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metalurgia extractiva

La metalurgia extractiva es una rama de la ingeniería metalúrgica que estudia los procesos y métodos de extracción de metales de sus depósitos minerales naturales . Este campo e...

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La metalurgia extractiva es una rama de la ingeniería metalúrgica que estudia los procesos y métodos de extracción de metales de sus depósitos minerales naturales . Este campo es una ciencia de los materiales que abarca todos los aspectos de los tipos de mineral, el lavado, la concentración, la separación, los procesos químicos y la extracción de metal puro y sus aleaciones para diversas aplicaciones, a veces para su uso directo como producto terminado, pero más a menudo en una forma que requiere un procesamiento adicional para lograr las propiedades deseadas para dichas aplicaciones. [ 1 ]

El campo de la metalurgia extractiva ferrosa y no ferrosa cuenta con especialidades que, en general, se agrupan en las categorías de procesamiento de minerales , hidrometalurgia , pirometalurgia y electrometalurgia , según el proceso empleado para extraer el metal. Se utilizan diversos procesos para la extracción de un mismo metal, dependiendo de su yacimiento y de los requisitos químicos. La metalurgia extractiva en el contexto de la extracción de recursos espaciales se denomina astrometalurgia .

Procesamiento de minerales

El procesamiento de minerales comienza con el beneficio , que consiste en triturar el mineral hasta obtener los tamaños requeridos según el proceso de concentración que se vaya a seguir, mediante molienda, trituración, tamizado, etc. Posteriormente, el mineral se separa físicamente de cualquier impureza no deseada, según su forma de presentación o el proceso posterior. Los procesos de separación aprovechan las propiedades físicas de los materiales. Estas propiedades físicas pueden incluir la densidad, el tamaño y la forma de las partículas, las propiedades eléctricas y magnéticas, y las propiedades superficiales. Los principales métodos físicos y químicos incluyen la separación gravitacional o magnética, la flotación por espuma, etc., mediante las cuales se eliminan las impurezas y los materiales no deseados del mineral y se concentra el mineral base del metal, lo que significa que aumenta el porcentaje de metal en el mineral. Este concentrado se procesa para eliminar la humedad o bien se utiliza tal cual para la extracción del metal, o bien se le da forma y tamaño para facilitar su posterior procesamiento.

Los yacimientos minerales suelen contener más de un metal valioso. Los residuos de un proceso anterior pueden utilizarse como materia prima en otro proceso para extraer un producto secundario del mineral original. Asimismo, un concentrado puede contener más de un metal valioso. Dicho concentrado se procesaría para separar los metales valiosos en sus componentes individuales.

Hidrometalurgia

La hidrometalurgia se ocupa de los procesos que utilizan soluciones acuosas para extraer metales de los minerales. El primer paso en el proceso hidrometalúrgico es la lixiviación , que consiste en la disolución de los metales valiosos en una solución acuosa o un disolvente adecuado. Una vez separada la solución de los sólidos del mineral, el extracto suele someterse a diversos procesos de purificación y concentración antes de recuperar el metal valioso, ya sea en estado metálico o como compuesto químico. Esto puede incluir precipitación , destilación , adsorción y extracción con disolventes . El paso final de recuperación puede implicar precipitación, cementación o un proceso electrometalúrgico. En ocasiones, los procesos hidrometalúrgicos pueden llevarse a cabo directamente sobre el material mineral sin ningún pretratamiento. Con mayor frecuencia, el mineral debe ser pretratado mediante diversos procesos de tratamiento mineral y, a veces, mediante procesos pirometalúrgicos. [ 2 ]

Pirometalurgia

Diagrama de Ellingham para la oxidación a alta temperatura

La pirometalurgia implica procesos de alta temperatura donde tienen lugar reacciones químicas entre gases, sólidos y materiales fundidos. Los sólidos que contienen metales valiosos se tratan para formar compuestos intermedios para su posterior procesamiento o se convierten a su estado elemental o metálico. [ 3 ] Los procesos pirometalúrgicos que involucran gases y sólidos se caracterizan por las operaciones de calcinación y tostación . Los procesos que producen productos fundidos se denominan colectivamente operaciones de fundición . [ 4 ] La energía requerida para mantener los procesos pirometalúrgicos de alta temperatura puede derivarse de la naturaleza exotérmica de las reacciones químicas que tienen lugar. Típicamente, estas reacciones son de oxidación, por ejemplo, de sulfuro a dióxido de azufre . Sin embargo, a menudo se debe agregar energía al proceso mediante la combustión de combustible o, en el caso de algunos procesos de fundición, mediante la aplicación directa de energía eléctrica.

