Metalurgia extractiva

La metalurgia extractiva es una rama de la ingeniería metalúrgica en la que se estudian los procesos y métodos de extracción de metales de sus yacimientos minerales naturales. El campo es una ciencia de materiales, que cubre todos los aspectos de los tipos de mineral, lavado, concentración, separación, procesos químicos y extracción de metal puro y su aleación para adaptarse a diversas aplicaciones, a veces para uso directo como producto terminado, pero más a menudo en una forma que requiere más trabajo para lograr las propiedades dadas para adaptarse a las aplicaciones.

El campo de la metalurgia extractiva ferrosa y no ferrosa tiene especialidades que se agrupan genéricamente en las categorías de procesamiento de minerales, hidrometalurgia, pirometalurgia y electrometalurgia según el proceso adoptado para extraer el metal. Se utilizan varios procesos para la extracción del mismo metal según la ocurrencia y los requisitos químicos.

Procesamiento de minerales

El procesamiento del mineral comienza con el beneficio, que consiste en descomponer inicialmente el mineral a los tamaños requeridos según el proceso de concentración a seguir, mediante trituración, molienda, tamizado, etc. Posteriormente, el mineral se separa físicamente de cualquier impureza no deseada, según la forma de ocurrencia y/o el proceso adicional involucrado. 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 magnética, la flotación por espuma, la lixiviación, etc., mediante los 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. Luego, este concentrado se procesa para eliminar la humedad o se usa tal cual para la extracción del metal o se transforma en formas y formas que pueden someterse a un procesamiento posterior, con facilidad de manejo.

Los cuerpos minerales a menudo contienen más de un metal valioso. Los relaves de un proceso anterior pueden utilizarse como alimentación en otro proceso para extraer un producto secundario del mineral original. Además, un concentrado puede contener más de un metal valioso. Ese concentrado luego se procesaría para separar los metales valiosos en constituyentes individuales.

Hidrometalurgia

La hidrometalurgia se ocupa de los procesos que involucran soluciones acuosas para extraer metales de los minerales. El primer paso en el proceso hidrometalúrgico es la lixiviación, que implica la disolución de los metales valiosos en la solución acuosa o en un solvente adecuado. Una vez que la solución se separa de los sólidos del mineral, el extracto a menudo se somete a varios procesos de purificación y concentración antes de que el metal valioso se recupere en su estado metálico o como un compuesto químico. Esto puede incluir precipitación, destilación, adsorción y extracción con solvente. El paso final de recuperación puede implicar precipitación, cementación o un proceso electrometalúrgico. A veces, los procesos hidrometalúrgicos pueden llevarse a cabo directamente sobre el material mineral sin ningún paso de pretratamiento. Más a menudo, el mineral debe ser pretratado por varios pasos de procesamiento de minerales y, a veces, por procesos pirometalúrgicos.

Pirometalurgia

Diagrama de Ellingham para la oxidación de alta temperatura

La pirometalurgia implica procesos a alta temperatura en los que 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 en su estado elemental o metálico. Los procesos pirometalúrgicos que involucran gases y sólidos se caracterizan por las operaciones de calcinación y tostado. Los procesos que producen productos fundidos se denominan colectivamente operaciones de fundición. La energía requerida para sostener los procesos pirometalúrgicos a alta temperatura puede derivar de la naturaleza exotérmica de las reacciones químicas que tienen lugar. Normalmente, estas reacciones son oxidación, p. 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, predecir su resultado.

Electrometalurgia

La electrometalurgia implica procesos metalúrgicos que tienen lugar en algún tipo de celda electrolítica. Los tipos más comunes de procesos electrometalúrgicos son la electroobtención y el electrorrefinado. La electroobtención es un proceso de electrólisis utilizado para recuperar metales en solución acuosa, generalmente como resultado de que un mineral haya sido sometido a uno o más procesos hidrometalúrgicos. El metal de interés se deposita sobre el cátodo, mientras que el ánodo es un conductor eléctrico inerte. El electrorrefinado se utiliza para disolver un ánodo metálico impuro (generalmente de un proceso de fundición) y producir un cátodo de alta pureza. La electrólisis de sal fundida es otro proceso electrometalúrgico mediante el cual el metal valioso se disuelve 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 sal fundida se lleva a cabo a temperaturas suficientes para mantener tanto el electrolito como el metal que se produce en estado fundido. El alcance de la electrometalurgia tiene una superposición significativa con las áreas de hidrometalurgia y (en el caso de la electrólisis de sales fusionadas) pirometalurgia. Además, los fenómenos electroquímicos juegan un papel importante en muchos procesos de procesamiento de minerales e hidrometalúrgicos.

