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Artículo de investigación enfocado en los procesos de separación mediante electrostática y magnetismo, mineralurgia e ingeniería....

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29/07/2020

Proceso de separación de minerales mediante magnetismo y electrostática Separation process of minerals by magnetism and electrostatics Universidad Santo Toribio de Mogrovejo-Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica Albines Chuna, Jesús Iván/Arriola Gil Luciana /Cieza Rojas Wagner

Resumen En el presente artículo hablaremos acerca del proceso de separación de minerales mediante magnetismo y electrostática en la mineralurgia y sus respectivas fórmulas en el campo de la física, tomando como ejemplo el proyecto Capacsaya de Cusco (proceso electrostático), tomando como referencia el trabajo titulado “Procesos de Separación Magnética y electrostática de Tierras Raras: Caso de Estudio Proyecto Capacsaya, Norte del Cusco” realizado por M. Vera, J. Ochoa, R. CruzSaco, E. Carrera, L. Cerpa, M. Cruz, L. Avilés, E. Monteblanco, A. Gutarra.

Palabras clave Electrostática, Magnetismo, Tierras Raras, Proceso de Separación.

Abstract In this article we will talk about the process of mineral separation through magnetism and electrostatics in mineral science and their respective formulas in the field of physics, taking as an example the Capacsaya project in Cusco (electrostatic process), taking as a reference the work entitled " Rare Earth Magnetic and Electrostatic Separation Processes: Case Study of the Capacsaya Project, North of Cusco ”carried out by M. Vera, J. Ochoa, R. Cruz-Saco, E. Carrera, L. Cerpa, M. Cruz, L. Avilés, E. Monteblanco, A. Gutarra.

Key words Electrostatics, Magnetism, Rare Earths, Separation Process.

Introducción En la mineralurgia han surgido bastantes cambios desde su origen, que gracias a la tecnología se han logrado emplear distintos métodos para facilitar la extracción de distintos minerales. Se empezó separando los minerales manualmente en cestos, luego con los descubrimientos químicos se fueron desarrollando métodos como: La separación por gravedad, que fue el método de concentración más importante hasta la década de 1920, se emplea actualmente para tratar una gran variedad de materiales que van desde los minerales metálicos (galena, oro, casiterita, cromita, pirita, blenda, etc.) hasta los carbones. Estos métodos de

29/07/2020 concentración pasaron, a partir de la segunda mitad del siglo XX, a un segundo plano debido al desarrollo y eficiencia de los procesos de flotación que permitían un tratamiento más selectivo de las menas complejas de baja ley. Sin embargo la concentración por gravedad aún se prefiere en el tratamiento de menas de hierro, tungsteno y estaño, en la preparación de carbones y en el tratamiento de minerales industriales. La flotación es un proceso de separación de especies que se efectúa desde pulpas acuosas por medio de burbujas de gas en base a sus propiedades hidrofílicas o hidrofóbicas. En esencia, es un proceso de separación ya que se trata de la individualización de especies que formaban anteriormente una mezcla. Esta separación se puede realizar de distintas formas, como por ejemplo por separación colectiva o global, en que se separa la mezcla en dos productos, uno de los cuales es el producto noble (concentrado), que contiene a dos o más componentes, o por flotación diferencial o selectiva, en la que se realiza la separación para obtener una sola especie individualizada. La flotación es el método más moderno, eficaz y de mayor aceptación, aunque también en muchos aspectos es el más complejo de todos, constituye una aplicación técnica de un descubrimiento que de hecho es posterior a ella: en un sistema de distintos componentes, las burbujas de aire dentro del agua se adhieren únicamente a los minerales “hidrocarbonados”. El invento de la flotación radica en producir superficies hidrocarbonadas en minerales no hidrocarbonados. Procesos metalúrgicos en el Perú

Lixiviación, Fuente: (GRUPO ORBES s.f.)

Lixiviación: Este primer proceso consiste en rociar ácido sulfúrico en el monte de tierras raras, el objetivo es obtener una solución rica en minerales. Purificación: Este paso consiste en agregar solventes a la solución para de esta manera obtener los minerales en una pureza alta. Flotación: Se aplica el método de flotación para separar la mena de los minerales como el plomo. De esta manera se procede a la fundición del mineral. (HLC 2019)

29/07/2020 Y los más recientes, debido a la tecnología y estudios se ha podido concretar que son la separación magnética y electrostática.

