Curso de lixiviación: Teoría y práctica
-
Upload
juan-andres-albanez-pereira -
Category
Documents
-
view
206 -
download
5
description
Transcript of Curso de lixiviación: Teoría y práctica
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 1
CURSO DE LIXIVIACION
TEORIA Y PRCTICA
PREPARADO POR: SANTIAGO HONORES MEZA
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 2
ai Actividad de la especie i
A rea
C Concentracin
d Dimetro
Ea Potencial de andico
Ec Potencial de catdico
E Potencial
Eo Potencial estndar
Eg Energa potencial gravitacional
Eh Potencial con respecto al electrodo estandard de hidrgeno
Eho Potencial estandarad con respecto al electrodo estandard de hidrgeno
Ep Energa potencial de presion
ET Energa potencial total
Far Constante de Faraday
F fuerza
G Energa libre
g Gravedad
h Altura
H Carga hidrulica total
Hg Carga gravitacional
Hp Carga por presin
I Fuerza inica
i Corriente o densidad de corriente (segn el caso)
i(-) Corriente catdica
i(+) Corriente andica
io(-) Corriente catdica en potencial de reposo
io(+) Corriente andica en potencial de reposo
kg Constante de acuerdo a la ecuacin (2.34)
ki Constante de acuerdo a la ecuacin (2.33)
kI Permeabilidd intrnseca
K Constante de equilibrio de una reaccin
Kso Constante de soluilidad
KS Conductividad hidrulica o permeabilidad, en un medio saturado
KNS Conductividad hidrulica o permeabilidad, en un medio no saturado
l longitud
L Longitud en la ecuacin de Darcy
n Nmero de electrones
pH
P Presin manomtrica
Pab Presin absoluta
Patm Presin atmosfrica
PG Presin en la fase gaseosa
Ph Presin a una profundidad determinada en un estanuque
PL Presin en la fase lquida
Po Presin absoluta referencial
Pp Presin parcial
Q Caudal
r Radio
R Constante de los gases ideales
Re Nmero de Reynolds
s Grado de saturacin
sef Saturacin efectiva
S Solubilidad del O2
Sh Solubilidad mxima a una altura determinada en un estanque
SI Solubilidad del O2 a una fuerza inica determinada
So Solubilidad del O2 en agua pura
Sp Solubilidad de un gas a una presin parcial
ST Solubilidad del O2 a una temperatura T
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 3
t tiempo
T Temperatura
vD Velocidad de Darcy
vr vlocidad real en medio poroso
Vg Volumen ocupado por la fase gaseosa
Vh Volumen de los huecos en un medio
VL Volumen ocupado por la fase lquida
Vs Volumen ocupado por la fase slida
VT Volumen total de un medio
W Trabajo efectuado
z distancia vertical hasta el punto de referencia
zi carga del electrn, ecuacin (4.92)
T Porosidad total
Tortuosidad
humedad
s humedad en saturacin
r humedad residual o de impregnacin
pendiente de una recta
Tensin superficial
L Tensin superficial de un lquido (tambin LG)
SG Tensin interfacial slido-gas
LG Tensin interfacial lquido-gas
L Viscosidad de un fluido
e Resistencia elctrica
i Potencial qumico de la especie i
oi Potencial qumico estndar de la especie i
R Potencial qumico de una reaccin
Potencial total
g Potencial gravitacional
p Potencial matrical
Densidad
L Densidad del lquido
P Densidad de pulpa
ngulo en la ecuacin de Young
i Coeficiente estequiomtrico de la especie i
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 4
I. INTRODUCCION
La hidrometalurgia es un rea de la metalurgia, que comprende todos los tipos de operaciones unitarias que se
realizan en medio acuoso para la extraccin y recuperacin de componentes valiosos, entendindose por operacin
unitaria, todo proceso en el cual ocurren reacciones, cambios o transformaciones qumicas.
Los procesos hidrometalrgicos son relativamente nuevos en comparacin a los procesos pirometalrgicos. El
aumento en el uso de procesos hidrometalrgicos, se debe principalmente, al aumento de yacimientos que son inapropiados
econmicamente para ser tratados por va pirometalurgia y tambin a razones ambientales; esto debido a que en los
procesos pirometalrgicos, normalmente los efluentes son gases contaminantes, los cuales una vez que entran en contacto
con el medio ambiente, son prcticamente imposibles de recuperarlos; en cambio los efluentes de procesos
hidrometalrgicos, son normalmente lquidos, los cuales pueden ser ms fciles de tratarlos antes desecharlos.
En cuanto a los minerales sulfurados, hasta la actualidad su procesamiento va pirometalurgia, no se ha podido
controlar totalmente las emisiones de SO2 al medio ambiente, esto no ocurre va hidrometalurgia, donde el azufre
mayormente es descartado al estado elemental, por lo que en la actualidad, se est dando mucha relevancia el tratamento
de estos minerales va hidrometalurgia.
Se debe indicar, que la mayor ventaja de la pirometalurgia frente a la hidrometalurgia, es que en la primera la cintica de
las reacciones involucradas es mucho mayor.
1.1 Proceso hidrometalrgico
Una vez que la mena ha sido preparada por reduccin de tamao y posiblemente se le haya sometido a un proceso
de beneficio de minerales, esta puede ser tratada va hidrometalurgia, la cual normalmente comprende tres etapas, las que
se enumeran a continuacin:
1.1.1 Lixiviacin. Esta etapa tiene como objetivo, disolver lo ms selectivo posible la especie valiosa, debiendo usarse
condiciones en las cuales el material inerte no sea lixiviable, aunque esto en la prctica es casi imposible de alcanzar en
forma efectiva.
1.1.2 Concentracin y/o purificacin de soluciones.- Esta etapa tiene por objetivo, la separacin de la(s) especie(s)
valiosa(s) de las impurezas, el que se realiza mediante uno o varios procesos, los cuales pueden ser:
Adsorcin (carbn activado)
Precipitacin
Flotacin de iones
Flotacin de precipitados
Extraccin por solventes
Intercambio inico
La aplicacin de cualquiera de estos procesos, depende principalmente de las impurezas a ser removidas y de los
componentes a ser recuperados.
1.1.3 Recuperacin de la especie valiosa.- Esta es la etapa final del proceso hidrometalrgico, aqu el componente
valioso, es convertido en un producto comerciable con especificaciones de calidad asociados. Los mtodos ms comunes
empleados, son los siguientes:
Electrlisis
Precipitacin
Reduccin gaseosa
Cementacin
Cristalizacin
La figura 1.1, muestra un diagrama general de la va hidrometalrgica para la recuperacin de una especie valiosa
desde su mena.
La figura 1.2, muestra un diagrama para el caso especifico de recuperacin de cobre desde una mena de cobre
oxido.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 5
Reactantes CONCENTRACION y/o PURIFICACION DE
LICOR DE LIXIVIACION
LICOR
PURIFICADO
Sub-productos
RECUPERACION DE
ESPECIE VALIOSA
Regeneracin de
reactivos lixiviantes y
reciclado de solucin
ESPECIE VALIOSA
MINERAL
LIXIVIACION Residuo Reactantes
Licor de
lixiviacin
REDUCCION
DE TAMAO
Reactantes
Fig. 1.1 Diagrama de flujo general, va hidrometalurgia.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 6
MENA DE COBRE
LIXIVIACION EN
PILASRipio
Licor de
lixiviacin
REDUCCION
DE TAMAO
EXTRACCION
POR SOLVENTES
Fase acuosa
(refino)
REEXTRACCION
(stripping)
Orgnico cargado
con cobre
Orgnico
descargado
ELECTRO-
OBTENCION
Electrolito rico
en cobre (avance)Electrolito pobre
(spent)
CATODOS
DE COBRE
Fig. 1.2 Diagrama de flujo para la recuperacin de cobre (xido), va hidrometalurgia.
1.2 ????
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 7
II. ANTECEDENTES GENERALES
2.1 Lixiviacin.
La lixiviacin es la disolucin de uno o varios constituyentes de un slido en un solvente, el cual normalmente es el
agua. Casi siempre la lixiviacin necesita la presencia de ciertos reactivos para que la disolucin proceda, adems, a veces
es necesario un aumento de la temperatura y presin. Una vez alcanzado la lixiviacin, el(los) elemento(s) de inters se
encuentra en el solvente como iones metlicos o complejos.
En este capitulo se tratarn diversos temas, los que tienen incidencia en las diferentes en el ambito de la
lixiviacin.
2.2 Reactivos de lixiviacin
Normalmente un material no es soluble en agua pura, por lo tanto, siempre es apropiado realizar un estudio
termodinmico, para analizar cuales son las condiciones ms favorables para la disolucin selectiva de los compuestos de
inters. Termodinmicamente son tres los factores principales que se deben analizar para determinar la lixiviacin de un
determinado compuesto, los cuales son: el pH, el potencial redox de la solucin y la formacin o no de complejos que no
sean debido a hidrlisis, entendindose por hidrlisis, los complejos formados por cambios de pH. Existen tambin otras
variables influyentes, como son: la concentracin de reactivos y la temperatura. En la tabla 2.1 se muestran los reactivos
ms comunes que se usan para fijar los tres factores que se nombraron.
Tabla 2.1.- Reactivos de lixiviacin
Reactivos para fijar el pH
cidos
H2SO4
HCl
HNO3
bases
CaO
NaOH
NH4OH
Reactivos para fijar el potencial
agentes oxidantes
O2
sales frricas
H2O2
Permanganato
agentes reductores
H2
CO
SO2
Reactivos acomplejantes
sales de cloruro
NH3
sales de cianuro
sales de carbonato
En cuanto a los agentes oxidantes o reductores, estos actan segn el pH de la solucin, como es el caso del Fe3+,
el que es inestable para pH>2, debido a que precipita como hidrxido. En el caso de los agentes acomplejantes, estos no
forman complejos con todos los elementos, as por ejemplo, el amoniaco forma complejos con el cobre, pero no con el
hierro, adems, los acomplejantes actan en determinados rangos de pH y otros actan en todo el rango de pH.
2.3 El potencial como parmetro en lixiviacin
En un medio acuoso, donde se tenga reacciones que necesiten de intercambio de electrones, existirn reacciones
(semireacciones) que ganan electrones y otras que los pierden. Los semireacciones que ganan electrones, se llaman de
reduccin o tambin catdica, y las que pierden electrones, de oxidacin o andica, representndose en general por las
siguientes ecuaciones;
A + ne = C semireaccin de reduccin (E1) (2.1)
B = D + ne semireaccin de oxidacin (E2) (2.2)
A + B = C + D reaccin total (ET=E1+E2) (2.3)
Donde:
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 8
A, B, C, D iones o molculas neutras en solucin
n nmero de electrones intercambiados
En un sistema, los electrones ganados por la semireaccin de reduccin, son perdidos por la semireaccin de
oxidacin, mantenindose as, la neutralidad del sistema. La caracterstica principal de una semireaccin de reduccin, es
que el estado de oxidacin de alguno o todos de sus productos (C), disminuye; por el contrario, en una semireaccin de
oxidacin, el estado de oxidacin de alguno o todos sus productos (D), aumenta. Entendindose, por estado de oxidacin de
un tomo, la valencia que esta presenta en una molcula.
