Procedimiento de extracción de zinc por tratamiento alcalino electro-hidro metalúrgico de polvo proveniente de horno eléctrico por arco.

Un proceso electro-hidrometalúrgico en medio alcalino para la extracción de Zn de polvo de horno eléctrico(EAF dust) para producir Zn de alta pureza 33 y fina granulometría,

que comprende lixiviar el polvo de hornoeléctrico 3 con una solución alcalina 2, separar el líquido 4 de la ganga agotada 6, lavar esta última, purificar ellíquido por cementación 10 y separarlo de los sólidos precipitados 11, lavar estos últimos, evaporar parcialmente20 la solución pura 17 y purgar una fracción 19 de la solución concentrada obtenida, electro depositar el Zinc 26desde esta solución; separar, lavar y secar 31 el zinc depositado 30, caracterizado por el hecho de queademás comprende inertizar la ganga de lixiviación 7, purificar por adsorción 15 la solución obtenida de lacementación, evaporar 20 una fracción 19 de esta solución purificada, cristalizar 21 subsecuentemente unafracción de la solución concentrada anterior, acondicionar la humedad del polvo de horno eléctrico para sutransporte y manejo; separar el polvo de Zn de la solución de cincatos 26, lavar en etapas sucesivas los sólidosseparados después de la lixiviación 3, cementación 10 y electro deposición 26.

Procedimiento de extracción de zinc por tratamiento alcalino electro-hidro metalúrgico de polvo proveniente de horno eléctrico por arco [0001] El objeto de esta patente es un procedimiento hidrometalúrgico que incorpora mejoras a la tecnología base conocida como “ Procedimiento REZEDA”, que se refiere a la extracción y producción de polvo de Zinc en medio alcalino a partir de polvo de acerías (EAF dust) . La invención se refiere a los procedimientos de tratamiento de polvo de acerías eléctricas, y que también es aplicable a otras materias primas o residuos que contengan Zinc y Plomo que se pueda extraer en ambiente alcalino.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El procedimiento REZEDA está representado por la patente FR 2.510.141 de 1983, pero es necesario puntualizar que también son referentes los procesos de lixiviación alcalina denominados CEBEDEAU, CARDIFF y AMAX (1, 2, 3) . En beneficio de la simplificación de la exposición, en adelante, sólo nos referiremos al polvo de acerías eléctricas.

Las acerías eléctricas utilizan principalmente chatarra prensada, chapas, elementos galvanizados, etc.,

que contienen metales pesados tales como Zn, Pb y Cd, que se evaporan a la alta temperatura a que funcionan estos hornos (1600 ºC) , luego condensan como óxidos al enfriarse los humos y son capturados en filtros de mangas. Este polvo es muy fino y difícil de manejar, su composición química promedio es la que muestra la Tabla 1, en la que destaca un 20-21% de Zn, 20-35% de Fe, 3 a 5% de Pb, 3% de cloruros, etc. Se registra la presencia de Cd en no más de 800 ppm.

Tabla 1. Composición promedio de polvos de acerías (EAF dust) , % p/p base seca.

Elemento Chile USA Francia España

Fe 34.4 28.5 21.8 25.9

Zn 20.0 19.0 21.2 18.6

Pb 4.68 2.1 3.6 3.63

Cd 0.076 < 0.01 ND 0.10

Cr 0.2 0.39 0.37 0.31

As 0.01-0.03 ND ND ND

Ca 1.91 1.85-10.0 12.8 3.50

Ni 0.017 0.01-0.02 0.1 0-0.7

Mo <0.01 < 0.02 ND ND

Mn 1.83 0.08 2.5 2.81

Mg 0.71 2.46-4.60 ND 1.53

Cu 0.2-03 0.77-2.93 0.25 0.54

Si 1.5 0.6-2.32 ND 1.65

Cl 3.5 1.35-2.49 1.75 3.43

F - 0.51- 2.36 ND ND

K 2 0.01-0.88 2.06 1.23

Na 1.37 0.06-1.12 2.23 1.27

Al 0.27 0.29-2.31 ND 0.44

S 1.08 ND ND ND

Refs. (4, 5)

Cuando el contenido de zinc del polvo está al nivel de 20 a 21%, ocurre que 20 a 30% del mismo se encuentra en la forma ferrita de Zinc, ZnFe204, que a diferencia del óxido de Zn, ZnO, es difícilmente soluble en los tratamientos hidrometalúrgicos, tanto en medio ácido como alcalino a que es sometido para recuperar el Zinc.

La legislación ambiental de prácticamente todos los países, que es cada vez más rigurosa, clasifica al

polvo de acería eléctrica como residuo peligroso por su contenido de metales pesados, lo que significa que el residuo no puede ser dispuesto sin un tratamiento previo (5) . Por otra parte, la posibilidad de reciclar este polvo en la misma acería que lo produce, para recuperar el hierro que contiene (25-35%) , es difícil por los problemas operacionales que provoca dado lo fino del polvo y la presencia de los contaminantes señalados. La peligrosidad de los polvos de acerías se debe a la presencia de Pb, Cd y Cr hexavalente, que se mide por el test de la EPA

(Environmental Protection Agency de USA) SW-846 Método-1311 “TCLP- Toxicity Characteristic Leaching Procedure”, Toxicidad característica por Procedimiento de lixiviación (7, 8) . En la Tabla 2 se muestra los límites de lixiviación que deben cumplir los residuos.