Ionometalurgia

El procesamiento de minerales y la extracción de metales son procesos muy intensivos en energía, que no están exentos de producir grandes volúmenes de residuos sólidos y aguas residuales, que también requieren energía para su posterior tratamiento y disposición. Además, a medida que aumenta la demanda de metales, la industria metalúrgica debe depender de fuentes de materiales con menores contenidos de metales tanto de materias primas primarias (p. ej., minerales) como secundarias (p. ej., escorias, relaves, desechos 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 rechazar el material no deseado asociado física o químicamente a una materia prima definida. El proceso, sin embargo, demanda alrededor de 30 GJ/tonelada de metal, lo que representa alrededor del 29% de la energía total gastada en minería en los EE. UU. 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. Además, a pesar de la preocupación ambiental y la restricción de uso impuesta por algunos países, la cianuración todavía se considera la tecnología de proceso principal para recuperar oro de los minerales. El mercurio también es utilizado por mineros artesanales en países menos desarrollados económicamente para concentrar oro y plata a partir de minerales, a pesar de su evidente toxicidad. La biohidrometalurgia hace uso de organismos vivos, como bacterias y hongos, y aunque este método solo exige la entrada de O₂ y CO₂ de la atmósfera, requiere proporciones bajas de sólido a líquido y largas tiempos de contacto, lo que reduce significativamente los rendimientos espacio-temporales.

La ionometalurgia utiliza solventes iónicos no acuosos, como líquidos iónicos (IL) y solventes eutécticos profundos (DES), lo que permite el desarrollo de diagramas de flujo de circuito cerrado para recuperar metales de manera efectiva, por ejemplo, integrando las operaciones de la unidad metalúrgica. de lixiviación y electroobtención. Permite procesar metales a temperaturas moderadas en un ambiente no acuoso lo que permite controlar la especiación del metal, 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 en el 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 económicos y seguros que son capaces de autoasociarse, a menudo a través de interacciones de enlaces de hidrógeno, para formar mezclas eutécticas con un punto de fusión inferior al de cada componente individual. Los DES son generalmente líquidos a temperaturas inferiores a 100 °C y exhiben propiedades fisicoquímicas similares a las de los IL tradicionales, a la vez que son mucho más baratos y respetuosos con el medio ambiente. La mayoría de ellos son mezclas de cloruro de colina y un donante 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 (por ejemplo, acetato, citrato, nitrato) tienen costos mucho más altos o necesitan ser sintetizadas, y el DES formulado a partir de estos aniones suele ser mucho más viscoso y puede tener conductividades más altas que el cloruro de colina. Esto da como resultado tasas de recubrimiento más bajas y un poder de lanzamiento más pobre y, por esta razón, los sistemas DES a base de cloruro todavía son 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. Del mismo modo, Ethaline (una mezcla 1:2 de cloruro de colina y etilenglicol) facilita la disolución de metales en el electropulido de aceros. Los DES también han demostrado resultados prometedores para recuperar metales de mezclas complejas como Cu/Zn y Ga/As, y metales preciosos de minerales. 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, mientras que los iones metálicos pueden separarse simultáneamente de la solución mediante electroobtención.