Separación electrostática de materiales Es un método para poder clasificar los minerales según sus propiedades. Basada en la utilización de una fuerza eléctrica sobre partículas minerales cargadas. En este proceso las partículas pueden encontrarse cargadas por tres diferentes mecanismos: fricción o triboelectricidad, inducción y bombardeo de iones, siendo el último el más importante. La separación electrostática es un proceso selectivo utilizado sobre materiales polarizados/cargados en un campo eléctrico. Su utilización es aplicada en la minería y en el reciclaje de metales, siendo este un proceso amigable con el medio ambiente. Siguiendo el modelo del proyecto Capacsaya en Cusco, el equipo constituido para la aplicación de este proceso es una tolva alimentadora, un rotor conectado a tierra (electrodo pasivo) y dos electrodos activos (ionizante y separador) conectado a alto voltaje. Los minerales antes de alcanzar al rotor van a atravesar un campo eléctrico intenso producidos por el electrodo ionizante, estos serán cargados por colisiones con los iones del aire. El electrodo separador será el que produzca un campo que conducirá las partículas cargadas hacia el rotor, si estas son aislantes se quedarán adheridas al rotor por la fuerza electrostática imagen, desprendiéndose y cayendo en un contenedor denominado “no conductor” normalmente de color amarillo. De otra forma las partículas conductoras cargadas, se descargarán de manera rápida cuando entren en contacto con el rotor y caerán en un contenedor denominado “conductor”, en este caso de color rojo.

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Fuente: Proyecto Capacsaya (Ochoa, Monteblanco, Carrera, Cruz, Avilés, Gutarra)

Durante el proceso de separación electrostática, previamente se necesita que los minerales pasen a un proceso de trituración porque un factor influyente en este sistema es el radio del mineral que se va a clasificar. El sistema de separación electrostática funciona de manera efectiva siguiendo los parámetros de tamaño de partícula, constante dieléctrica, velocidad angular del rotor, e intensidad de campos eléctricos.

Separación Magnética de minerales ¿Cómo es posible separar minerales a través del magnetismo? Debido al simple hecho de que estos minerales son constituidos por componentes que reaccionan a un campo magnético, el proceso se realiza con ayuda de un imán o electroimán con diseños específicos para realizar dicho proceso. Estos minerales pueden ser atraídos o repelidos por un campo magnético. Según la permeabilidad se clasifican en : Paramagnéticos: Son aquellos materiales que cuando se les somete a un campo magnético de mayor intensidad, reaccionan de manera atractiva y siguen el flujo de las líneas de fuerza magnéticas. Dichos materiales poseen un valor que supera a la unidad de permeabilidad en una cantidad no muy considerable. En general, si un mineral reacciona ante las propiedades magnéticas, es porque presenta componentes ferrosos en su estructura.Algunos ejemplos de materiales paramagnéticos son: ilmenita (FeTiO3), rutilo (TiO2), wolframita ((Fe,Mn)WO4), monacita (fosfato de tierras raras), los minerales de manganeso, etc.

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Ferromagnéticos: Son aquellos materiales que sobresalen dentro de la gama de los paramagnéticos, son un tipo de casos muy concentrados con una elevada susceptibilidad y permeabilidad que sobrepasa a la unidad. Estos a diferencia de los paramagnéticos, son remanentes, los cuales retienen una porción baja de la propiedad magnética en su estructura. La magnetita (Fe3O4) es el mineral con las propiedades anteriormente dichas, que se separa con mayor facilidad. También existen la hematita (Fe2O3) y la siderita (FeCO3), que de alguna manera pueden producir magnetita. HIerro, Cobalto, Níquel

Diamagnéticos: Son aquellos materiales que no experimentan o no reacción de manera atractiva cuando se les aplica un campo magnético, debido a su valor de permeabilidad que es sumamente inferior a la unidad. Algunos ejemplos de materiales diamagnéticos podrían ser el cobre y el azufre. Antiferromagnéticos: Son aquellos materiales que poseen fuerzas internas o momentos anti paralelos e iguales, los cuales nos resultan un momento neto = 0. Dichos elementos poseen una susceptibilidad positiva, quiere decir que sí reacciona ante un campo magnético, estas reacciones se encuentran de manera reducida a pequeñas incidencias. Algunos ejemplos son los óxidos en algunos metales :MnO, CoO y NiO, además de la hematita. Imanes permanentes: También sería importante tomar en cuenta a los imanes permanentes, debido a que si estos se encuentran en gran proporción podrían tener una gran utilidad en el proceso de separación. De la referencia N°6 se obtuvo lo siguiente: Ferritas: Son los imanes cerámicos, su costo es el más bajo. No les afecta la corrosión, ácidos ni gases. Alnico: Es la aleación de aluminio, níquel, cobalto y hierro, son también resistentes a la corrosión a un nivel parecido al del acero inoxidable, resisten con buen rendimiento a temperaturas de hasta 500 °C. Samario-Cobalto: Los imanes de samario-cobalto (SmCo), surgieron como producto resultante de experimentos con materiales magnéticos a base de Fe, Co, Ni, y tierras raras. Pueden resistir hasta una