Tabla 2. Límites de lixiviación (ppm) para EAF dust.

Pb Cd Cr As Ag Ba Hg Se U

US EPA 5 1 5 5 5 ND 0. 2 1 ND

Canadá 0.5 0.5 0, 5 0.5 0.5 50 0.01 0.1 200

Italia 0.2 0.02 2 0.5 0.5 ND ND ND ND

Alemania 2.0 0.5 10.0 1 ND ND ND ND ND

Refs.: (7, 8 y 9)

En Chile y en la mayoría de los países latinoamericanos se aplica la norma señalada. En los últimos años, las regulaciones ambientales en el mundo han avanzado mucho, así por ejemplo, en USA en 1988 la EPA clasificó el polvo de acerías como peligroso (10) y en 1995 se estableció que las tecnologías de tratamiento debían cumplir con el test de TCLP para 14 elementos (11) . La Tabla 3 muestra análisis típicos de TCLP para polvos de acerías chilenas, en la cual se observa que excede la normativa nacional para el Cd.

Tabla 3. Resultados típicos del Test TCLP para polvos de acerías chilenas, mg/L.

Muestra P Cd Cr A Ag B Hg Se

1 0.5 4.0 0.05 <0.001 <0.02 0.4 <0.001 0.10

2 1.8 24.6 <0.03 <0.001 <0.01 0.5 <0.001 0.14

Norma 5 1 5 5 5 100 0.2 1

En consecuencia, las consideraciones ambientales son claves en la investigación y desarrollo de tecnologías para procesar este tipo de residuos. Así, la estrategia a seguir debe ser recuperar los metales de valor (Fe, Zn, Pb) y generar un residuo no peligroso que pueda ser almacenado sin problema, o bien valorizado a través de algún otro uso.

Las consideraciones ambientales significan que los procesos industriales a aplicar deben cumplir la normativa ambiental que cada país establece, y que se traducen en reglamentos y normas que se expresan en el cumplimiento de determinados estándares ambientales de calidad del aire, emisión de material particulado y disposición de los residuos líquidos y sólidos.

Para el reciclaje, diferentes procesos están disponibles. En primer lugar están los procesos pirometalúrgicos representados por el proceso Waelz (12) , que es la principal tecnología vigente de las denominadas High Temperature Metal Recover y (HTMR) , es una tecnología robusta, bien establecida y exhibe las siguientes características:

1) Opera a alta temperatura con uso intensivo de energía.

2) Tamaño mínimo económico es de sobre 50.000 toneladas por año (13) , lo que ha obligado a establecer plantas regionales en USA dado que el promedio de generación de polvos de acerías (EAF dust) es de 8.000 toneladas por año por planta (10) . Esto enfrenta la presión gubernamental de restringir el transporte de materiales peligrosos.

3) Genera productos de bajo valor que requieren un tratamiento hidrometalúrgico (lavado) para valorizarlos.

4) Produce una escoria inerte que se emplea en el estabilizado de carreteras.

5) Libera volúmenes importantes de gases de combustión a la atmósfera.

Varias de las otras tecnologías HTMR (10) se han orientado a resolver los problemas que presenta el proceso Waelz, en el sentido de instalar plantas pequeñas, procesar los polvos sin tener que aglomerarlos, reciclar el hierro y generar un residuo no peligroso. Sin embargo, casi todos estos procesos también hacen uso intensivo de energía y presentan problemas en la condensación de los metales volatilizados (Pb, Zn, Cd, y sales como cloruros) , por lo que muchos de ellos han sido abandonados.

Las tecnologías hidrometalúrgicas están menos desarrolladas, existiendo plantas a nivel piloto o pequeña escala comercial. Estas tecnologías están adquiriendo importancia por las siguientes razones (14) :

1) Proporcionan beneficios ambientales ya que no generan contaminación atmosférica.

2) Posibilitan la instalación de plantas mucho más pequeñas, que en términos comparativos son de menor inversión y costo operacional.

3) Tienen habilidad para producir productos de mayor valor agregado (metales puros) .

4) Habilidad para separar los haluros con facilidad y disposición fácil de los vertidos.

5) Generan un residuo sólido reciclable al EAF o HTMR.

Los problemas que siguen pendientes por resolver son los siguientes (14, 5) :

1) Baja recuperación del Zinc por el hecho de que el Zinc contenido en la ferrita no se disuelve en prácticamente ninguno de los medios de lixiviación empleados, incluyendo ácidos minerales y bases fuertes.

2) La separación del metal es cara.

3) El residuo sólido de la lixiviación no es inerte, lo que encarece su disposición y limita sus aplicaciones.