Los diagramas de Ellingham son una forma útil de analizar las posibles reacciones y, por lo tanto, de predecir su resultado.

Electrometalurgia

La electrometalurgia comprende procesos metalúrgicos que tienen lugar en algún tipo de celda electrolítica . Los tipos más comunes de procesos electrometalúrgicos son la electroobtención y la electrorefinación . [ 5 ] La electroobtención es un proceso de electrólisis que se utiliza para recuperar metales en solución acuosa, generalmente como resultado de un mineral que ha sido sometido a uno o más procesos hidrometalúrgicos. El metal de interés se deposita en el cátodo, mientras que el ánodo es un conductor eléctrico inerte. La electrorefinación se utiliza para disolver un ánodo metálico impuro (típicamente de un proceso de fundición) y producir un cátodo de alta pureza. La electrólisis de sales fundidas es otro proceso electrometalúrgico en el que el metal valioso se ha disuelto en una sal fundida que actúa como electrolito, y el metal valioso se acumula en el cátodo de la celda. El proceso de electrólisis de sales fundidas se lleva a cabo a temperaturas suficientes para mantener tanto el electrolito como el metal que se produce en estado fundido. El ámbito de la electrometalurgia se solapa significativamente con el de la hidrometalurgia y (en el caso de la electrólisis de sales fundidas) la pirometalurgia. Además, los fenómenos electroquímicos desempeñan un papel importante en numerosos procesos de procesamiento de minerales e hidrometalúrgicos.

Ionometalurgia

El procesamiento de minerales y la extracción de metales son procesos que consumen mucha energía y generan grandes volúmenes de residuos sólidos y aguas residuales, cuyo tratamiento y eliminación también requieren energía. Además, a medida que aumenta la demanda de metales, la industria metalúrgica debe recurrir a fuentes de materiales con menor contenido metálico, tanto primarias (por ejemplo, menas) como secundarias (por ejemplo, escorias, relaves y residuos municipales). En consecuencia, las actividades mineras y el reciclaje de residuos deben evolucionar hacia el desarrollo de rutas de procesamiento de minerales y metales más selectivas, eficientes y respetuosas con el medio ambiente.

Las operaciones de procesamiento de minerales son necesarias en primer lugar para concentrar las fases minerales de interés y desechar el material no deseado asociado física o químicamente a una materia prima definida. Sin embargo, el proceso requiere aproximadamente 30 GJ/tonelada de metal, lo que representa alrededor del 29% de la energía total gastada en minería en los EE. UU. [ 6 ] Mientras tanto, la pirometalurgia es un importante productor de emisiones de gases de efecto invernadero y polvo de combustión nocivo. La hidrometalurgia implica el consumo de grandes volúmenes de lixiviantes como H₂SO₄ , HCl , KCN, NaCN que tienen poca selectividad. [ 7 ] Además, a pesar de la preocupación ambiental y la restricción de uso impuesta por algunos países, la cianuración todavía se considera la principal tecnología de proceso para recuperar oro de los minerales. El mercurio también es utilizado por mineros artesanales en países económicamente menos desarrollados para concentrar oro y plata de los minerales, a pesar de su evidente toxicidad. La biohidrometalurgia utiliza organismos vivos, como bacterias y hongos, y aunque este método solo requiere el aporte de O₂ y CO₂ de la atmósfera, exige bajas proporciones de sólido a líquido y largos tiempos de contacto, lo que reduce significativamente los rendimientos espacio-temporales .

La ionometalurgia emplea disolventes iónicos no acuosos, como líquidos iónicos (LI) y disolventes eutécticos profundos (DES), lo que permite desarrollar diagramas de flujo de circuito cerrado para la recuperación eficaz de metales, por ejemplo, mediante la integración de las operaciones metalúrgicas de lixiviación y electroobtención. Permite procesar metales a temperaturas moderadas en un entorno no acuoso, lo que posibilita el control de la especiación metálica, tolera impurezas y, al mismo tiempo, presenta solubilidades y eficiencias de corriente adecuadas. Esto simplifica las rutas de procesamiento convencionales y permite una reducción sustancial del tamaño de una planta de procesamiento de metales.

