Cálculo del consumo de ácido: balance en lixiviación y POX

Qué es un balance de ácido y por qué decide la economía

Un balance de ácido es un libro contable cuantitativo: registra cada reacción que genera o consume H2SO4 en un circuito y cierra en un único valor neto, expresado en kg de H2SO4 por tonelada seca de alimentación. Se construye por tonelada para diseño y ensayos, o por día para conciliación operativa; la forma por tonelada es la referencia. El consumo de ácido por ganga (GAC) mide el ácido que consumen los carbonatos y silicatos reactivos, que de otro modo quedaría disponible para disolver metal. La acidez libre —H2SO4 residual en solución, en g/L— es la variable de control que el balance predice.

El signo del neto decide dinero real. Los concentrados sulfurados tratados por oxidación a presión suelen ser generadores netos: la pregunta de capital no es cuánto ácido comprar, sino qué tamaño debe tener la planta de neutralización con caliza y cuánto yeso producirá el efluente, que a su vez fija las cargas del espesador y del depósito de relaves. Los minerales oxidados de cobre son consumidores netos; allí un GAC subestimado significa acidez libre en caída, extracción pobre y flete de ácido de emergencia. El ácido es habitualmente el primer o segundo costo de reactivo, y un error del 10% en el cálculo se propaga directo al presupuesto de reactivos, al dimensionamiento de tanques y al cumplimiento de efluentes.

El balance también disciplina la lectura de los ensayos. Un ensayo de botella que reporta «45 kg/t de consumo de ácido» sin aclarar si incluye el reactivo de neutralización o las pérdidas en la humedad de los sólidos lavados no es escalable, y dos laboratorios con convenciones distintas reportarán cifras distintas sobre el mismo mineral. Por eso el balance es, ante todo, una convención contable coherente: una base, un juego de factores y una verificación de cierre contra la química de la solución, aplicada igual desde el primer ensayo de botella hasta la conciliación anual entre ácido comprado y ácido consumido.

Estequiometría de referencia para lixiviación y POX

Cada término del balance se reduce a una reacción balanceada con un factor másico fijo. Convención: la oxidación de sulfuro a sulfato es el término generador central; la precipitación de hierro es un ajuste que deja el sulfato libre o lo encierra en un sólido, evitando el doble conteo clásico de la hidrólisis férrica.

La oxidación de azufre elemental a sulfato (S + 1,5 O2 + H2O → H2SO4) libera 3,06 kg de H2SO4 por kg de S sulfurado oxidado. La misma cifra se obtiene escribiendo la reacción de la pirita con el hierro a hematita o a hidróxido férrico: la hidrólisis férrica ya está incorporada en ese factor. Cuando el hierro precipita como sulfato básico (FeOHSO4) o como jarosita, el sulfato sale de la solución y queda retenido en el sólido: 1,75 kg equivalente de H2SO4 por kg de Fe en BIS, y 1,17 kg en jarosita, que retiene 2/3 de mol por mol de Fe. Es la palanca más grande de la estequiometría de POX: con ~0,875 kg de Fe por kg de S, la mineralogía del hierro mueve el balance en cientos de kg/t. Las autoclaves calientes y ácidas favorecen la hematita; la operación más fría favorece las sales básicas. La biooxidación precipita el hierro sobre todo como hidróxidos y jarositas.

Convención de signos: los factores positivos añaden acidez libre; los negativos la retiran.

Cálculo paso a paso

1. Fijar la base. Una tonelada seca de alimentación como referencia; toda masa se refiere a esa base y la humedad es un término de solución aparte.
2. Ensayar las especies. Se necesita S sulfurado (por diferencia con el S total), Fe, CO3 carbonático con reparto calcita/dolomita cuando sea posible, y una lectura de arcillas reactivas.
3. Fijar los avances desde ensayos. Porcentaje de oxidación, reparto de especiación del hierro y extracciones de metal salen de datos de lote o piloto, nunca de supuestos.
4. Sumar la generación. S sulfurado oxidado × 3,06, menos el sulfato retenido a −1,75 (BIS) o −1,17 (jarosita) por kg de Fe.
5. Sumar el consumo. Factores sobre los minerales de GAC, sobre cada kg de metal disuelto (1,54 para Cu de crisocola, 0,77 para Cu de calcosina), sobre reactivos de neutralización y sobre el ácido en la humedad de los sólidos lavados.
6. Cerrar contra la química de solución. Generación neta menos consumo, dividido por el volumen de solución por tonelada, predice la acidez libre en g/L; si no coincide con el objetivo, lo habitual es que esté mal el balance y no la planta.
7. Convertir a régimen de planta. Multiplicar kg/t por toneladas secas por día, corregir por concentración comercial (98% w/w típico) y llevar una contingencia de 10–20%.