El parmetro que controla, el o los estos de oxidacin de los tomos pertenecientes a especies disueltas en un
medio acuoso, es el potencial (E). As, al aumentar el potencial de un medio acuoso, existir una tendencia a aumentar, el
estado de oxidacin de las especies presentes, o tambin el porcentaje de especies con mayor estado de oxidacin de los
tomos y viceversa.
En el siguiente diagrama, se divide en forma cualitativa, las especies oxidantes y reductoras usadas a nivel
laboratorio e industrial en hidrometalurgia.
cc
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
Oxidantes
Aumentan el
Potencial
Reductores
Disminuyen el
Potencial
- NaClO Hipoclorito de sodio
- H2O2 Agua de oxigenada
- Cl2 Cloro gaseoso
- O2 Oxgeno
- Fe3+
Frrico
- NaHS Sulfidrato de sodio
- Na2S Sulfuro de sodio
- H2 Hidrgeno gaseoso
- Cuo Cobre metlico
- Fe2+
Ferroso
- CO Monoxido de carbono
- SO2 Dioxido de azufre
- H2O Agua
- N2 Gas nitrogeno
- Cl- In cloruro
Agentes
Neutros
Fig. 2.1 Clasificacin de Oxidantes y reductores.
En toda semireaccin de reduccin, como la reaccin (2.1), existir un potencial (E) asociado, y si las actividades
de las especies estn en condiciones estndares, concentracin 1M para especies disueltas y 1 atm de presin para gases,
el potencial es estndar y se denomina (E). Los potenciales anteriores, se relacionan con las concentraciones de reactante
y producto, segn la ecuacin (2.4), ecuacin que ser detallada en la seccin (3.1).
OxRed
logn
0.0591EE o (2.4)
En la prctica, los potenciales estndares (E), se obtienen de tablas y son dados para reacciones de reduccin,
as, si uno escribe una reaccin en forma de oxidacin, el potencial asociado sera (-E). Para el caso de una reaccin total,
el potencial total (ET), est dado por la suma de los potenciales de las reacciones de reduccin y oxidacin, tal como se
muestra en las reacciones (2.1), (2.2) y (2.3) y se ver en detalle en la seccin (3.1). El valor ET, debe ser mayor a cero,
para que la reaccin total proceda en forma espontnea, se debe indicar que esta diferencia (ET), no necesariamente tiene
relacin con la cintica de la reaccin.
A causa de que el potencial redox, no tiene un valor absoluto, se toma como referencia el equilibrio H+/H2 a
condiciones estndares dada por la semireaccin (2.5), al cual se le asigna un valor de 0 V, para 1 atm de presin de H2 y
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 9
1M en H+, y ya que la referencia es el electrodo estndar de hidrgeno (ESH), se escribir 0 V(ESH) y los potenciales con
respecto a este sistema, se escribe como Eh y en condiciones estndar como Eho.
2H+ + 2e = H2 (2.5)
En la tabla 2.2 se muestra valores de potenciales de diferentes semireacciones. Como se dijo, para que una
reaccin proceda en forma espontnea, se debe tener Et>0, as, en la tabla 2.2 la reaccin de reduccin debe estar
ubicada en la parte superior con respecto a la de oxidacin, como por ejemplo:
Pd2+ + 2e = Pd (E = 0.951 V) (2.6)
Zn2+ + 2e = Zn (E = -0.7618) (2.7)
Pd2+ + Zn = Pd + Zn2+ E= 0.951 (-0.7618) = 1.7128 (2.8)
Tabla 2.2 Potenciales estndares de diferentes semireacciones.
Semireaccin Eho(V)
Au+ + e = Au
Au3+ + 3e = Au
Pd2+ + 2e = Pd
O2 + 4H+ + 4e = 2H2O
Cu+ + e = Cu
Cu2+ + 2e = Cu
Fe3+ + 3e = Fe
Pb2+ + 2e = Pb
Ni2+ + 2e = Ni
Co2+ + 2e = Co
Fe2+ + 2e = Fe
Zn2+ + 2e = Zn
Al3+ + 3e = Al
Na+ + e = Na
1.692
1.498
0.951
1.229
0.521
0.341
-0.037
-0.126
-0.257
-0.28
0.447
-0.761
-1.662
-2.71
El medio ambiente que nos rodea, es relativamente oxidante, debido a esto, no existen en la naturaleza
elementos al estado metlico que se encuentren en la parte inferior de la tabla 2.2, como por ejemplo, el Al, Na, Zn, etc,
los que siempre se encuentran enlazados a otras molculas, con sus estados de oxidacin mayor a cero.
2.3.1 Potencial del medio acuoso- Toda solucin acuosa tiene asociado un determinado potencial, el cual es
comnmente llamado potencial redox, el que depende del pH, de la temperatura, del tipo y concentracin de iones, etc. En
dicho potencial redox, los distintos iones estn en equilibrio gobernados por la ecuacin (2.4).
Por ejemplo, en medio acuoso el equilibrio del par Fe3+/Fe2+, segn la siguiente semireaccin:
Fe3+ + e = Fe2+ (2.9)
est dado por la siguiente ecuacin:
2
3o
Fe
Felog 0591.0EE (2.10)
2.3.2 El potencial mixto o de reposo- Cuando un slido esta en contacto con una solucin, se forma un potencial en su
superficie, ocurriendo paralelamente semireacciones de oxidacin y reduccin, donde se cumple que la velocidad de
electrones ganados por los reduccin, es igual a la velocidad de electrones perdidos por los oxidacin (figura 2.2a), es
decir, la corriente total de reduccin (catdica) es igual al total de oxidacin (andica). Se asigna a la corrientes andicas
un valor +, las que sumndolas y agrupndolas en una sla, se obtiene una corriente ia, similarmente, a las corrientes
catdicas se les asignan valores -, las que sumando y agrupando en una sla, generan una corriente ic, si se suman estas dos
corrientes se generar una corriente total i, la grfica de las corrientes definidas vs el potencial de la superficie, se
muestra en la figura 2.2b.
Como se dijo, en forma natural en una superficie la corriente catdica (io(-)) es igual a la andica (io(+)), esta
condicin se obtiene bajo un potencial denomidado mixto o de reposo, tal como se muestra en la figura 2.2b.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 10
a) Los electrones perdidos por las reacciones de
oxidacin, son ganados por los de reduccin
b) Grfica de las corrientes andica, catdica y total vs el potencial de la
superficie de la partcula
Fig. 2.2 Potencial en la superficie de una partcula en medio acuoso.
El potencial de reposo no tiene porque ser igual al redox, esto debido a la diferencia de concentracin de iones
en la superficie de la partcula con respecto al de la solucin, es decir, se tiene un perfil de concentracin desde el seno de
la solucin a la superfice de la partcula, lo anterior genera una variacin del potencial desde la solucin a la interfase del
slido, que puede tener diferentes formas, como por ejemplo el que se presenta en la figura 2.3. El potencial de reposo no
es constante y variar del medio donde se encuentre, tal como se muestra en la tabla 2.4.
Fig. 2.3 Variacin del potencial desde la partcula al seno de la solucin.
Tabla 2.3 Potenciales de reposo de minerales sulfurados en distintos medios.
Mineral Solucin T, C Potencial Reposo, mV(ESH)
1M H2SO4 25C 630
1M HClO4 25C 620
1M H2SO4 20C 520
1M HClO4 25C 530
calcosita 1M H2SO4 20C 440
Covelita 1M HClO4 25C 420
Galena 1M H2SO4 20C 280
Esfalerita 1M H2SO4 20C -240
Pirita
Calcopirita
2.3.3 Medicin del potencial de reposo.- Para la medicin del potencial de reposo se necesitan 2 electrodos, uno de
referencia y el otro de la superficie de interes (trabajo), tal como se muestra en la figura 2.4. En el caso del electrodo de
referencia, su valor de potencial no depende del medio, y tiene un valor constante Eref. En el comercio, el electrodo de
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 11
referencia ms comn, es el electrodo de Ag/AgCl, dependiendo su potencial de la concentracin interna del in Cl-, el que
es normalmente de 3M, correspondindole un valor de +0.220V (ESH).
Cuando se sumergen en solucin acuosa ambos electrodos y se conectan sus terminales a un voltmetro, con los
terminales del de trabjo y de referencia en los signos (+) y (-) del voltmetro, respectivamente, se lee un valor E, el cual
esta dado por la ecuacin (2.11), as, el potencial redox sera igual a (E + Eref) con respecto al ESH, y si el electrodo de
referencia es de Ag/AgCl, sera (E + 0.220, en V(ESH)).
E = Ereposo Eref (2.11)
Fig. 2.4 Medicin de potencial mixto.
Cuando el electrodo de trabajo es de platino, este por ser inerte, se tiene que la variacin del potencial desde la
solucin a la superficie de la partcula es mnimo, por lo que al leer el potencial mixto del platino, se estara leyendo el
potencial redox, es decir, se tiene:
EPt = Eredox (2.12)
En el mercado, los electrodos de Pt y Ag/AgCl, son vendidos en un solo cuerpo y es llamado electrodo de
potencial, sin embargo, se debe tener en cuenta que internamente consta de dos electrodos. En la prctica, es comn que
la diferencia de potencial que se lee con este electrodo, se le use en forma normal, sin sumarle el valor del potencial del
electrodo de referencia.
2.3.4 Influencia del potencial redox en el de reposo.- Si se tiene que el potencial redox aumenta, como puede ser
debido a la presencia de agentes oxidantes o disminucin del pH, el potencial de reposo tambin presentar un aumento, y
viceversa, aunque debe aclararse, que la relacin entre ellos no tiene porque ser lineal.
2.3.5 Variacin del potencial redox con el pH.- El medio acuoso a un determinado pH, presenta un determinado valor
de potencial redox, el cual variar en forma casi paralela a lnea de estabilidad del agua, tal como se muestra en la figura
2.5, esto siempre y cuando no se agreguen oxidantes ni reductores externos, ni tampoco ocurran reacciones internas en el
medio acuoso.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 12
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
0 2 4 6 8 10 12 14pH
Po
ten
cia
l, m
V (
ES
H)
pendiente medida = -54.5 mV/pH
pendiente terica = -59 mV/pH
Fig. 2.5 Variacin del potencial redox del agua pura en funcin del pH.