Extracción de metales con fluidos iónicos

Los DES son fluidos generalmente compuestos por dos o tres componentes baratos y seguros que pueden autoasociarse, a menudo mediante interacciones de enlaces de hidrógeno, para formar mezclas eutécticas con un punto de fusión inferior al de cada componente individual. Los DES suelen ser líquidos a temperaturas inferiores a 100  °C y presentan propiedades fisicoquímicas similares a las de los IL tradicionales , siendo a la vez mucho más baratos y respetuosos con el medio ambiente. La mayoría son mezclas de cloruro de colina (ChCl) y un donador de enlaces de hidrógeno (p. ej., urea, etilenglicol, ácido malónico ) o mezclas de cloruro de colina con una sal metálica hidratada. Otras sales de colina (p. ej., acetato, citrato, nitrato) tienen costes mucho mayores o deben sintetizarse [ 8 ] , y los DES formulados a partir de estos aniones suelen ser mucho más viscosos y pueden tener conductividades más altas que los del cloruro de colina [ 9 ] . Esto da como resultado tasas de deposición más bajas y un menor poder de recubrimiento, y por esta razón, los sistemas DES basados ​​en cloruro siguen siendo los preferidos. Por ejemplo, Reline (una mezcla 1:2 de cloruro de colina y urea ) se ha utilizado para recuperar selectivamente Zn y Pb de una matriz de óxido metálico mixto. [ 10 ] De manera similar, Ethaline (una mezcla 1:2 de cloruro de colina y etilenglicol ) facilita la disolución de metales en el electropulido de aceros. [ 11 ] Los DES también han demostrado resultados prometedores para recuperar metales de mezclas complejas como Cu/Zn y Ga/As, [ 12 ] y metales preciosos de minerales. [ 13 ] También se ha demostrado que los metales pueden recuperarse de mezclas complejas mediante electrocatálisis utilizando una combinación de DES como lixiviantes y un agente oxidante, [ 14 ] mientras que los iones metálicos pueden separarse simultáneamente de la solución mediante electroobtención. [ 15 ]

Recuperación de metales preciosos mediante ionometalurgia

Los metales preciosos son elementos químicos metálicos raros, presentes en la naturaleza y de alto valor económico. Químicamente, tienden a ser menos reactivos que la mayoría de los elementos. Entre ellos se incluyen el oro y la plata, así como los metales del grupo del platino: rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio y platino (véase metales preciosos). La extracción de estos metales de sus minerales correspondientes suele requerir pirometalurgia (p. ej., tostación), hidrometalurgia (cianuración) o ambas como métodos de procesamiento. Estudios previos han demostrado que la velocidad de disolución del oro en Ethaline es muy superior a la del método de cianuración, la cual se ve potenciada por la adición de yodo como agente oxidante. En un proceso industrial, el yodo puede emplearse como electrocatalizador, recuperándose continuamente in situ del yoduro reducido mediante oxidación electroquímica en el ánodo de una celda electroquímica. Los metales disueltos pueden depositarse selectivamente en el cátodo ajustando el potencial del electrodo. Este método también permite una mayor selectividad, ya que parte de la ganga (por ejemplo, la pirita) tiende a disolverse más lentamente. [ 16 ]

La esperrilita (PtAs₂ ) y la moncheíta (PtTe₂ ) , que suelen ser los minerales de platino más abundantes en muchos depósitos ortomagmáticos, no reaccionan en las mismas condiciones en Ethaline porque son minerales disulfuro (pirita), diarseniuro (esperrilita) o ditelururos (calaverita y moncheíta), que son particularmente resistentes a la oxidación por yodo. El mecanismo de reacción por el cual se produce la disolución de los minerales de platino aún está en investigación.

Recuperación de metales a partir de minerales sulfurados mediante ionometalurgia.