Ejemplo 1: concentrado de pirita en POX

Concentrado con 32% de S sulfurado, todo como pirita, tratado en autoclave POX; el hierro sigue la estequiometría: 32 × (56/64) = 28,0% Fe. Supuestos: 98% de oxidación, 75% del hierro a hematita y 25% a BIS, calcita 2,5%, caolinita reactiva 4,0%, descarga a 15 g/L de acidez libre y 30 wt% de sólidos.

• S oxidado = 320,0 × 0,98 = 313,6 kg
• Potencial ácido = 313,6 × 3,06 = 959,6 kg H2SO4
• Fe oxidado = 274,4 kg; Fe a BIS = 274,4 × 0,25 = 68,6 kg
• Sulfato retenido en BIS = 68,6 × 1,75 = 120,1 kg equivalentes
• Generación neta = 959,6 − 120,1 = 839,5 kg
• GAC = (25,0 × 0,98) + (40,0 × 1,14) = 24,5 + 45,6 = 70,1 kg
• Excedente neto = 839,5 − 70,1 = 769,4 ≈ 770 kg H2SO4/t

El concentrado no requiere ácido comprado: es un generador neto de unos 770 kg/t, de modo que el verdadero problema ácido está aguas abajo, en la neutralización. La descarga a 30 wt% de sólidos lleva 2,33 m³ de agua por tonelada; a 15 g/L son 35,0 kg de H2SO4, que piden 35,7 kg de CaCO3, es decir 37,6 kg de caliza al 95% —alrededor de 45 kg/t con un margen del 20% para Fe, Mg y Al disueltos.

Ejemplo 2 y sensibilidad

Mineral oxidado con sulfuros secundarios, lixiviado por agitación: Cu 0,80%, 60% del cobre como crisocola, 25% como calcosina con 70% de extracción, GAC 45,0 kg/t, pulpa al 40 wt% de sólidos, objetivo de 8 g/L de acidez libre, 20% de humedad en sólidos lavados y 5 g/L residuales en el licor de lavado.

• Cu de crisocola disuelto = 8,0 × 0,60 = 4,8 kg → 4,8 × 1,54 = 7,4 kg
• Cu de calcosina disuelto = 8,0 × 0,25 × 0,70 = 1,4 kg → 1,4 × 0,77 = 1,1 kg
• GAC = 45,0 kg; solución por tonelada = (1 − 0,40)/0,40 = 1,50 m³ → ácido libre retenido = 12,0 kg
• Ácido en humedad = 0,20 m³ × 5 g/L = 1,0 kg
• Total = 7,4 + 1,1 + 45,0 + 12,0 + 1,0 = 66,5 kg H2SO4/t

En régimen discontinuo y de una sola pasada el consumo es 66,5 kg/t. En un circuito continuo con licor de lavado CCD recirculado, los 12,0 kg de acidez libre son inventario de trabajo y no consumo, y la reposición en régimen cae a unos 54,5 kg/t: la base debe declararse siempre.

El GAC mueve el balance uno a uno y domina sobre todo lo demás; la acidez libre objetivo multiplicada por el volumen de solución es la segunda palanca, y las pulpas densas salen más baratas en ácido además de en tamaño. La ley y la mineralogía del cobre apenas importan con estos factores (≤1,5 kg de H2SO4 por kg de Cu). En alimentaciones POX el orden se invierte: bajar de 98% a 95% de oxidación recorta la generación en 9,6 × 3,06 = 29,4 kg/t, mientras mover el reparto de hierro de 25% a 50% en BIS retiene 68,6 × 1,75 = 120,1 kg/t adicionales.