2.4 Clases de disolucin
Existen cuatro clases de disolucin de un compuesto, los cuales se detallan a continuacin:
2.4.1 Disolucin fsica.- Este es el caso ms simple de disolucin, donde el compuesto es totalmente soluble en medio
acuoso. Este es el caso de la disolucin de las sales NaCl, CuCl2 y Fe2(SO4)3, los que se disuelven en agua, segn las
siguientes reacciones:
NaCl Na+ + Cl- (2.13)
CuCl2 Cu2+ + 2Cl- (2.14)
Fe2(SO4)3 2Fe3+ + 3SO4
2- (2.15)
Generalmente, las molculas con enlace inico pertenecen a este tipo de disolucin. En la disolucin, los cristales
se recubren de una capa de solucin saturada de sal, la que se difunde hacia el seno de la solucin, siendo la velocidad de
disolucin gobernada por la agitacin del sistema. La energa de activacin para estos sistemas es menor a 5 kcal/mol.
2.4.2 Disolucin qumica.- Este tipo de disolucin est gobernada por una constante de equilibrio. Este sistema se
representa segn la siguiente reaccin:
AmBn(s) mAn+ + nBm- K = [An+m [Bm-n (2.16)
tal como se observa en las siguientes reacciones:
CuCl(s) Cu+ + Cl- [Cu+ [Cl- = 3.2x10-7 (25C) (2.17)
CoS(s) Co2+ + S2- [Co2+ [S2- = 10-22 (25C) (2.18)
CaCO3(s) Ca2+ + CO3
2- [Ca2+ [CO32- = 1.2x10-8 (25C) (2.19)
Este tipo de disolucin generalmente presentan enlaces covalentes, y su solubilidad (equilibrio) se ve afectada
por la presencia de ciertos iones y ms an, si son iones comunes a los del slido, esto debido a la formacin de complejos.
Por ejemplo, la solubilidad del cloruro cuproso (CuCl) en medio cido, es muy baja, pero si se agrega NaCl al sistema, se
aumenta considerablemente su solubilidad, debido a la formacin de complejos cuprosos de cloro los cuales son muy
estables.
2.4.3 Disolucin electroqumica.- En este tipo de disolucin ocurren cambios de estados de oxidacin, es decir,
reacciones de oxidacin y reduccin. Por lo tanto, para que la disolucin ocurra, se necesita agregar agentes que
modifiquen el potencial del sistema. Ejemplos tpicos, es la disolucin de los metales y los sulfuros, los cuales necesitan
agentes oxidantes. A continuacin se muestran ejemplos de semireacciones de oxidacin con sus respectivos potenciales
standard:
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 13
Cu Cu2+ + 2e Eh = 0.34 V (2.20)
Fe Fe2+ + 2e Eh = -0.44 V (2.21)
CuS Cu2+ + S + 2e Eh = -0.61 V (2.22)
Uno de los agentes oxidantes que normalmente es usado, es el oxigeno, el cual se reduce segn la siguiente
semireaccin:
O2 + 4H+ + 4e 2H2O Eh = 1.2 V (2.23)
Por lo tanto, si consideramos la disolucin del cobre metlico con O2, esta ocurrir segn la siguiente reaccin:
2Cu + O2 + 4H+ 2Cu2+ + 2H2O (2.24)
2.4.4 Disolucin electroltica.- Este tipo de disolucin es igual a la disolucin electroqumica, con la diferencia que en
este caso se impone una corriente elctrica al sistema. Un ejemplo tpico de uso industrial, es la disolucin de los nodos
de cobre en la electrorefinacin de Cu.
En la prctica, es comn que se tengan disoluciones que presenten como mecanismo, mezclas de las disoluciones
detalladas.
2.5 Tipos de enlaces en los cristales
2.5.1 Enlace inico.- Este enlace es producto de las fuerzas electrostticas de atraccin entre aniones y cationes. En
general, en todos los manuales sirve como ejemplo de tal enlace, el que se da en la molcula de NaCl. Este enlace es tpico
para el enlace cristalino.
El cristal compuesto de iones de carga contraria que se atraen, no podra existir, si entre los iones no actuaran al
mismo tiempo fuerzas de repulsin. En efecto, la escasa calidad de compresin del cloruro cristalino de sodio, indica, que
una insignificante reduccin de distancia entre los iones tropieza con una gran resistencia, justamente debido a la
aparicin de considerables fuerzas de repulsin.
El enlace inico, hace que estos cristales se disuelvan en solventes polares, tales como el agua, generando iones
libres, produciendo as, soluciones conductoras. Fsicamente, los cristales con este enlace son por lo general, de dureza y
peso especfico moderado, tienen puntos de ebullicin y fusin generalmente altos y son poco conductores de electricidad
y de calor. Debido a que la carga electrosttica que constituye la conexin inica, est repartida sobre la superficie total
del tomo, este tipo de conexin no es muy direccional, y la simetra del cristal resultante, es por lo general perfecta. La
fuerza de enlace inico, es decir, la cantidad de energa necesaria para romperla, depende de dos factores: la distancia
entre los centros de los dos iones y su carga total, en el caso del NaCl, se cumple rigurosamente esta ley.
2.5.2 Enlace covalente.- En este enlace se comparten electrones para formar la unin de los tomos. Este tipo de
enlace es el ms fuerte de los enlaces qumicos, caracterizndose por su insolubilidad general, gran estabilidad y puntos de
ebullicin y fusin muy altos. La formacin de iones en solucin es muy escasa, por lo que no son conductores de
electricidad, ni en estado slido, ni en solucin. Debido a que las fuerzas elctricas que forman el enlace, estn justamente
localizadas en la vecindad del electrn compartido, el enlace es direccional y la simetra de los cristales resultantes es
menos perfecta que cuando se presenta un enlace inico.
2.5.3 Enlace metlico.- En este tipo de enlace, las unidades estructurales de los metales, son los ncleos atmicos,
unidos por la carga elctrica de una nube de electrones que los rodea. Un electrn no pertenece a un ncleo determinado, y
es libre de moverse por la estructura, o incluso fuera de ella, sin alterar en absoluto el mecanismo del enlace. Las
caractersticas de este enlace, es su gran plasticidad, tenacidad, ductilidad y conductividad, as como sus valores bajos de
dureza, punto de fusin y punto de ebullicin. Entre los minerales, solamente los metales nativos presentan este tipo de
enlace.
2.5.4 Enlace de Van der Waals.- Este tipo de enlace es el ms dbil de todos, interviniendo las llamadas fuerzas de
Van der Waals, los que son de largo alcance y se detallan a continuacin:
i Fuerzas de orientacin (Keesom).- Estas fuerzas pueden considerarse como una accin entre los polos de signo
contrario de dipolos permanentes. Estas pueden ser de dos tipos, in-dipolo y dipolo-dipolo (figura 2.6). En el
primer caso, cuando una molcula polar se acerca a un in, esta se orientar como se sugiere en la figura 2.6 a y
b. En el segundo caso, todas las molculas polares vecinas se orientarn como se muestra en la figura 2.6 c y d,
minimizando as, la energa de interaccin.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 14
a)
b)
c)
d)
Fig. 2.6 Accin de las fuerzas de orientacin.
ii Fuerzas de induccin (Debye).- Este caso se da, cuando a una molcula no polar (molcula orgnica), sin
momento dipolar permanente, es sometida a un campo elctrico, presentando as, un desplazamiento de sus
electrones desde su posicin normal, as la nube de electrones y el ncleo son atradas en direcciones opuestas y
se produce un dipolo inducido. El campo elctrico puede ser provocado, por un in o una molcula con dipolo
permanente, obtenindose as, una atraccin similar al caso anterior.
iii Fuerzas de dispersin (London).- Mediante esta clase de fuerzas pueden atraerse las molculas o tomos, para
los cuales es imposible la atraccin mediante los 2 mecanismos anteriores, ya que las especies involucradas
presentan momento dipolar cero. Para explicar este tipo de fuerza, se debe tener en cuenta que las molculas no
polares, son as, en promedio durante un periodo de tiempo, sin embargo, debido a las oscilaciones constantes de
los electrones alrededor del ncleo, se producen desplazamientos momentneos de los electrones con respecto al
ncleo, crendose as, dipolos transitorios. Este momento dipolar creado cambia rpidamente de magnitud y
direccin, siendo diferente a cero en cortos periodos de tiempo, los que producen un campo elctrico, el cual
induce dipolos en las molculas vecinas. El resultado de esta induccin es una fuerza atractiva, conocida como
fuerza dipolo inducido-dipolo inducido. As, la fuerza de dispersin, es la fuerza instantnea promedio de
atraccin sobre todas las configuraciones de los electrones en la molcula.
iv Enlace de hidrgeno.- El enlace puente de hidrogeno, se trata de un tipo de enlace de la forma A-H entre el
hidrgeno y un grupo donante de protones, donde A es un tomo electronegativo (A: O, N, S, halgeno o C). A
continuacin se esquematiza este enlace:
O
H
O
O
C
O
C H
H
H
2.5.5 Cristales con ms de un tipo de enlace.- En las sustancias naturales, con su tremenda complejidad y
diversidad, la presencia de un solo tipo enlace resulta muy raro, coexistiendo as, en la mayora de los minerales dos o ms
tipos de enlaces. Cuando ocurre esto, el cristal comparte las propiedades de los diferentes tipos de enlaces presentes, y
como resultado de ello, se producen con frecuencia casos de propiedades direccionales muy claras. As, en el grafito la
cohesin de las hojas delgadas de que est formado, es el resultado de un fuerte enlace covalente en el plano de las hojas,
mientras que la excelente exfoliacin, una de las mejores entre los minerales, refleja el enlace Van de Waals, manteniendo
juntas entre s las hojas.
2.6 Tensin superficial e interfacial
En el estado lquido se tiene que las molculas se atraen unas a las otras, en cuanto a las molculas que se
encuentran en el seno de la solucin, en promedio estas estn sujetas a igual fuerza de atraccin en todas las direcciones
(figura 2.7), mientras las que se encuentran en la interfase lquido-aire (u otra interfase), estas experimentan un
desbalance de fuerzas atractivas entre ellas, por lo que experimentan un empuje hacia el seno de la solucin, as, muchas
molculas con frecuencia dejan la superficie del lquido, para dirigirse hacia el seno de la solucin. Por esta razn, las gotas
de lquido y burbujas de gas tienden a ser de forma esfrica. Esta fuerza, que hace que la superficie se contraiga es
conocida como tensin superficial (), por lo que si se desea aumentar el rea superficial de un lquido es necesario
entregar energa al sistema.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 15
Lquido
Aire
Fig. 2.7 Fuerzas atractivas entre las molculas en la superficie y en el interior del lquido.
La tensin superficial puede ser vista desde dos puntos de vista. El primero, es termodinmico y se le debera
llamar energa libre superficial (), definindose como la energa por unidad de rea de una superficie lquida, por lo
tanto, la energa libe total de la superficie del lquido (el cual posee un rea A) sera A, de acuerdo a la termodinmica,
esta energa total debe ser mnima para un volumen determinado, lo cual se logra slo si A es mnimo, esto justifica que las
gotas tengan forma esfrica. El trabajo efectuado al aumentar el rea superficial de un lquido, est dado por:
Trabajo efectuado = W = dA (2.25)
Donde dA, es el cambio de rea de la superficie del liquido. De acuerdo a esta definicin, las unidades de sera
energa/rea, siendo la ms comun ergio/cm2.
