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 depósitos minerales naturales. El campo es la ciencia de los materiales , y cubre todos los aspectos de los tipos de minerales, 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 trabajo adicional para lograr las propiedades dadas que se adapten a las aplicaciones. [1]
El campo de la metalurgia extractiva ferrosa y no ferrosa tiene especialidades que genéricamente se agrupan en las categorías de procesamiento de minerales , hidrometalurgia , pirometalurgia y electrometalurgia en función del proceso adoptado para extraer el metal. Se utilizan varios procesos para la extracción del mismo metal dependiendo de la ocurrencia y los requisitos químicos.
El procesamiento del mineral comienza con el beneficio , que consiste inicialmente en descomponer el mineral a los tamaños requeridos dependiendo del proceso de concentración a seguir, mediante trituración, molienda, tamizado, etc. Posteriormente, el mineral se separa físicamente de cualquier impureza no deseada, dependiendo de la forma de ocurrencia y/o proceso posterior involucrado. Los procesos de separación aprovechan las propiedades físicas de los materiales. Estas propiedades físicas pueden incluir densidad, tamaño y forma de partículas, propiedades eléctricas y magnéticas y propiedades de superficie. Los principales métodos físicos y químicos incluyen separación magnética, flotación por espuma , lixiviación, etc., mediante los cuales las impurezas y los materiales no deseados se eliminan del mineral y el mineral base del metal se concentra, 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 le da formas que pueden someterse a un procesamiento adicional, con facilidad de manipulación.
Los yacimientos minerales suelen contener más de un metal valioso. Los relaves de un proceso anterior pueden usarse como alimentación en otro proceso para extraer un producto secundario del mineral original. Además, un concentrado puede contener más de un metal valioso. Luego, ese concentrado se procesaría para separar los metales valiosos en componentes individuales.
La hidrometalurgia se ocupa de procesos que involucran soluciones acuosas para extraer metales de minerales. El primer paso en el proceso hidrometalúrgico es la lixiviación , que implica la disolución de los metales valiosos en una solución acuosa o en un disolvente adecuado. Después de separar la solución 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, ya sea en su estado metálico o como compuesto químico. Esto puede incluir precipitación , destilación , adsorción y extracción con disolventes . El paso de recuperación final puede implicar precipitación, cementación o un proceso electrometalúrgico. A veces, los procesos hidrometalúrgicos se pueden llevar a cabo directamente sobre el material mineral sin ningún paso de pretratamiento. Más a menudo, el mineral debe ser pretratado mediante diversos pasos de procesamiento del mineral y, a veces, mediante procesos pirometalúrgicos. [2]
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. Los procesos pirometalúrgicos que involucran gases y sólidos se caracterizan por operaciones de calcinación y tostación . Los procesos que producen productos fundidos se denominan colectivamente operaciones de fundición . La energía necesaria 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, por ejemplo, de sulfuro a dióxido de azufre . Sin embargo, a menudo es necesario añadir 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 así predecir su resultado.
La electrometalurgia implica procesos metalúrgicos que tienen lugar en alguna forma de celda electrolítica . Los tipos más comunes de procesos electrometalúrgicos son la electroobtención y la electrorefinación . La electroobtención es un proceso de electrólisis utilizado para recuperar metales en solución acuosa, generalmente como resultado de que un mineral haya pasado por uno o más procesos hidrometalúrgicos. El metal de interés está recubierto sobre el cátodo, mientras que el ánodo es un conductor eléctrico inerte. El electrorefinado se utiliza para disolver un ánodo metálico impuro (normalmente procedente 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 sales fundidas 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 la hidrometalurgia y (en el caso de la electrólisis de sales fundidas) la pirometalurgia. Además, los fenómenos electroquímicos desempeñan un papel considerable en muchos procesos hidrometalúrgicos y de procesamiento de minerales.
El procesamiento de minerales y la extracción de metales son procesos que consumen mucha energía, lo que no está exento de producir grandes volúmenes de residuos sólidos y aguas residuales, que también requieren energía para su posterior tratamiento y eliminación. Además, a medida que aumenta la demanda de metales, la industria metalúrgica debe depender de fuentes de materiales con menor contenido de metal, tanto de materias primas primarias (por ejemplo, minerales) como secundarias (por ejemplo, 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 física o químicamente asociado 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 la minería en Estados Unidos. [3] 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 H 2 SO 4 , HCl, KCN, NaCN que tienen poca selectividad. [4] 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 menos desarrollados económicamente para concentrar oro y plata a partir de minerales, a pesar de su evidente toxicidad. La biohidrometalurgia utiliza organismos vivos, como bacterias y hongos, y aunque este método exige sólo el aporte de O 2 y CO 2 de la atmósfera, requiere bajas proporciones de sólido a líquido y largos tiempos de contacto, lo que reduce significativamente los rendimientos espacio-temporales.