Los errores que más distorsionan el cálculo

1. Confundir base húmeda y seca. El consumo parece 5–15% mejor que las compras reales. En concentrados, un error de humedad por debajo del 1% equivale a 10 kg/t: declare «base seca» en cada cifra y reconozca humedades mensualmente.
2. Ignorar el ácido en la humedad de los sólidos lavados. El balance predice 55 kg/t y la planta consume 58–60: el ácido del agua intersticial que sale con los relaves nunca se contó. Añádalo como línea explícita de consumo.
3. Olvidar el reactivo de neutralización. La planta de caliza queda corta en la puesta en marcha porque la neutralización se trató como «tratamiento de agua» y no como término del balance; cierre el balance sobre todo el diagrama, incluido el yeso.
4. Duplicar la hidrólisis férrica. El requisito neto sale absurdamente alto en alimentaciones de pirita porque se sumó la liberación por hidrólisis sobre el término completo sulfuro→sulfato. Use una sola convención: nunca ambas.
5. Usar S total en lugar de S sulfurado. La generación se sobreestima en concentrados con sulfato residual; pida S sulfurado por diferencia o especiación mineralógica en cada compósito.
6. Suponer oxidación o retención completas. El balance muestra un excedente cómodo y la autoclave trabaja con hambre de ácido: ancle el porcentaje de oxidación y el reparto de hierro a ensayos de residuo y evalúe 95%, 98% y 100% antes de fijar el diseño.
7. Ignorar la concentración del ácido y las impurezas recirculantes. El tonelaje comprado «desaparece» porque se contabilizó al 100% en vez de 98% w/w, y los sulfatos de Mg y Al que se acumulan consumen ácido de forma invisible; el magnesio suele ser el culpable en circuitos con agua de pozo.

Del laboratorio a la planta

Las cifras de laboratorio y las compras de planta nunca coinciden exactamente, y la brecha es diagnosticable. Los ensayos de botella y agitados son sistemas cerrados: volumen de licor fijo, lavado final completo, sin corrientes de recirculación. La planta opera circuitos abiertos con recirculación de solución, mezclas de mineral cambiantes, ácido comercial por debajo de su concentración nominal y balances de agua estacionales; además, los ensayos en tanque agitan y lavan más que una batería CCD, así que la predicción de laboratorio lleva un optimismo silencioso. El hábito de conciliación es simple: toda cifra sobre base 100% H2SO4 y tonelada seca, entregas contabilizadas por ensayo y no por volumen de factura, y luego atribuir la brecha término por término.

Un ejemplo ilustrativo: una campaña de botella predice 62 kg H2SO4/t (base 100%) para un mineral oxidado; doce meses de datos de planta arrojan compras equivalentes a 71 kg/t de ácido comercial. Corrigiendo por concentración: 71 × 0,98 = 69,6 kg/t, es decir una brecha de 7,6 kg/t. Asignación de causas: las pérdidas en sólidos lavados fueron 3,0 kg mayores por una relación de lavado CCD por debajo del diseño; el GAC subió 4,5 kg/t al entrar la mina en una zona más dolomítica; la medición y el redondeo de ensayos explican los 0,1 kg/t restantes. El libro cierra en 69,5 frente a 69,6 kg/t. Reconstruido cada trimestre, este balance detecta la deriva de zona meses antes de que llegue al pronóstico de producción y sostiene negociaciones de contrato defendibles: donde domina el GAC, gestionar la mezcla es gestionar el ácido. Para diagramas nuevos, una campaña piloto integrada cierra la mayor parte de la incertidumbre antes de firmar el contrato de reactivos.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre consumo y generación de ácido?

La generación es el ácido creado dentro del circuito, principalmente por oxidación de sulfuro a sulfato a 3,06 kg de H2SO4 por kg de S. El consumo es el ácido retirado por neutralización de ganga, disolución de metales, precipitación y pérdidas en humedad. El requisito neto es la generación menos el consumo: positivo significa ácido comprado; negativo significa un deber de neutralización.

¿Cómo se pasa de kg/t a demanda diaria de reactivo?

Multiplique la cifra por tonelada por las toneladas secas lixiviadas al día y divida por la fracción de concentración comercial (0,98 para ácido al 98%). Un circuito que consume 66,5 kg/t a 5.000 t/d secas requiere 332,5 t/d de ácido al 100%, unos 339 t/d al 98%, es decir del orden de 124.000 t/año. Un objetivo de acidez libre más alto acelera la disolución de óxidos de cobre, pero eleva el consumo de ganga y las pérdidas en humedad, así que el óptimo es económico: súbalo solo cuando los ensayos muestren un beneficio de recuperación superior al costo marginal del reactivo.

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