencias xeolóxicas.

Varias operacións de manipulación dos materiais auxiliares tamén se consideran parte do procesamento dos minerais, como o almacenamento, transporte, mostraxe, pesado, transporte de lodos, e transporte pneumático.

Unha fase posterior de procesamento pode facerse por medio de biominaría con biorreactores onde se utilizan microorganismos como bacterias oxidantes do xofre termófilas ou arqueas termoacidófilas para extraer ouro, cobalto ou outrros metais pesados de menas que conteñen sulfuros ou ferro ou de concentrados de minerais. Os sulfuros solubles pasan a sulfatos solubles que se poden recoller da solución, ou o ouro ocluído na estrutura dos minerais queda libre.

Notas

• Dobby, G.S., e Finch, J.A., 1991, Column Flotation: A Selected Review, Part II, 4(7-11) 911-923
• Finch, J.A., 1995, Column Flotation: A Selected Review-Part IV: Novel Flotation Devices, Minerals Engineering, 8(6), 587-602
• Miettinen, T, Ralston, J., e Fornasiero, D., The Limits of Fine Particle Flotation, Minerals Engineering, 23, 420-437 (2010)
• Nguyen, A.V., Ralston, J., Schulze, H.S., 1988, On modelling of bubble–particle attachment probability in flotation, Int. J. Min. Proc., 53(4) 225-249
• Probstein, R. F. (2003) Physicochemical Hydrodynamics: An introduction, Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons, Inc., 141-142.
• Ralston, J. Fornasiero, D., Hayes, R., 1999, Bubble Particle Attachment and Detachment in Flotation, Int. J. Min. Proc., 56(1-4) 133-164
• J. Day & R. F. Tylecote, Metals in the Industrial Revolution (Institute of Metals, Londres, 1991).