29/07/2020 temperatura no más de 250°C. Su precio es considerablemente elevado. Son normalmente resistentes a la corrosión y se conocen por ser frágiles. Neodimio-Hierro-Boro: Estos imanes (NdFeB) son conocidos por ser producto de tierras raras; también llamados super imanes. Estos imanes son los más eficaces en su utilidad, ya que poseen las mejores propiedades. Resiste a una temperatura reducida a comparación del Samario, pero su precio es parecido. Estos deben ser protegidos frente a la corrosión.

Separación de Minerales Cuando un elemento posee características atractivas o de magnetismo, es posible que se le pueda aplicar un proceso de separación frente a otros elementos. Este consiste en poseer una mezcla uniforme y someterla a un campo magnético o electromagnético en el que se separan los trozos con propiedades reaccionantes al campo magnético. Dichas aplicaciones no son recientes, se han estado aplicando durante 100 años aproximadamente. (LEIVA ROBLES 2017) Leiva Robles en su investigación nos habla sobre la concentración magnética en relaves de cobre Se trata de un electroimán, un tubo de separación y un mecanismo de agitación. El tubo se coloca entre los polos del imán a 750 gauss (unidad de campo magnético). Girando y moviéndose de atrás hacia adelante. Las partículas sin susceptibilidad son descargadas por el tubo; también se realizan los demás procesos, como el tambor magnético, agua de mar, etc. Así se encontraron signos altos de hierro. Imágenes de separador magnético (tubo de Davis)

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Separación de fragmentos metálicos Los separadores magnéticos que eliminan fragmentos metálicos, son normalmente aplicados sobre materiales secos o que contengan solamente humedad superficial. Los separadores más comúnmente utilizados para estos efectos, son: tambores o poleas magnéticas, electroimanes suspendidos. (LEIVA ROBLES 2017)

Electroimanes suspendidos

Fuente: (LEIVA ROBLES 2017)

Variables en el proceso de separación Electrostática: En la figura antes mostrada se introduce un proceso electrostático y un esquema de las fuerzas que interactúan sobre las partículas cargadas. Las fuerzas que se toman en cuenta son: la fuerza de Coulomb de una carga, la fuerza centrífuga producido por el movimiento circular, la fuerza de reacción al contacto, representada en componentes como la fricción y la normal a la superficie de la partícula y la fuerza de gravedad.

29/07/2020 Para calcular el valor de la carga de la partícula para que deje de estar en contacto con el rotor tenemos primero la relación de Fi+Fgcosα≤Fc+N, esta representa que las componentes de la centrífuga y la normal deben ser mayores a la componente radial del peso la fuerza electrostática. Está definida como:

Donde: ε0=8.85 x 10-12 C2/Nm2, es la permitividad eléctrica del vacío. b: es el radio promedio de la partícula(m) ρ: densidad de la partícula(kg/m3) r: la distancia del electrodo ionizante(m) R: el radio de rotor(m) μ: constante de rozamiento ω: velocidad angular del rotor(rad/s) La carga máxima aumenta con la velocidad angular, las partículas de mayor tamaño o las más densas son las que mayor carga máxima tienen. Aunque por otro lado la carga va disminuyendo conforme el radio del rotor va en aumento. Para este caso necesitamos encontrar la velocidad crítica de rotor ω:

Siendo la carga función del tiempo de manera exponencial y también que tenemos en cuenta la densidad superficial de la carga y el radio del rotor es mayor que el radio de la partícula, podremos obtener la conductividad eléctrica mínima(γ con unidades S/m) que se necesita para que la partícula sea eyectada del rotor. El valor se encuentra de la siguiente manera:

Sabiendo que si el radio del rotor aumenta, la conductividad mínima disminuye y esto significa que la selectividad de partículas sería menor. Por esto mismo es que el tamaño de la partícula también influye en la separación, pues en el caso de las partículas grandes estas serán expulsadas independientemente del valor de la conductividad y las que son muy menores se quedarían atrapadas en el rotor. Para que esto no pase necesitamos calcular un radio(b) y lo hallaremos de la siente relación:

29/07/2020 Adicionamos el factor de adherencia(ρ), la cual es la facilidad que tiene una partícula para quedarse atrapada en el rotor y se define por la división de la fuerza eléctrica y la fuerza centrífuga; despreciamos en este caso la fuerza de gravedad. Si ρ>1, significa que se quedará adherida a la superficie del rotor y en caso contrario que ρ...