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METALES A PARTIR DE MINERALES: EL FUTURO DE LA METALURGIA EXTRACTIVA

Por: Dr. Fathi Habashi, Departamento de Minería, Metalurgia e Ingeniería de Materiales Universidad Laval, Quebec, Canadá.


Resumen

En siglos pasados, la pirometalurgia era la única alternativa para la extracción de metales a partir de minerales, y esto era por una buena razón. Hoy en día los metalúrgicos tienen la posibilidad de usar otra tecnología, concretamente la ruta hidrometalúrgica. Por ejemplo, la recuperación de zinc y cobre ha pasado de la tecnología piro a la hidrometalurgia. Otro ejemplo es la recuperación de alúmina a partir de la bauxita, un paso esencial en la producción de aluminio. Hoy en día, se está investigando una nueva tecnología para la producción electrolítica de aluminio que excluya la reducción de carbono, para eliminar la producción de CO2.

Introducción

La extracción de metales a partir de minerales requiere una serie de operaciones, algunas mecánicas, físicas y físico-químicas, conocidas como beneficio de minerales y otras químicas llamadas metalurgia extractiva (Figura 1). Los procesos químicos pueden dividirse a modo de referencia como piro, hidro y electrometalurgia. La pirometalurgia es la tecnología más antigua, mientras que la hidrometalurgia tiene unos cuatro siglos de antigüedad. 

Por otro lado, la electrometalurgia es la más reciente y apareció solo después de la invención de los generadores eléctricos a gran escala a mediados del siglo XIX. No es de extrañar entonces que, en algunos casos, estas dos últimas tecnologías estén desplazando gradualmente a las más antiguas, ya sea por ser más eficientes y económicas o por cumplir con las regulaciones ambientales. He aquí algunos ejemplos.  

Pirometalurgia

Hierro y acero

No hay duda de que la producción de hierro en el alto horno se hará mediante procesos pirometalúrgicos y se utilizará la tecnología más reciente para la fabricación de acero. Implica la inyección de oxígeno desde la parte superior e inferior del reactor (Figura 2). Llevó muchos años desarrollar esta tecnología.

Hidrometalurgia

El problema del azufre

La hidrometalurgia es la única tecnología que permite producir azufre elemental en determinadas condiciones de temperatura y acidez, eliminando así la formación de SO2, como en los procesos pirometalúrgicos. Por debajo de los 150 ºC es posible obtener azufre elemental (Figura 3). Esto permite que la hidrometalurgia sea la tecnología más adecuada para el tratamiento de minerales sulfurados. 

Biohidrometalurgia

En la década del 60, el descubrimiento que ciertos microorganismos autótrofos catalizan la oxidación de los sulfuros, impulsó a los investigadores a aplicar estos conocimientos en operaciones de lixiviación en pilas a gran escala. Esto se aplicó a los minerales de cobre de baja ley, seguido de la extracción con solventes y la electro-obtención (Figura 4). También se utilizó para descomponer los concentrados de pirita con contenido aurífero con el fin de hacer accesible el oro para la cianuración. Sin embargo, esta tecnología no puede utilizarse de forma económica para lixiviar concentrados de calcopirita.

Esto en razón, a que se consumiría una gran cantidad de oxígeno y se necesitaría mucha cal para precipitar el sulfato ferroso, y habría un problema de eliminación excesiva de la mezcla de hidróxido ferroso y de yeso.

Como resultado, los intentos de utilizar esta tecnología en Chile y en otros lugares fracasaron.

Lixiviación a presión

Una planta de lixiviación a presión (Figura 5) está compuesta esencialmente por una bomba de alta presión que empuja continuamente el concentrado o el lodo de mineral a un autoclave calentado a una temperatura de 150 a 200 ºC y que funciona a alta presión. El lodo que sale del autoclave se introduce luego en tanques flash donde se produce una expansión repentina, liberando así vapor a baja presión que se utiliza para precalentar el lodo de alimentación y, al mismo tiempo, disminuye la presión para permitir la filtración a presión ambiente. En este tipo de sistema, la economía de calor es máxima. En la Figura 6 se muestra un autoclave típico y en la Figura 7 una bomba de lodo.