Desde un punto de vista fsico, la tensin superficial es la fuerza de contraccin por unidad de longitud que acta
paralelamente a la superficie del lquido. Esta ltima definicin se ilustra en la figura 2.8, donde se tiene un film de jabn,
el cual tiene un lado movible, a este lado movible hay que aplicarle una fuerza externa F, para que el film no se contraiga o
se estire. Si existe un desplazamiento dx de la parte movil, el trabajo efectuado estara dado por:
W = F dx = (2 l) dx = (2 l dx) = (2 dA) (2.26)
En esta ecuacin, el valor de 2 es debido a que el film de jabn posee dos caras, es decir, se tiene dos
superficies, siendo esta ltima ecuacin equivalente a la (2.25). De acuerdo a esta definicin, las unidades de la tensin
superficial seran de fuerza/longitud, siendo la ms usadas dinas/cm. Por lo tanto, se tiene que las dos definiciones de
tensin superficial son equivalentes.
Normalmente, se llama supeficie al lmite entre un lquido y un gas, e interfase al lmite entre dos lquidos. En la
interfase entre dos lquidos, tambin existe un desbalance de fuerzas intermolculares pero de menor mgnitud,
existiendo tambin una tensin entre ambas, llamada tensin interfacial.
Fig 2.8 Estiramiento de un film de jabn con un lado movible.
2.6.1 Agentes tensoactivos.- Se define un agente tensoactivo, como cualquier sustancia que disminuye la tensin
superficial o interfacial del medio en que se disuelve, adsorbindose (concentrndose) en dichas interfases. En general,
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 16
estos agentes se caracterizan por componerse de una parte polar y una no polar (molculas amfiflicas), siendo
normalmente, la porcin no polar de naturaleza hidrocarbonada (tambin puede ser flouorocarbonado) y de poca afinidad
(rechazo) por el medio acuoso; la parte polar, puede envolver casi cualquier grupo funcional de la qumica orgnica, los
cuales tienen afinidad por el medio acuoso, pudiendo contener oxigeno, como los cidos carboxlicos, steres, teres o
alcoholes, tambin puede contener azufre como los cidos sulfnicos o sus steres, adems, elementos como el fsforo,
nitrgeno o un halgeno. Estos agentes tensoactivos, tienden a orientarse en la interfase con su grupo polar dirigido hacia
la fase acuosa y su grupo no polar hacia la fase gaseosa (o aceite). Estos agentes tensoactivos pueden ser inicos o
neutros. En la figura 2.9 se muestra el esquema de un agente tensoactivo, adems de su orientacin en la interfase.
parte no polar
( lipoflico)
parte polar
(hidroflico) acuoso
gas o aceite
Fig. 2.9 Representacin y orientacin esquemtica de los agentes tensoactivos.
2.6.2 La tensin superficial en lixiviacin.- La hidrometalurgia tiene como propsito la disolucin en un medio acuoso
de las especies valiosas. Debido a esto, se necesita que las partculas a tratar sean lo ms hidroflicas posibles, esto con el
fin de que la solucin lixiviante penetre con mayor facilidad en su interior por accin capilar, entendindose por
capilaridad, al conjunto de fenmenos que se producen en la superficie de un lquido, en particular cuando est dentro de
un tubo capilar.
La caracterstica hidroflica (mojabilidad) de un slido, es influenciada por la tensin superficial del lquido,
siendo esta ltima controlable con reactivos respectivos, tal como se ver a continuacin.
2.6.3 El ngulo de contacto y mojamiento.- Cuando una gota es ubicada sobre la superficie de un lquido, esta forma
un ngulo entre las fases lquida y slida (figura 2.10), el cual se define como el ngulo de contacto.
SG
LG
slido
lquido
gas
SL
Fig. 2.10 ngulo de contacto.
Si se realiza un balance de fuerzas en la direccin de la interfase slido/lquido, se obtiene la ecuacin de Young
(se debe aclarar que este anlisis es termodinmico).
SG = SL + LG cos (2.27)
LG
SLSG
cos
(2.28)
Se dice que un lquido moja un slido, cuando
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 17
slido
lquido
gas
Fig. 2.11 Agentes tensoactivos en la interfase lquido/gas y lquido/slido.
2.7 Formacin de complejos
En hidrometalurgia es importante la formacin de complejos, ya que esto da lugar a la disolucin de especies
minerales en condiciones donde no ocurra tal fenmeno, luego, la presencia de la especie acomplejante promueve o
aumenta la disolucin de ciertas partculas.
Un complejo, es la unin de dos o ms especies que pueden existir en forma independiente y son
termodinmicamente estables. Este consta de una especie central (el cual generalmente es un catin), alrededor del cual
se encuentran los ligandos. El acomplejamiento ocurre por etapas y conforme va aumentando la concentracin total del
ligando en el sistema, va variando la estabilidad de los diversos complejos.
A continuacin se muestra el acomplejamiento de un catin metlico con un ligando L- con sus respectivas
constantes de formacin:
Mz+ + L- = ML(z-1) K1 = [ML(z-1) / [Mz+ [L- (2.29)
Mz+ + 2L- = ML2(z-2) K2 = [ML
(z-2) / [Mz+ [L-2 (2.30)
en general:
Mz+ + nL- = MLn(z-n) Kn = [ML
(z-n) / [Mz+ [L-n (2.31)
Estas constantes de formacin, pueden determinarse a partir de las energas libres de formacin de sus
especies, tal como se ver en la seccin (3.1), adems, estas seran para un valor de fuerza inica (I) igual cero. En la
bibliografa, se encuentran diferentes constantes de formacin aparentes (I>0), para los diferentes medios, los cuales
reflejan con mayor veracidad la concentracin de los diferentes complejos.
2.8 Solubilidad del O2 en medio acuoso
Debido a que en lixiviacin es necesario un oxidante, el agente ms abundante y barato usado, es el O2 que se
encuentra en el aire. Por lo que se hace necesario, saber su comportamiento.
El O2 es un buen oxidante natural, el cual puede ser obtenido del aire, sin embargo, este elemento en medio
acuoso presenta baja solubilidad. La solubilidad de este elemento en agua pura, es de 40.58 ppm a una presin de 1 atm de
O2 y de 8.52 ppm a 1 atm de presin de aire (21% O2)(Narita). Se debe indicar, que las ecuaciones dadas para el caso del O2,
se puede usar para otros tipos de gases, realizando las respectivas correcciones.
2.8.1 Influencia de la temperatura.- La solubilidad del O2 disminuye al aumentar la temperatura, segn la siguiente
relacin(Tran):
ST = S298 exp[(1336/T)-4.48] (2.32)
Donde:
ST solubilidad del O2 a la temperatura T
S298 solubilidad del O2 a los 298K
T temperatura en grados kelvin
En la figura 2.12, se muestra la solubilidad del oxigeno en funcin de la temperatura para diferentes electrolitos,
observndose que conforme aumenta temperatura, la solubilidad del O2 va disminuyendo, lo que esta de acuerdo a la
ecuacin (2.32).
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 18
Fig. 2.12 Solubilidad del O2 en diversos electrolitos a diversas temperaturas, PO2 = 1 atm
(Narita).
Si bien un aumento de la temperatura, normalmente incrementa las constantes de velocidad intrnsecas de
reaccin y las de difusin del sistema, la solubilidad del O2 disminuye, por lo que se debe tener un mximo en la
recuperacin. Este efecto se observa en la figura 2.13, donde se presenta un mximo a aproximadamente de 92C al
lixiviar calcosina. De acuerdo a lo anterior, un medio que necesite oxidacin, un aumento de la temperatura es
apropiado, pero tendr efectos negativos a alguna temperatura.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
50 60 70 80 90 100 110
Temperatura, C
Extr
acci
n d
e C
u, %
Fig. 2.13 Extraccin de Cu desde Cu2S en funcin de la temperatura en laboratorio, condiciones: pulpa a 0.6M HCl, 2.4M
NaCl, tiempo 20 min, en presencia de O2(Honores).
2.8.2 Influencia de la fuerza inica.- La solubilidad del O2 disminuye al aumentar la fuerza inica (concentracin
de sales) del sistema, lo cual est dado por la siguiente relacin(Tran):
log(SI/So) = -kiCi (2.33)
Donde:
SI solubilidad del oxigeno a una determinada fuerza inica
So solubilidad del oxigeno en agua pura
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 19
Ci es la concentracin de la especie inica i, mol/l
ki constante semiemprica para la especie inica i, unidades
Esta regla puede verificarse en la figura 2.14, donde se observa la disminucin de la solubilidad de O2 al
aumentar la concentracin de diversos electrolitos.
Fig. 2.14 log(S/So) en funcin de la concentracin de diferentes electrolitos(Narita).
En la siguiente tabla se muestran la solubilidad del O2 para diferentes soluciones de electrolito a diversas
temperaturas.
Tabla 2.4 Solubilidades del O2 (mg/l) (PO2 = 1 atm), en diferentes medios(Yong).
Solucin de Electrolito Temperatura
25C 65C 75C 80C 85C 90C 95C
Agua pura 40.6 23.9 21.4 20.3 19.2 18.3 17.4
0.5M H2SO4/0.5M NaCl 30.2 17.8 15.9 15.0 14.3 13.6 12.9
0.5M H2SO4/2.0M NaCl 18.9 11.2 10.0 9.4 8.9 8.5 8.1
2.0M H2SO4/0.5M NaCl 19.9 11.7 10.5 9.9 9.4 8.9 8.5
0.02M H2SO4/0.5M NaCl 34.5 20.4 18.2 17.2 16.3 15.5 14.8
0.005M H2SO4/0.5M NaCl 34.7 20.5 18.3 17.3 16.4 15.6 14.8
2.8.3 Variacin de la presin con la altitud.- La presin atmosfrica disminuye al aumentar la altitud, lo que conlleva
a que disminuya la presin parcial del O2, y a su vez, a una disminucin en la solubilidad del O2 en medio acuoso. En la figura
2.15 se muestra el valor de la presin atmosfrica a diferentes alturas y en la tabla 2.5 se presenta la variacin de la
solucibilidad del O2 a diferentes alturas y temperaturas.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 20
Fig. 2.15 Variacin de la presin y % O2 en aire en funcin de la altura.
Tabla 2.5 Solubilidad del O2 a diferentes altitudes y temperaturas.