La ionometalurgia utiliza disolventes iónicos no acuosos, como líquidos iónicos (IL) y disolventes eutécticos profundos (DES), lo que permite el desarrollo de diagramas de flujo de circuito cerrado para recuperar metales de forma eficaz, por ejemplo, integrando las operaciones unitarias metalúrgicas 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 exhibe solubilidades y eficiencias actuales adecuadas. Esto simplifica las rutas de procesamiento convencionales y permite una reducción sustancial en el tamaño de una planta de procesamiento de metales.
Los DES son fluidos generalmente compuestos de dos o tres componentes baratos y seguros que son capaces de 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 son generalmente líquidos a temperaturas inferiores a 100 °C y exhiben propiedades físico-químicas similares a las de los IL tradicionales, aunque 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, [5] y los DES formulados a partir de estos aniones suelen ser mucho más viscosos y pueden tener conductividades más altas que el cloruro de colina. [6] Esto da como resultado tasas de recubrimiento más bajas y un menor poder de lanzamiento y, por esta razón, los sistemas DES a base de cloruro siguen siendo los preferidos. Por ejemplo, se ha utilizado Reline (una mezcla 1:2 de cloruro de colina y urea) para recuperar selectivamente Zn y Pb de una matriz mixta de óxido metálico. [7] De manera similar, Ethaline (una mezcla 1:2 de cloruro de colina y etilenglicol) facilita la disolución del metal en el electropulido de aceros. [8] Los DES también han demostrado resultados prometedores para recuperar metales de mezclas complejas como Cu/Zn y Ga/As, [9] y metales preciosos de minerales. [10] También se ha demostrado que los metales se pueden recuperar de mezclas complejas mediante electrocatálisis utilizando una combinación de DES como lixiviantes y un agente oxidante, [11] mientras que los iones metálicos se pueden separar simultáneamente de la solución mediante electroobtención. [12]
Los metales preciosos son elementos químicos metálicos raros, naturales y de alto valor económico. Químicamente, los metales preciosos tienden a ser menos reactivos que la mayoría de los elementos. Entre ellos se encuentran el oro y la 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 normalmente requeriría pirometalurgia (por ejemplo, tostación), hidrometalurgia (cianuración) o ambas como rutas de procesamiento. Los primeros estudios han demostrado que la velocidad de disolución del 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 ser empleado como electrocatalizador, mediante el cual se recupera continuamente in situ 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 (por ejemplo, pirita) tiende a disolverse más lentamente. [13]
La sperrylita (PtAs 2 ) y la moncheita (PtTe 2 ), que suelen ser los minerales de platino más abundantes en muchos depósitos ortomagmáticos, no reaccionan en las mismas condiciones en la etalina porque son disulfuro (pirita), diarseniuro (esperrilita) o ditellururos (calaverita). y moncheita), minerales especialmente 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.
Los sulfuros metálicos (p. ej., pirita FeS 2 , arsenopirita FeAsS, calcopirita CuFeS 2 ) normalmente se procesan mediante oxidación química, ya sea en medios acuosos o a altas temperaturas. De hecho, la mayoría de los metales básicos, por ejemplo, el aluminio y 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 desechos 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, [14] [15] ). 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 evitar la pasivación. [16] Los DES proporcionan una alta concentración de iones Cl − y un bajo contenido de agua, al tiempo que reducen la necesidad de altas concentraciones adicionales de sal o ácido, evitando la mayor parte de la química de los óxidos. Así, 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 a partir de minerales de sulfuro de cobre con etalina, la calcocita (Cu 2 S) y la covelita (CuS) producen una solución amarilla, lo que indica que se forman complejos [CuCl 4 ] 2− . Mientras tanto, en la solución formada a partir de calcopirita, las especies Cu 2+ y Cu + coexisten en solución debido a la generación de especies reductoras de Fe 2+ 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. [17]
La recuperación de metales a partir de matrices de óxido se lleva a cabo generalmente utilizando ácidos minerales. Sin embargo, la disolución electroquímica de óxidos metálicos en DES puede permitir mejorar la disolución hasta más de 10 000 veces en soluciones de pH neutro. [18]
Los estudios han demostrado que los óxidos iónicos como el ZnO tienden a tener una alta solubilidad en ChCl:ácido malónico, ChCl:urea y etalina, que pueden parecerse a las solubilidades en soluciones acuosas ácidas, por ejemplo, HCl. Los óxidos covalentes como el TiO2 , sin embargo, casi no presentan solubilidad. La disolución electroquímica de los óxidos metálicos depende en gran medida de la actividad protónica 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 los de pH más alto (por ejemplo, ChCl:ácido acético). [19] Por lo tanto, se pueden obtener diferentes solubilidades usando, por ejemplo, diferentes ácidos carboxílicos como HBD. [20]
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, ni conocimientos básicos sobre especiación o valores de pH. Cabe señalar 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 eficazmente de una manera más selectiva y sostenible, ya que considera disolventes ambientalmente benignos, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la evitación de reactivos corrosivos y nocivos.