La producción de zinc

Durante siglos, el zinc metálico se producía tostando su principal mineral: la esfalerita, para obtener óxido de zinc, el cual se reducía a alta temperatura para conseguir el metal (Figura 8). Aunque se hicieron muchas modificaciones para mejorar esta tecnología, solo durante la Primera Guerra Mundial se aplicaron los conceptos hidro y electrometalúrgicos para desarrollar un nuevo proceso que compitiera con la antigua tecnología y que finalmente la desplazó en la década del 70 (Figura 9). Sin embargo, el nuevo proceso introdujo otros problemas que deben ser resueltos, como el tratamiento de productos secundarios y la eliminación de residuos (Figura 10). Finalmente, en la década del 80, se inventó un nuevo proceso que lixiviaba directamente el concentrado de sulfuro y electrolizaba la solución para obtener el metal (Figuras 11 y 12). 

Cobre

El cobre es un metal antiguo y se estuvo produciendo a lo largo de los siglos mediante la fundición del mineral para obtener una mata que luego era tratada mediante una serie de métodos térmicos hasta que el metal era liberado en su forma pura. Además de la gran cantidad de combustible necesario para el proceso, la emisión de dióxido de azufre y otros materiales tóxicos obligó a los metalúrgicos a buscar otras rutas. 

La principal mejora aconteció en la década del 40, cuando se introdujo la fusión flash, con lo que se redujo considerablemente el consumo de combustible, pero el SO2 seguía siendo un problema. Debe recogerse cuidadosamente, purificarse y transformarse en ácido sulfúrico, para lo cual es necesario disponer de un mercado cercano. 

A principios del siglo XXI se descubrió que la misma tecnología aplicada recientemente a los concentrados de sulfuro de zinc puede utilizarse también con el cobre. De ahí que la lixiviación a presión de la calcopirita se introdujera por primera vez en la industria cuprífera en Arizona (Estados Unidos de Norteamérica).

Níquel

El sulfuro de níquel siempre se produjo mediante un proceso pirometalúrgico. Cuando se descubrió la Bahía de Voisey en el norte de Canadá y el Gobierno de Terranova se negó a enviar el concentrado fuera de la provincia, la Compañía Internacional del Níquel propuso por primera vez en 2005 un proceso de lixiviación a presión para tratar ese concentrado. El método no es diferente al del zinc o el cobre mediante el cual se recupera el azufre elemental (Figura 13).

Electrometalurgia

Aluminio

La electrometalurgia está dominada por la producción de aluminio. La bauxita sigue siendo la materia prima para la producción de alúmina necesaria para las celdas electrolíticas. Primero se sinterizó con carbonato de sodio a alta temperatura y luego se lixivió con agua para obtener una solución de la cual se precipitó el hidróxido de aluminio, se filtró y se calcinó para obtener Al2O3 puro (Figura 14). 

Hacia finales del siglo XIX se inventó un nuevo proceso de lixiviación a presión que desplazó a la sinterización por ser más económico (Figura 15). El método se ha aplicado desde entonces sin mayores cambios, con algunas mejoras en sus aspectos de ingeniería. El proceso de Bayer sigue siendo indiscutible para la alúmina. 

La producción de alúmina a partir de la arcilla fracasó debido al costoso método de cristalización y calcinación de AlCl3, como se muestra en la Figura 16, en comparación con la cristalización por inyección del proceso Bayer.

La producción de aluminio puede sufrir grandes cambios en un futuro próximo. En Quebec se están llevando a cabo investigaciones para reducir la alúmina disuelta en criolita en un electrodo insoluble en lugar del carbono (Noticias del Instituto de Aluminio de Canadá). En este nuevo proceso, la reducción tiene lugar en un cátodo inerte hecho de óxido de níquel mientras que el oxígeno se genera en el ánodo:

Al3+ + 3e- → Al

O2- → O2 + e-

El único producto resultante de este nuevo método será el oxígeno. Todos los equipos para preparar los ánodos de carbono serán eliminados (Figuras 17 y 18).

El sistema de captura de flúor en las celdas de aluminio es un proceso único para minimizar la contaminación en la industria del aluminio, ya sea que se utilice el proceso antiguo o el nuevo (Figura 19).

Lecturas sugeridas1 

F. Habashi. 1998. Principles of Extractive Metallurgy, Volume 4 – Amalgam and Electrometallurgy. 

F. Habashi. 1999. Textbook of Hydrometallurgy, Segunda Edición. 

F. Habashi. 2002. Textbook of Pyrometallurgy. 

F. Habashi. 2003. Metals from Ores. An Introduction to Extractive Metallurgy. 

F. Habashi. 2006. Readings in Historical Metallurgy, Volume 1. Changing Technology in Extractive Metallurgy. 

F. Habashi. 2014. Pressure Hydrometallurgy. 

F. Habashi. 2018. Success and Failure in the Canadian Metallurgical Industry. 

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