C 0 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 4000
0 14,6 14,1 13,6 13,2 12,7 12,3 11,8 10,9 10,2 9,4 8,7 8,1 7,6 6,6
2 13,8 13,3 12,9 12,4 12,0 11,6 11,2 10,3 9,6 8,9 8,2 7,7 7,1 6,3
4 13,1 12,7 12,2 11,9 11,4 11,0 10,6 9,8 9,1 8,5 7,8 7,3 6,7 6,0
6 12,4 12,0 11,6 11,2 10,8 10,4 10,1 9,3 8,6 8,0 7,4 6,9 6,4 5,7
8 11,8 11,4 11,0 10,6 10,3 9,9 9,6 8,9 8,2 7,6 7,1 6,5 6,1 5,4
10 11,3 10,9 10,5 10,2 9,8 9,5 9,2 8,5 7,8 7,3 6,8 6,3 5,8 5,1
12 10,8 10,4 10,1 9,7 9,4 9,1 8,8 8,1 7,5 7,0 6,4 6,0 5,6 4,9
14 10,3 9,9 9,6 9,3 9,0 8,7 8,3 7,8 7,2 6,6 6,2 5,7 5,3 4,7
16 9,9 9,7 9,2 8,9 8,6 8,3 8,0 7,5 6,9 6,4 5,9 5,5 5,1 4,5
18 9,5 9,2 8,7 8,6 8,3 8,0 7,7 7,2 6,6 6,1 5,7 5,3 4,9 4,3
20 9,1 8,8 8,5 8,2 7,9 7,7 7,4 6,9 6,3 5,9 5,5 5,1 4,7 4,1
22 8,7 8,4 8,1 7,8 7,7 7,3 7,1 6,6 6,0 5,6 5,3 4,9 4,5 4,0
24 8,4 8,1 7,8 7,5 7,3 7,1 6,8 6,3 5,8 5,5 5,1 4,7 4,4 3,8
26 8,1 7,8 7,5 7,3 7,0 6,8 6,6 6,1 5,7 5,2 4,8 4,5 4,2 3,7
28 7,8 7,5 7,3 7,0 6,8 6,6 6,3 5,9 5,4 5,0 4,7 4,3 4,0 3,6
30 7,5 7,2 7,0 6,8 6,5 6,3 6,1 5,7 5,2 4,9 4,6 4,2 3,9 3,5
32 7,3 7,1 6,8 6,6 6,4 6,1 5,9 5,5 5,1 4,7 4,4 4,1 3,8 3,3
34 7,1 6,9 6,6 6,4 6,2 6,0 5,8 5,4 4,9 4,6 4,2 3,9 3,7 3,2
36 6,8 6,6 6,3 6,1 5,9 5,7 5,5 5,2 4,8 4,5 4,1 3,8 3,5 3,1
38 6,6 6,4 6,2 5,9 5,7 5,6 5,4 5,0 4,6 4,3 4,0 3,7 3,5 3,0
40 6,4 6,2 6,0 5,8 5,6 5,4 5,2 4,8 4,5 4,2 3,9 3,6 3,3 2,9
42 6,3 6,1 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 4,7 4,3 4,0 3,7 3,5 3,2 2,9
44 6,1 5,9 5,7 5,5 5,3 5,1 4,9 4,6 4,3 4,0 3,7 3,4 3,1 2,8
46 5,9 5,7 5,5 5,3 5,1 4,9 4,8 4,4 4,1 3,8 3,5 3,3 3,1 2,7
48 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 4,8 4,6 4,3 4,0 3,7 3,5 3,2 2,9 2,6
50 5,6 5,4 5,2 5,0 4,9 4,7 4,5 4,2 3,9 3,6 3,4 3,1 2,9 2,6
Altitud Sobre el Nivel del Mar, m
2.8.4 Variacin de la solubilidad con la presin parcial.- La solubilidad de un gas en medio acuoso, vara segn la
ecuacin (2.34) para bajas presiones parciales del gas, es decir, si la presin aumenta demasiado, se deben realizar las
correcciones respectivas.
SP = kg Pp (2.34)
Donde:
Sp solubilidad de un gas a una presin parcial Pp, ppm (40.6 ppm de O2 a 1 atm)
kg constante que depende del gas, (40.6 ppm/atm para el O2)
Pp presin parcial del gas, atm
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 21
2.8.5 Variacin de la solubilidad mxima con la altura en pulpas agitadas.- En pulpas agitadas en estanques, se
tiene un aumento de la presin desde su superficie superior, la que es funcin de la profundidad medida (h) y est dada por
la ecuacin (2.33). De acuerdo a la seccin anterior, la solubilidad mxima de O2 que se puede lograr a alguna presin
determinada (Ph), esta por la ecuacin (2.34), esta presin est dada por la ecuacin (2.35). Se debe aclarar, que para
alcanzar la solubilidad mxima, hay que someter el sistema a aireacin u oxigenacin constante, debido a que el O2 disuelto
puede estar consumindose en forma constante, por alguna reaccin qumica u otros fenmenos. En la figura 2.16, se
presenta la variacin de la solubilidad de O2 y de la presin en funcin de la altura en un estanque de pulpa, de acuerdo a
los datos adjuntos en la grfica, se observa que la solubilidad mxima a 10 m de altura, puede prcticamente duplicarse.
Estos resultados, tienen incidencia en procesos industriales, tales como la lixiviacin en agitacin para disolver el Au y Ag
desde sus menas.
Ph = Patm + P h/10.33 (2.35)
Sh = kg Ph (2.36)
Donde:
Ph presin total a una profundidad determinada, atm
Patm presin atmosfrica, atm
P densidad de la pulpa, kg/l
h altura determinada, m
kg constante de acuerdo a la ecuacin (2.34)
Sh solubilidad mxima de O2 a una altura determinada, ppm
0
5
10
15
20
0 2 4 6 8 10Profundidad desde la parte superior (h), m
Sh, p
pm
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Ph, atm
Fig. 2.16 Variacin de la solubilidad mxima de O2 y presin total, en funcin de la altura desde la superficie de un
estanque, P 1.4 kg/l, [O2]o 8.52 ppm, Patm 1 atm.
2.9 Clasificacin de los minerales
(Wilfredo Vera)Los componentes inorgnicos estn constituidos por un nmero limitado de especies que en su mayora
tiene una estructura definida, aunque en algunas de ellas esta vagamente determinada. La identificacin de los minerales
permite explicar razonablemente las propiedades del suelo y su comportamiento.
Por su origen, los minerales se pueden clasificar en primarios y secundarios:
Minerales primarios: Son aquellos que se formaron a temperaturas elevadas, a partir del magma fundido y no se
alteraron qumicamente despus de su gnesis. Por lo tanto, provienen de las rocas gneas y metamrficas y a
veces a travs de un ciclo sedimentario.
Minerales secundarios: Son aquellos producidos como resultado de la alteracin de un mineral primario, ya sea
por reemplazo parcial de alguno de sus constituyentes (herencia) o por precipitacin de los productos de
meteorizacin en un orden nuevo, sin relacin estructural con el mineral que le dio origen (neosintesis).
Los minerales, pueden clasificarse de diferentes maneras, pero la basada en su composicin qumica, es la
universalmente aceptada. Las principales divisiones de clasificacin son:
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 22
1 Elementos nativos
2 Sulfuros
3 Sulfosales
4 xidos
a Simples y multiples
b Hidrxidos
5 Haluros
6 Carbonatos
7 Nitratos
8 Boratos
9 Fosfatos
10 Sulfatos
11 Tungstatos
12 Silicatos
Estas clases, se subdividen en familias basndose en los tipos qumicos, y la familia a su vez, se divide en grupos que presentan una gran similitud cristalogrfica y estructural. El grupo esta formado por especies, que pueden formar series entre s, y finalmente, la especie puede presentar variedades.
2.9.1 Elementos nativas.- Se denominan especies nativas, a los elementos que se encuentran en la naturaleza al
estado de oxidacin cero. En la naturaleza, con excepcin de los gases libres en la atmsfera, solamente unos veinte
elementos se encuentran en estado nativo. Estos elementos pueden dividirse en: a) metales; b) semimetales y c) no
metales. En la tabla 2.6, se presentan los elementos nativos ms importantes.
Tabla 2.6.- Elementos nativos.
Grupo Nombre Frmula
Metales
Oro
Plata
Cobre
Platino
Hierro
Au
Ag
Cu
Pt
Fe
Semimetales Arsnico
Bismuto
As
Bi
No metales
Azufre
Diamante
Grafito
S
C
C
2.9.2 Sulfuros.- Los sulfuros constituyen una importante clase de minerales, pues comprenden la mayora de las menas
minerales. Con ellos se clasifican tambin, los seleniuros, telururos, arseniuros y antimoniuros, similares a los sulfuros,
pero siempre muy raros.
Los sulfuros pueden ser divididos en reducidos grupos estructurales, pero no es posible hacer grandes
generalizaciones respecto a su estructura. Muchos de los sulfuros tienen enlaces inicos, pero otros, que poseen la
mayora de las propiedades de los metales, tienen enlaces metlicos, al menos parcialmente. La blenda tiene estructura
similar a la del diamante, y como este, tiene enlaces covalentes.
La frmula general de los sulfuros, es AmXn, en donde A representa los elementos metlicos y X el elemento no
metlico. El orden de enumeracin de los distintos minerales, es la de la proporcin A:X. En la tabla 2.7, se presentan los
minerales sulfurados de mayor inters.
Tabla 2.7 Ejemplos de minerales sulfurados
Nombre Frmula Nombre Frmula
Calcosina
Covelina
Calcopirita
Bornita
Cubanita
Idaita
Pirita
Marcasita
Pirrotita
Argentita
Galena
Blenda
Molibdenita
Cu2S
CuS
CuFeS2
Cu5FeS4
CuFe2S3
Cu3FeS4
FeS2
FeS2
FeS
Ag2S
PbS
ZnS
MoS2
Cinabrio
Rejalgar
Oropimente
Arsenopirita
Estibina
Bismutita
Cobaltina
Calaverita
Niquelina
Silvanita
Estannina
Greenockita
HgS
AsS
As2S3
FeAsS
Sb2S3
Bi2S3
(Co,Fe)AsS
AuTe2
NiAs
(Au,Ag)Te2
Cu2FeSnS4
CdS
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 23
2.9.3 Sulfosal.- El trmino sulfosal, se propuso originalmente para indicar que el mineral era una sal de una serie de
oxicidos, en los cuales el azufre ha sustituido al oxgeno. Dado que dichos cidos, suelen ser simplemente hipotticos,
resulta engaoso tratar as de explicar esta clase de minerales. Sin embargo, el trmino sulfosal es til y se mantiene para
indicar cierto nmero de minerales de azufre diferentes de los sulfuros.
Los sulfuros son minerales en los que el metal o el semimetal, estn combinados directamente al azufre. Si estn
presentes tanto el metal como el semimetal, ste ocupa el lugar del azufre en la estructura, como en el caso de la
arsenopirita, y as acta como un elemento electronegativo. En las sulfosales los semimetales desempean un papel
parecido al de los metales en la estructura, y pueden en cierto sentido, ser considerados como sulfuros dobles. En la tabla
2.8, se presentan las sulfosales de mayor inters.
Tabla 2.8 Sulfosales de mayor inters.