Recuperación de metales preciosos por ionometalurgia

Los metales preciosos son elementos químicos metálicos raros y naturales de alto valor económico. Químicamente, los metales preciosos tienden a ser menos reactivos que la mayoría de los elementos. Incluyen oro y plata, pero también los llamados metales del grupo del platino: rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio y platino (ver metales preciosos). La extracción de estos metales de sus correspondientes minerales anfitriones generalmente requeriría pirometalurgia (por ejemplo, tostado), hidrometalurgia (cianuración) o ambas como rutas de procesamiento. Los primeros estudios han demostrado que la tasa de disolución de oro en Ethaline se compara muy favorablemente con el método de cianuración, que se mejora aún más con la adición de yodo como agente oxidante. En un proceso industrial, el yodo tiene el potencial de emplearse como electrocatalizador, por lo que se recupera continuamente in situ a partir del yoduro reducido mediante oxidación electroquímica en el ánodo de una celda electroquímica. Los metales disueltos se pueden depositar selectivamente en el cátodo ajustando el potencial del electrodo. El método también permite una mejor selectividad ya que parte de la ganga (p. ej., pirita) tiende a disolverse más lentamente.

La esperrylita (PtAs₂) y la moncheita (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 (esperrylita) o ditelururos (calaverita y moncheita), que son particularmente resistentes a la oxidación del yodo. El mecanismo de reacción por el cual se produce la disolución de los minerales de platino aún está bajo investigación.

Recuperación de metales a partir de minerales sulfurados con ionometalurgia

Los sulfuros metálicos (p. ej., pirita FeS₂, arsenopirita FeAsS, calcopirita CuFeS₂) normalmente se procesan mediante oxidación química en medios acuosos o a altas temperaturas. De hecho, la mayoría de los metales básicos, por ejemplo, el aluminio, el cromo, deben reducirse (electro)químicamente a altas temperaturas, por lo que el proceso implica una gran demanda de energía y, en ocasiones, se generan 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 los efectos superficiales (formación de especies de polisulfuro). Se ha sugerido que la presencia de iones Cl⁻ altera la morfología de cualquier superficie de sulfuro formada, lo que permite que el mineral de sulfuro se filtre más fácilmente al evitar la pasivación. Los DES proporcionan una alta concentración de iones Cl⁻ y un bajo contenido de agua, al mismo tiempo que reducen la necesidad de altas concentraciones adicionales de sal o ácido, eludiendo la mayoría de la química del óxido. 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 solución.

Durante la extracción de cobre de minerales de sulfuro de cobre con etalina, calcocita (Cu₂S) y covellita (CuS) producen una solución amarilla, lo que indica que [CuCl₄] Se forman los complejos ²⁻. Mientras tanto, en la solución formada a partir de calcopirita, las especies Cu²⁺ y Cu⁺ coexisten en solución debido a la generación de Fe^{2+ reductora} especies en el cátodo. La mejor recuperación selectiva de cobre (>97 %) a partir de calcopirita se puede obtener con un DES mixto de 20 % en peso de ChCl-ácido oxálico y 80 % en peso de etalina.

Recuperación de metales a partir de compuestos de óxido con ionometalurgia

La recuperación de metales a partir de matrices de óxidos se realiza generalmente con ácidos minerales. Sin embargo, la disolución electroquímica de óxidos metálicos en DES puede mejorar la disolución hasta más de 10 000 veces en soluciones de pH neutro.

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 pueden parecerse a las solubilidades en soluciones ácidas acuosas, por ejemplo, HCl. Sin embargo, los óxidos covalentes como el TiO₂ casi no muestran solubilidad. 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 de valores de pH más bajos, como ChCl: ácido oxálico y ChCl: ácido láctico, permiten una mejor solubilidad que los de pH más alto (por ejemplo, ChCl: ácido acético). Por lo tanto, se pueden obtener diferentes solubilidades usando, por ejemplo, diferentes ácidos carboxílicos como HBD.

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 casi no hay datos sobre la termodinámica de los iones metálicos para alimentar los modelos de solubilidad y especiación. Además, no hay diagramas de Pourbaix disponibles, ni potenciales redox estándar, y conocimiento básico de especiación o valores de pH. Debe tenerse en cuenta que la mayoría de los procesos reportados en la literatura que involucran fluidos iónicos tienen un Nivel de preparación tecnológica (TRL) 3 (prueba de concepto experimental) o 4 (tecnología validada en el laboratorio), lo cual es una desventaja para la implementación a corto plazo.. Sin embargo, la ionometalurgia tiene el potencial de recuperar metales de manera más selectiva y sostenible, ya que considera solventes ambientalmente benignos, reduce las emisiones de gases de efecto invernadero y evita el uso de reactivos corrosivos y dañinos.