Los sulfuros metálicos (p. ej., pirita FeS₂ , arsenopirita FeAsS, calcopirita CuFeS₂ ) se procesan normalmente mediante oxidación química, ya sea en medios acuosos o a altas temperaturas. De hecho, la mayoría de los metales base, p. ej., aluminio, cromo, deben reducirse (electro)químicamente a altas temperaturas, lo que implica un alto consumo de energía y, en ocasiones, genera grandes volúmenes de residuos acuosos. En medios acuosos, la calcopirita, por ejemplo, es más difícil de disolver químicamente que la covelita y la calcocita debido a efectos superficiales (formación de especies de polisulfuro, [ 17 ] [ 18 ] ). Se ha sugerido que la presencia de iones Cl⁻ altera la morfología de cualquier superficie de sulfuro formada, permitiendo que el mineral de sulfuro se lixivie más fácilmente al impedir la pasivación. [ 19 ] Los DES proporcionan una alta concentración de iones Cl − y un bajo contenido de agua, a la vez que reducen la necesidad de altas concentraciones adicionales de sal o ácido, evitando así la mayor parte de la química de óxidos. Por lo tanto, la electrodisolución de minerales de sulfuro ha demostrado resultados prometedores en medios DES en ausencia de capas de pasivación, con la liberación en la solución de iones metálicos que podrían recuperarse de la misma.

Durante la extracción de cobre de minerales de sulfuro de cobre con Ethaline, la calcocita (Cu₂S ) y la covelita (CuS) producen una solución amarilla, lo que indica la formación del complejo [CuCl₄]²⁻. Mientras tanto, en la solución formada a partir de calcopirita, coexisten especies Cu²⁺ y Cu⁺ debido a la generación de especies reductoras Fe²⁺ en el cátodo . La mejor recuperación selectiva de cobre (>97%) de la calcopirita se puede obtener con un DES mixto de 20% en peso de ChCl-ácido oxálico y 80% en peso de Ethaline. [ 20 ]

Recuperación de metales a partir de compuestos de óxido mediante ionometalurgia.

La recuperación de metales a partir de matrices de óxido generalmente se lleva a cabo utilizando ácidos minerales. Sin embargo, la disolución electroquímica de óxidos metálicos en DES puede permitir aumentar la disolución hasta más de 10 000 veces en soluciones de pH neutro. [ 21 ]

Los estudios han demostrado que los óxidos iónicos como el ZnO tienden a tener una alta solubilidad en ChCl:ácido malónico, ChCl:urea y Ethaline, que puede asemejarse a las solubilidades en soluciones ácidas acuosas, por ejemplo, HCl. Sin embargo, los óxidos covalentes como el TiO₂ presentan una solubilidad casi nula. La disolución electroquímica de los óxidos metálicos depende en gran medida de la actividad de los protones del HBD, es decir, de la capacidad de los protones para actuar como aceptores de oxígeno, y de la temperatura. Se ha informado que los fluidos iónicos eutécticos con valores de pH más bajos, como ChCl:ácido oxálico y ChCl:ácido láctico, permiten una mejor solubilidad que aquellos con pH más alto (por ejemplo, ChCl:ácido acético). [ 22 ] Por lo tanto, se pueden obtener diferentes solubilidades utilizando, por ejemplo, diferentes ácidos carboxílicos como HBD. [ 23 ]

Perspectiva

Actualmente, se desconoce la estabilidad de la mayoría de los líquidos iónicos en condiciones electroquímicas prácticas, y la elección fundamental del fluido iónico sigue siendo empírica, ya que prácticamente no existen datos sobre la termodinámica de los iones metálicos para incorporarlos a los modelos de solubilidad y especiación. Además, no se dispone de diagramas de Pourbaix, ni de potenciales redox estándar, y el conocimiento sobre la especiación o los valores de pH es mínimo. Cabe destacar que la mayoría de los procesos descritos en la literatura que involucran fluidos iónicos tienen un Nivel de Madurez Tecnológica (TRL) 3 (prueba de concepto experimental) o 4 (tecnología validada en laboratorio), lo que representa una desventaja para su implementación a corto plazo. Sin embargo, la ionometalurgia tiene el potencial de recuperar metales de manera más selectiva y sostenible, ya que considera disolventes respetuosos con el medio ambiente, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la evitación de reactivos corrosivos y nocivos.

Referencias

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  3. ↑ Kirk-Othmer, ed. (26 de enero de 2001). Enciclopedia Kirk-Othmer de Tecnología Química (1.ª ed.). Wiley. doi : 10.1002/0471238961.1921182208091911.a01 . ISBN  978-0-471-48494-3.
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Lecturas adicionales

  • Gilchrist, JD (1989). Metalurgia de extracción , Pergamon Press.
  • Mailoo Selvaratnam, (1996): Enfoque guiado para el aprendizaje de la química .
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