Nombre Frmula Nombre Frmula
Enargita
Tennantita
Tetraedrita
Proustita
Cu3AsS4
Cu12As4S13
Cu12Sb4S13
Ag3AsS3
Pirargirita
Bournonita
Jamesonita
Ag3SbS3
CuPbSbS3
FePb4Sb6S14
2.9.4 xidos.- Los xidos minerales comprenden aquellos compuestos, en que el oxgeno est combinado con uno o ms
metales. Los xidos se clasifican en: xidos simples, xidos mltiples e hidrxidos. Los xidos simples estn compuestos de un metal y oxgeno, son de diferentes tipos con diferentes proporciones A:O (relacin del metal al oxgeno), como AO,
A2O, A2O3. Los xidos mltiples tienen dos tomos de metal no equivalentes (A y B), cuando en alguno de estos compuestos
el hidrgeno ocupa el lugar del metal, como en la goethita (FeOOH), entonces se agrupa con los hidrxidos.
Tabla 2.9 xidos ms comunes.
Tipo Nombre Frmula
Simple
Cuprita
Tenorita
Cincita
Corindon
Hematita
Magnetita
Ilmenita
Rutilo
Pirolusita
Casiterita
Uraninita
Cu2O
CuO
ZnO
Al2O3
Fe2O3
Fe3O4
FeTiO3
TiO2
MnO2
SnO2
UO2
Mltiple
Espinela
Gahnita
Franklinita
Cromita
Crisoberilo
Columnita
MgAl2O4
ZnAl2O4
(Zn,Fe,Mn)(Fe,Mn)2O4
FeCr2O4
BeAl2O4
(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O4
Hidrxidos
Brucita
Manganita
Psilomelano
Diaspora
Goethita
Bauxita
Mg(OH)2
MnO(OH)
(Ba,H2O)2Mn5O10
HAlO2
HFeO2
Al(OH)3
2.9.5 Haluros.- La clase qumica de los haluros, se caracteriza por el predominio de los iones halgenos
electronegativos (Cl-, Br-, F- e I-), que son grandes, tienen carga dbil y se polarizan fcilmente.
Tabla 2.10 Haluros de mayor inters.
Nombre Frmula Nombre Frmula
Halita NaCl Fluorita CaF2
CuCl2.3Cu(OH)2
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 24
Silvina
Querargirita
Criolita
KCl
AgCl
Na3AlF6
Atacamita
Carnalita
MgKCl3.6H2O
2.9.6 Carbonatos.- Cuando el carbono se une con el oxgeno, tiene una fuerte tendencia a ligar dos tomos de oxgeno,
compartiendo con cada uno de estos dos de sus cuatro electrones de valencia para formar una unidad qumica estable. En
la naturaleza el carbono se une tambin con el oxgeno para formar el in carbonato CO32-, cada tomo oxgeno esta ligado
al del carbono, con ms fuerza de la que pueda estar posiblemente ligado a cualquier otro in de la estructura.
Tabla 2.11 Carbonatos de mayor inters.
Nombre Frmula Nombre Frmula
Calcita
Magnesita
Siderita
Rodocrosita
Smithsonita
Dolomita
Ankerita
CaCO3
MgCO3
FeCO3
MnCO3
ZnCO3
(Ca,Mg)(CO3)2
CaFe(CO3)2
Aragonito
Witherita
Estroncianita
Cerusita
Malaquita
Azurita
CaCO3
BaCO3
SrCO3
PbCO3 CuCO3.Cu(OH)2 2CuCO3.Cu(OH)2
2.9.7 Nitratos.- El nitrgeno pentavalente forma con el oxgeno grupos inicos similares al carbonato, que constituyen
el radical monovalente nitrato, NO3- y son los grupos dominantes en los minerales nitratos. Los nitratos de inters, son el
sdico (NaNO3) y el potsico (KNO3).
2.9.8 Boratos.- Los boratos tienen gran inters para los mineralogistas, porque al igual que los aluminofluoruros y los
silicatos, son susceptibles de formar grupos aninicos polimerizados en forma de cadenas, hojas y grupos mltiples
aislados. Se conocen unos 100 minerales boratos, pero slo consideraremos aqu los cuatro ms abundantes: kernita
(Na2B4O7.4H2O), borax (Na2B4O7.10H2O), ulexita (NaCaB5O9.8H2O) y Colemanita (Ca2B5O11.5H2O).
2.9.9 Sulfatos.- Al tratar los sulfuros minerales, hemos visto que el azufre tiene importancia bajo forma de un anin
sulfuro divalente de gran tamao, este in resulta al ocupar dos electrones capturados de las posiciones vacantes del nivel
electrnico exterior o de valencia. El enlace azufre-oxgeno en este grupo inico, es muy fuerte y covalente por sus
propiedades, produciendo grupos fuertemente unidos que no pueden compartir oxgenos. Estos grupos SO42-, radical
sulfato en qumica, son las unidades estructurales fundamentales de los sulfatos minerales.
Tabla 2.12 Sulfatos de mayor inters.
Nombre Frmula Nombre Frmula
Baritina
Celestina
Anglesita
Anhidrita
BaSO4
SrSO4
PbSO4
CaSO4
Antlerita
Yeso
Epsomita
Chalcantita
Alunita
CuSO4.2Cu(OH)2
CaSO4.2H2O
MgSO4.7H2O
CuSO4.5H2O
KAl3(OH)6(SO4)2
2.9.10 Tungstatos.- Los minerales de esta clase qumica, pertenecen principalmente a dos grupos isoestructurales. El
grupo de la wolframita, consiste en cationes divalentes bastantes pequeos, tales como hierro, manganeso, magnesio, nquel
y cobalto, en coordinacin 6 con iones tungstato. En los minerales se observa solucin slida completa entre el hierro
ferroso y el manganeso divalente.
El grupo de la scheelita, contiene compuestos de iones divalentes de mayor tamao, tales como el calcio y plomo,
en coordinacin 8 con iones tungstato y molibdato. El tungsteno y el molibdeno, pueden sustituirse mutuamente. Los
principales minerales son los siguientes: wolframita ((Fe,Mn)WO4) y la Scheelita (CaWO4).
2.9.11 Fosfatos.- Esta clase mineralgica integrada en su mayor parte por fosfatos, es muy numerosa, pero muchos de
sus miembros son tan raros, que no es necesario mencionarlos. De la serie de minerales que se citan a continuacin, el
apatito es el nico que puede ser considerado como corriente.
Tabla 2.13 Fosfatos de mayor inters.
Nombre Frmula Nombre Frmula
Apatito
Trifilita
Ca5(F,Cl,OH)(PO4)3
Li(Fe,Mn)PO4
Lazulita
Escorzalita
Al2(OH)2(Mg,Fe)(PO4)2
Al2(OH)2(Fe,Mg)(PO4)2
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 25
Litiofilita
Monacita
Piromorfita
Vivianita
Li(Mn,Fe)PO4
(Ce,La,Y,Th)PO4
Pb5Cl(PO4)3
Fe3(PO4)2.8H2O
Wavellita
Turquesa
Autunita
Al3(OH)3(PO4)2.5H2O
CuAl6(OH)8(Mg,Fe)(PO4)4.2H2O
Ca(UO2)2(PO4)2.10-12H2O
2.9.12 Silicatos.- La clase de los silicatos es ms importante que cualquier otra, puesto que son silicatos casi un 25% de
los minerales conocidos y cerca del 40% de los minerales corrientes. Con pocas excepciones, todos los minerales que
forman las rocas gneas son silicatos, y stas constituyen ms del 90% de la corteza terrestre.
En la corteza terrestre de cada 100 tomos ms de 60 son de oxgeno, ms de 20 de silicio y de 6 a 7 de
aluminio, correspondiendo unos dos tomos ms, a cada uno de los elementos: hierro, calcio, magnesio, sodio y potasio. As,
podemos imaginar a la corteza terrestre, como un armazn de iones oxgeno, unidos en configuraciones de mayor o menor
complejidad por los iones de silicio y aluminio (ms pequeos y con elevadas cargas). Los intersticios de esta red, ms o
menos continua de oxgeno-silicio-aluminio, estn ocupados por iones magnesio, hierro, calcio, sodio y potasio, en estados
de coordinacin propios de sus radios atmicos.
As, los minerales que predominan en la corteza terrestre son silicatos y xidos, cuyas propiedades dependen de
las condiciones qumicas y fsicas en que fueron originadas.
Tabla 2.14 Clasificacin de los silicatos.
Clase Disposicin de los
tetraedros de SiO4
Proporcin
Si:O
Ejemplos
Neosilicatos
Sorosilicatos
Ciclosilicatos
Inosilicatos
Filosilicatos
Tectosilicatos
Independientes
Parejas
Anillos
Cadenas sencillas
Cadenas dobles
Hojas
Armazones
1:4
2:7
1:3
1:3
4:11
2:5
1:2
Oivino (Mg,Fe)2SiO4
Hemimorfita Zn4(OH)(Si2O7).H2O
Berilo Al2Be3(Si6O18)
Enstatita Mg2(Si2O6)
Tremolita Ca2Mg5(OH)2(Si8O22)
Talco Mg3(OH)2(Si4O10)
Cuarzo SiO2
Debido a la importancia de los silicatos en el procesamiento de los minerales, a continuacin se hace una
descripcin general de cada tipo de ellos(Wilfredo Vera):
i Neosilicatos.- Estn constituidos por tetraedros independientes de SiO44-. No comparten vrtices u oxgenos
con los tetraedros adyacentes, siendo la unin entre ellos a travs de cationes divalentes. Algunas especies
mineralgicas de este grupo son el olivino, granate, zircn. Raramente ocurre una sustitucin isomrfica de Al
por Si, de modo que en trminos generales su frmula corresponde estrictamente a SiO4 o a un mltiplo de ella.
Otra caracterstica notoria de este grupo, es la ausencia de especies con elementos alcalinos en su estructura.
Los nesosilicatos presentan una estructura atmica notoriamente densa y sus propiedades lo reflejan. Son
relativamente duros y salvo algunas excepciones, tienen una densidad mayor que silicatos pertenecientes a otros
grupos. La ausencia de cadenas y lminas en su estructura, se refleja generalmente en la naturaleza
equidimensional de los cristales.
ii Sorosilicatos.- En esta clase dos tetraedros de SiO4 se unen compartiendo un oxgeno, formando grupos
discretos de (Si2O7)6- . En la naturaleza existen unas pocas especies de sorosilicatos simples. Tambin pueden
ocurrir estructuras que contienen grupos de tetraedros dobles y simples independientes y forman el grupo de la
epidota. Debido a que los iones aluminio pueden reemplazar parcialmente al silicio en los tetraedros, la frmula
general para los sorosilicatos es (Si, Al)2O76-. En la estructura de la epidota, existen adems, cadenas de AlO6
9- y
AlO4(OH)27-, generando un exceso de carga negativa que es neutralizada fundamentalmente por Ca, Mg, Fe2+ y Al.
iii Ciclosilicatos.- En esta clase los tetraedros forman una estructura de anillo cerrado. Los tetraedros se unen
compartiendo dos oxgenos, lo que da una frmula general de (SiO3)n2-. Sin embargo, en vez de formar cadenas
rectas, la unin de los tetraedros genera ngulos y finalmente forma una estructura de anillos. Existen pocas
especies mineralgicas de ciclosilicatos, cuyos anillos estn formados por tres y cuatro tetraedros; no obstante,
los de seis tetraedros son abundantes (berilo, turmalina). Anillos formados por cinco o ms seis tetraedros no se
conocen. Todos los nesosilicatos, sorosilicatos y ciclosilicatos se meteorizan fcilmente, de modo que su
presencia en el suelo es limitada. La meteorizacin de stos puede entregar al medio casi todos los cationes
comunes en el suelo, excepto K.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 26
iv Inosilicatos.- En esta clase, los tetraedros de SiO4 se unen entre si, para formar cadenas simples o dobles, de
extensin indefinida. En los inosilicatos de cadena simple (grupo de piroxenos), el tetraedro se une al vecino a
travs de un oxgeno comn, definindose una frmula general (SiO3)2- y los de doble cadena (grupo de los
anfiboles), en la cual dos cadenas simples vecinas unen sus tetraedros por medio de enlaces cruzados, definen
una frmula bsica (Si4O11)6-. Los minerales que pertenecen a ambos grupos tienen estructura y propiedades
qumicas y fsicas muy similares. La unin que existe entre los tetraedros de las cadenas, es ms dbil, que
aquella que mantiene unidos a los tetraedros dentro de la cadena.
Las cadenas de piroxenos estn lateralmente unidas por cationes (Ca, Na, Mg, Fe). Estos minerales tienen alto
contenido de Mg2+ y Fe2+. Sin embargo, la unin entre las cadenas de anfiboles se efecta a travs de planos
formados por estos mismos cationes. En trminos generales, los inosilicatos y en especial los anfiboles, son
frecuentes en suelos no profundamente meteorizados. Tanto anfiboles como piroxenos se encuentran
normalmente slo en la fraccin arena y limo, y no en la fraccin arcilla.
v Filosilicatos.- Estos minerales se forman por polimerizacin en dos dimensiones, uniendo tres vrtices de cada
tetraedro con los vrtices de los vecinos. Esto genera una capa plana de anillos hexagonales de tetraedros, cuya
unidad estructural es (Si4O10)n4-. A su vez, las capas se pueden unir entre si, a travs de cationes (Al, Mg, Fe)
formando enlaces muy fuertes. Las fuerzas de unin dentro de las capas son mayores que las existentes entre
capas, por lo que manifiestan claramente, un clivaje en el plano paralelo a las lminas. En general estos minerales
son blandos, de peso especfico bajo y dentro de ellos se incluyen las micas y los minerales de arcilla, especies
muy frecuentes en los suelos. Por esta razn, los filosilicatos sern tratados separadamente.
vi Tectosilicatos.- En esta clase los tetraedros se unen entre si, formando un armazn tridimensional, donde se
comparten todos sus vrtices, de modo que el grupo estructural queda definido como (SiO2)n. En esta estructura
el oxgeno es compartido por dos tetraedros. Algunos tectosilicatos presentan sustitucin isomrfica (Si por Al),
lo que genera valencias libres que pueden ser neutralizadas por cationes, que en la mayora de los casos es Ca, Na
y K, que se ubican en el interior de las cavidades de la estructura. Dentro de esta clase, se pueden distinguir
otros grupos, segn sea la sustitucin isomrfica y la densidad de la estructura: feldespatos, feldespatoides, zeolitas y slice.
Con respecto a los feldespatos, estos son minerales formadores de rocas igneas primarias y su cristalizacin
est asociada a la cristalizacin del magma. A su vez, la plagioclasa corresponde a la denominacin comn para
feldespatos de sodio y calcio, la proporcin, Ca/Na genera una familia de feldespatos.
2.10 Arcillas(Garca Romero)
Debido a que las arcillas juegan un papel preponderante en los procesos de lixiviacin, dedicaremos esta seccin a
estas especies. El trmino arcilla se considera y se define de diferentes puntos de vista, los que se detallan a
continuacin:
Mineralgicamente engloba a un grupo de minerales (minerales de arcilla), filosilicatos en su mayor parte, cuyas
propiedades fsico-qumicas dependen de su estructura y de su tamao de grano muy fino (
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 27
Mineralgicamente las arcillas son silicatos pertenecientes al grupo de los filosilicatos (tabla 2.13), presentan
una estructura basada en el apilamiento de planos de iones oxgeno e hidroxilos. Los grupos tetradricos (SiO)44-, se unen
compartiendo tres de sus cuatro oxgenos con otros vecinos, formando capas de extensin infinita y frmula (Si2O5)2-, que
constituyen la unidad fundamental de los filosilicatos. En ellas, los tetraedros se distribuyen formando hexgonos. El
silicio tetradrico puede estar en parte sustituido por Al3+ o Fe3+.
Estas capas tetradricas, se unen a otras octadricas de tipo gibsita (Al2(OH)6) o brucita (Mg3(OH)6). En estas
ltimas, algunos Al3+ o Mg2+, pueden estar sustituidos por Fe2+ o Fe3+ y muy raramente por Li, Cr, Mn, Ni, Cu o Zn. El plano
de unin entre ambas capas, est formado por los oxgenos de los tetraedros que se encontraban sin compartir (oxgenos
apicales), y por grupos (OH)- de la capa brucitica o gibsitica, de forma que en este plano, quede un (OH)- en el centro de
cada hexgono formado por 6 oxgenos apicales. El resto de los (OH)- son reemplazados por los oxgenos de los tetraedros
(Figura 2.17).
Una unin similar puede ocurrir en la superficie opuesta de la capa octadrica. As, los filosilicatos pueden estar
formados por dos capas: tetradrica ms octadrica y se denominan bilaminares, 1:1, o T:O; o bien por tres capas: una
octadrica y dos tetradricas, denominndose trilaminares, 2:1 o T:O:T. A la unidad formada por la unin de una capa
octadrica ms una o dos tetradricas se la denomina lmina.
Si todos los huecos octadricos estn ocupados, la lmina se denomina trioctadrica (Mg2+ dominante en la capa
octadrica). Si slo estn ocupadas dos tercios de las posiciones octadricas y el tercio restante est vacante, se
denomina dioctadrica (el Al3+ es el catin octadrico dominante).
En algunos filosilicatos (esmectitas, vermiculitas, micas), las lminas no son elctricamente neutras, debido a las
sustituciones de unos cationes, por otros de distinta carga. El balance de carga se mantiene por la presencia, en el espacio
interlaminar o espacio existente entre dos lminas consecutivas, de cationes (como por ejemplo en el grupo de las micas),
cationes hidratados (como en las vermiculitas y esmectitas) o grupos hidroxilo coordinados octadricamente, similares a
las capas octadricas, como sucede en las cloritas, a stas ltimas tambin se las denomina T:O:T:O o 2:1:1. La unidad
formada, por una lmina ms la interlmina es la unidad estructural. Los cationes interlaminares ms frecuentes son
alcalinos (Na y K) o alcalinotrreos (Mg y Ca).
Las fuerzas que unen las diferentes unidades estructurales, son ms dbiles que las existentes entre los iones
de una misma lmina, por ese motivo los filosilicatos tienen una clara direccin de exfoliacin paralela a las lminas.
Cationes intercambiables
nH2O
Oxigenos Hidroxilos Aluminio, fierro, magnesio
Silicio, ocasionalmente Aly Potasio
Fig. 2.17 Dibujo esquemtico de la estructura de la moscovita.
2.10.2 Clasificacion.- Los filosilicatos se clasifican atendiendo a que sean bilaminares o trilaminares y dioctadricos o
trioctadricos (Tabla siguiente). Como puede verse, pertenecen a los filosilicatos grupos de minerales tan importantes
como las micas y las arcillas.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 28
Tabla 2.15 Clasificacin de los filosilicatos.
DIOCTADRICOS TRIOCTADRICOS CARGA
BILAMINARES
T:O (1:1) CANDITAS
Caolinita
SERPENTINA
Antigorita
X=0 Nacrita Crisotilo
Dickita Lizardita
Halloisita Bertierina
TRILAMINARES
T:O:T (2:1)
Pirofilita Talco X=0
ESMECTITAS
Montmorillonita
ESMECTITAS
Saponita
Beidellita Hectorita X=0.2-0.6
Nontronita
Vermiculitas Versiculitas X = 0,6-0,9
Illitas X=0.9
MICAS Moscovita
MICAS
Biotita
X=1 Paragonita Flogopita
Lepidolita
T:O.T:O (2:1:1) CLORITAS
FIBROSOS Paligorskita FIBROSOS Paligorskita
2.10.3 Propiedades fsico-qumicas.- Las importantes aplicaciones industriales de este grupo de minerales, radican en
sus propiedades fsico-qumicas. Dichas propiedades derivan, principalmente de:
Su tamao de partcula extremadamente pequeo (inferior a 2 m)
Su morfologa laminar (filosilicatos)
Las sustituciones isomrficas, que dan lugar a la aparicin de cargas en las lminas y a la presencia de cationes
dbilmente ligados en el espacio interlaminar.
Como consecuencia de estos factores, las arcillas presentan por una parte, un valor elevado del rea superficial,
y a la vez, la presencia de una gran cantidad de superficie activa con enlaces no saturados. Por ello, pueden interaccionar
con diversas sustancias, en especial compuestos polares, por lo que tienen comportamiento plstico en mezclas arcilla-agua,
con elevada proporcin slido/lquido y son capaces en algunos casos de hincharse, con el desarrollo de propiedades
reolgicas en suspensiones acuosas.
Por otra parte, la existencia de carga en las lminas, se compensa como ya se ha citado, con la entrada en el
espacio interlaminar de cationes dbilmente ligados y con estado variable de hidratacin, que pueden ser intercambiados
fcilmente mediante la puesta en contacto de la arcilla con una solucin saturada en otros cationes, a esta propiedad se la
conoce como capacidad de intercambio catinico y es tambin la base de multitud de aplicaciones industriales.
2.10.4 Superficie especfica.- La superficie especfica o rea superficial de una arcilla, se define como el rea de la
superficie externa, ms el rea de la superficie interna (en el caso de que esta exista) de las partculas constituyentes por
unidad de masa, expresada en m2/g. Las arcillas poseen una elevada superficie especfica, muy importante para ciertos
usos industriales, en los que la interaccin slido-fluido depende directamente de esta propiedad. A continuacin se
muestran algunos ejemplos de superficies especficas de arcillas:
Caolinita de elevada cristalinidad hasta 15 m2/g Caolinita de baja cristalinidad hasta 50 m2/g Halloisita hasta 60 m2/g Illita hasta 50 m2/g Montmorillonita 80-300 m2/g Sepiolita 100-240 m2/g Paligorskita 100-200 m2/g
2.10.5 Capacidad de intercambio catinico.- Es una propiedad fundamental de las esmectitas. Esta propiedad, mide la
capacidad de cambiar fcilmente los iones fijados en la superficie exterior de sus cristales, en los espacios interlaminares
o en otros espacios interiores de las estructuras, por otros existentes en las soluciones acuosas envolventes. La capacidad
de intercambio catinico (CEC), se puede definir como la suma de todos los cationes de cambio que un mineral puede
adsorber a un determinado pH. Es equivalente a la medida del total de cargas negativas del mineral. Estas cargas negativas
pueden ser generadas de tres formas diferentes:
Sustituciones isomrficas dentro de la estructura
Enlaces insaturados en los bordes y superficies externas
Disociacin de los grupos hidroxilos accesibles.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 29
El primer tipo es conocido como carga permanente y supone un 80 % de la carga neta de la partcula; adems es
independiente de las condiciones de pH y actividad inica del medio. Los dos ltimos tipos de origen, varan en funcin del
pH y de la actividad inica, corresponden a bordes cristalinos, qumicamente activos y representan el 20% de la carga total
de la lmina. A continuacin se muestran algunos ejemplos de capacidad de intercambio catinico (en meq/100 g) a pH 7,
aunque se debe aclarar, que este parmetro no tiene porque ser constante y tiene que ser determinado segn las
condiciones experimentales respectivas.
Caolinita: 3-15
Atapulgita: 0-30
Halloisita: 10-40
Illita: 10-50
Clorita: 10-50
Vermiculita: 100-200
Montmorillonita: 80-200
Sepiolita-paligorskita: 20-35
2.10.6 Capacidad de absorcin.- Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicacin, en el sector de los
absorbentes, ya que pueden absorber agua u otras molculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales
estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorcin, est directamente relacionada con las caractersticas
texturales (superficie especfica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difcilmente se dan de
forma aislada: absorcin (cuando se trata fundamentalmente de procesos fsicos como la retencin por capilaridad) y
adsorcin (cuando existe una interaccin de tipo qumico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el lquido o gas
adsorbido, denominado adsorbato).
La capacidad de adsorcin, se expresa en porcentaje de absorbato con respecto a la masa y depende para una
misma arcilla, de la sustancia de que se trate. La absorcin de agua de arcillas absorbentes es mayor del 100% con
respecto al peso.
2.10.7 Hidratacin e hinchamiento.- La hidratacin y deshidratacin del espacio interlaminar, son propiedades
caractersticas de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales. Aunque hidratacin y
deshidratacin ocurren con independencia del tipo de catin de cambio presente, el grado de hidratacin s est ligado a la
naturaleza del catin interlaminar y a la carga de la lmina.
La absorcin de agua, en el espacio interlaminar, tiene como consecuencia la separacin de las lminas dando lugar
al hinchamiento (figura 2.18). Este proceso depende del balance entre la atraccin electrosttica catin-lmina y la
energa de hidratacin del catin. A medida que se intercalan capas de agua y la separacin entre las lminas aumenta, las
fuerzas que predominan son de repulsin electrosttica entre lminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento
pueda llegar a disociar completamente unas lminas de otras. Cuando el catin interlaminar es el sodio, las esmectitas
tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociacin de cristales individuales
de esmectita, teniendo como resultado un alto grado de dispersin y un mximo desarrollo de propiedades coloidales. Si
por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de intercambio, su capacidad de hinchamiento ser mucho ms reducida. En
la figura 2.19, se muestra el % de humedad retenida de una muestra al aumentar la proporcin de caoln, observndose
claramente el efecto de atrapamiento de humedad del caoln.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 30
Fig. 2.18 Esquematizacin de la absrocin del agua en la estructura de la arcilla.
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100caoln, %
rete
nc
in
de
hu
me
da
d, %
Fig. 2.19 Variacin de la retencin de la humedad en funcin del % de caolin(Arcillas).
2.10.8 Plasticidad.- Las arcillas son eminentemente plsticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una
envoltura sobre las partculas laminares, produciendo un efecto lubricante, que facilita el deslizamiento de unas partculas
sobre otras cuando se ejerce un esfuerzo sobre ellas.
La elevada plasticidad de las arcillas, es consecuencia nuevamente, de su morfologa laminar, tamao de partcula
extremadamente pequeo (elevada rea superficial) y alta capacidad de hinchamiento.
La relacin existente entre el lmite lquido y el ndice de plasticidad, ofrece una gran informacin sobre la
composicin granulomtrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la arcilla. En general, cuanto ms pequeas son las
partculas y ms imperfecta su estructura, ms plstico es el material.
2.10.9 Tixotropa.- La tixotropa, se define como el fenmeno consistente en la prdida de resistencia de un coloide, al
amasarlo, y su posterior recuperacin con el tiempo. Las arcillas tixotrpicas, cuando son amasadas se convierten en un
verdadero lquido. Si a continuacin se las deja en reposo, recuperan la cohesin, as como el comportamiento slido. Para
que una arcilla tixotrpica, muestre este comportamiento especial, deber poseer un contenido en agua prximo a su lmite
lquido. Por el contrario, en torno a su lmite plstico, no existe posibilidad de comportamiento tixotrpico.
2.10.10 Grupos de minerales de la arcilla.- En funcin de la estructura de las capas, las sustituciones inicas y los
elementos presentes en el espacio interlaminar, se distinguen varios grupos de minerales de la arcilla:
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 31
i Grupo de la caolinita: Incluye caolinita, dickita, nacrita y haloisita. Son los minerales con mayor contenido en
almina y se caracterizan por su elevada refractariedad, constituyendo la base de las pastas de coccin blanca.
ii Grupo de las esmectitas (o montmorillonita): Abarca minerales de la arcilla de composicin muy variada debido
a la elevada capacidad de intercambo catinico, lo que provoca frecuentes sustituciones de iones en su
estructura, y a la presencia de cationes en el espacio interlaminar. El amplio espacio existente entre las capas
favorece la entrada de lquidos, especialmente de agua, facilitando la dilatacin o hinchamiento de las arcillas.
Esta caracterstica, a pesar de mejorar su plasticidad, ocasiona problemas durante el secado, por riesgo de
agrietamiento de las piezas, por lo que las esmectitas no son aconsejables como materia prima para cermica.
iii Grupo de la ilita: agrupa minerales de estructura similar a las micas, pero con un mayor contenido en agua y con
menos potasio, sustituido en parte por calcio y magnesio. Se caracterizan por sufrir vitrificacin temprana
durante el proceso de coccin. Son un constituyente comn de las pastas empleadas en fabricacin de ladrillos,
tejas y baldosas.
iv Grupo de la clorita: Est formado por filosilicatos de aluminio y magnesio hidratados con cierto porcentaje de
hierro, lo que les confiere un color verdoso. Se usan como materia prima para fabricar piezas de cermica
estructural (ladrillos, tejas y bloques).
v Grupo de los minerales fibrosos (sepiolita y paligorskita): son arcillas con un contenido en dichos minerales
superior al 50%. Tienen hbito fibroso con una enorme rea superficial debida tanto al pequeo tamao de
partcula como la porosidad que presenta su estructura.
2.10.11 Proceso de formacin.- Las arcillas pueden originarse por neoformacin o por transformacin de otros minerales
ya existentes. mbos mecanismos estn condicionados por la influencia del clima, la existencia de actividad geotrmica y
los procesos de diagnesis.
La formacin de arcillas por efecto del clima en las rocas y los suelos es el principal proceso de formacin de
arcillas en la superficie terrestre, e incluye la disgregacin fsica de la roca madre y la descomposicin qumica de sus
minerales. Est determinada por la naturaleza de la roca madre, los parmetros climticos (principalmente temperatura y
pluviosidad), la topografa, la vegetacin, la existencia de actividad biolgica y el periodo de tiempo durante el cual estos
factores operen.
La gnesis de las arcillas es un proceso clave en la formacin de suelos, por ser minerales caractersticos del
mismo. Est ntimamente ligada a reacciones de hidrlisis de rocas que contengan en su composicin silicio y aluminio. Estas
reacciones pueden desarrollarse en el medio hidrotermal (durante la formacin de un depsito mineral), o como procesos
exgenos (bajo condiciones atmosfricas), una vez que las rocas por erosin se encuentran en la superficie o su
proximidad. Se producen debido a que el CO2 disuelto en el agua de lluvia o de los ros forma cido carbnico, que
reacciona con los feldespatos, induciendo la formacin de minerales del grupo de la arcilla. A continuacin se muestran
tres ejemplos de formacin de caolinita, Al2Si2O5(OH)4:
1) Hidrlisis de anortita (plagioclasa clcica):
CaAl2Si2O8 + 2H2CO3 + H2O Ca2+ + 2HCO3
- + Al2Si2O5(OH)4
2) Hidrlisis de la albita (plagioclasa sdica):
2NaAlSi3O8 + 2H2CO3 + 9H2O 2Na+ + 2HCO3
- + Al2Si2O5(OH)4 + 4H2SiO4
3) Hidrlisis de la ortoclasa (feldespato potsico):
2KAlSi3O8 + 2H2CO3 + 9H2O 2K+ + 2HCO3
- + Al2Si2O5(OH)4 + 4H2SiO4
Como se ha mencionado anteriormente, el clima, a travs de los parmetros de humedad y temperatura, controla
fuertemente el proceso formador de arcillas a partir de los silicatos (figura 2.20). As, en condiciones de humedad y calor
la hidrlisis dar lugar a arcillas caolinticas, e incluso a un residuo final de gibbsita, Al(OH)3. Por el contrario, en climas
ridos la arcilla predominante resulta ser del tipo illita-esmectita. Debido a la influencia del clima y de la composicin de la
roca madre, los procesos formadores de arcillas son extraordinariamente complejos. En el siguiente cuadro se muestran,
de manera simplificada, distintos tipos de suelos arcillosos que se originaran en diferentes climas.
-
Apuntes de lixiviacin: Santiago Honores Meza 32
Figura 2.20. Tipos y espesores caractersticos de suelos formados en las distintas zonas climticas.
Otra va posible de formacin de arcillas es el transporte y posterior sedimentacin de las partculas originadas
tras la erosin de la roca madre por alguno de los mecanismos anteriormente mencionados. Cuando un medio que transporta
partculas pierde energa, estas tienden a depositarse, lo que se conoce como sedimentacin detrtica. Los minerales de la
arcilla, por su pequeo tamao, son transportados en forma de suspensin coloidal, lo que hace que puedan seguir siendo
trasladadas incluso mediante aguas no agitadas. El depsito se produce por el proceso fsico-qumico de floculacin, que
puede tener lugar de forma conjunta y simultnea al depsito de las partculas mayores, o con posterioridad, en zonas ms
tranquilas. En el primer caso se origina la matriz de las rocas detrticas, es decir, la componente intergranular fina,
arcillosa, de los conglomerados y arenas o areniscas, mientras que en el segundo se da origen a las rocas arcillosas (lutitas,
pelitas).
A menudo, estos sedimentos arcillosos contienen minerales de inters minero, que se depositan de manera
conjunta en yacimientos de tipo placer.
En ellos, la separac