Se continúan realizando trabajos de investigación con el proceso en medio alcalino por las siguientes ventajas que ofrece (15) , en especial frente al proceso en medio ácido:

1) Separación del hierro en la etapa de lixiviación, ya que los óxidos de hierro son insolubles en medio alcalino (16) , a diferencia de los óxidos de Zinc, Plomo y Cadmio, que son rápidamente disueltos. En medio ácido, se disuelve una cantidad importante de hierro, complicando económicamente las etapas de separación de éste y su disposición final.... [Seguir leyendo]

1. Un proceso electro-hidrometalúrgico en medio alcalino para la extracción de Zn de polvo de horno eléctrico (EAF dust) para producir Zn de alta pureza 33 y fina granulometría, que comprende lixiviar el polvo de horno eléctrico 3 con una solución alcalina 2, separar el líquido 4 de la ganga agotada 6, lavar esta última, purificar el líquido por cementación 10 y separarlo de los sólidos precipitados 11, lavar estos últimos, evaporar parcialmente 20 la solución pura 17 y purgar una fracción 19 de la solución concentrada obtenida, electro depositar el Zinc 26 desde esta solución; separar, lavar y secar 31 el zinc depositado 30, caracterizado por el hecho de que además comprende inertizar la ganga de lixiviación 7, purificar por adsorción 15 la solución obtenida de la cementación, evaporar 20 una fracción 19 de esta solución purificada, cristalizar 21 subsecuentemente una fracción de la solución concentrada anterior, acondicionar la humedad del polvo de horno eléctrico para su transporte y manejo; separar el polvo de Zn de la solución de cincatos 26, lavar en etapas sucesivas los sólidos separados después de la lixiviación 3, cementación 10 y electro deposición 26.

2. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la etapa de inertizar la ganga de lixiviación, comprende tratar dicha ganga húmeda con una mezcla de SiO2 (puzolana, bentonita o sílica gel) , entre 0.02 y 0.5% de la ganga seca, Ca (H2PO) 4H2O entre 0.5 y 3%, y Ca (OH) 2 entre 0.2 y 0.8%, estos componentes se agregan preferentemente a la torta de ganga húmeda de forma que la masa quede con un contenido de humedad entre 15 y 25%, preferentemente alrededor de 20%, esta masa se somete a mezclado en un equipo tipo betonera hasta homogeneidad y luego se seca hasta un contenido de humedad de 10%.

3. Un proceso, según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la solución alcalina 12 se somete a adsorción por percolación con Ba (OH) 2 para eliminar el Arsénico, donde dicha solución alcalina, rica en Zinc y parcialmente purificada por cementación, se percola continuamente sobre un lecho fijo de Ba (OH) 2, preferentemente operando en etapas, en contracorriente o en corrientes cruzadas, con una carga de Ba (OH) 2 entre 3 y 10, preferentemente 5 veces, superior a la estequiométrica requerida por cada carga del cementador, por razones de seguridad; una vez agotada la capacidad de adsorción del lecho, éste se elimina, se seca y se dispone en vertedero.

4. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que además comprende cristalizar 21 por evaporación 20 la solución lixiviante 19, previa evaporación en un evaporador multi-efecto, para obtener sales cristalizadas 25 que se eliminan.

5. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que incluye acondicionar el contenido de humedad de los polvos de horno eléctrico entre 5 y 10%, preferiblemente alrededor de 8%, el que debe mantenerse durante el transporte desde la fuente proveedora, así como durante su posterior almacenamiento y manejo interno en la planta, para lo cual deben disponerse sensores y aspersores tanto en los equipos de acopio como en los vehículos de transporte.

6. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que se concentra la solución alcalina lixiviante en un evaporador multiefecto, hasta alrededor de 32% de soda, para reciclarla a la etapa de lixiviación, y también recuperar el agua, la que se reutiliza en los procesos de lavado.

7. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el lavado de sólidos embebidos en cincatos, que se precisa en las operaciones de separación sólido-líquido de las etapas de lixiviación 4, cementación 11 y electro deposición 28, se efectúa en una o más etapas, preferentemente en contracorriente o en corrientes cruzadas, usando entre 3 y 10 cargas sucesivas de soluciones de lavado, debiendo ser las primeras 2 a 5 cargas de una solución de soda de 200 y 400 gpL de NaOH y las últimas de agua, con volúmenes de carga del orden de uno a tres volúmenes de torta a lavar; luego, las aguas de lavado utilizadas son segregadas, de tal forma que las más diluidas se reutilizan en operaciones de lavado, en un circuito cerrado, y las de mayor concentración se incorporan a la corriente alcalina principal, previo a la cementación, para luego ser concentradas en el evaporador de acuerdo con el proceso de la reivindicación 6, recuperándose de esta forma tanto el agua como la concentración del álcali de la solución lixiviante.

8. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la solución alcalina purificada, se somete a electro deposición 26 en una celda cilíndrica, de tipo EMEW, de Electrometals Technologies Ltd., cuyo diseño evita la generación de niebla alcalina y permite lavar los gases generados previo a su evacuación, en cuya celda se obtiene una pulpa de Zinc de granulometría fina, inferior a 100 micras, donde el 50% de las partículas es menor a 40 micras, la cual es separada y lavada en un separador sólido líquido, para luego ser secada, enfriada y envasada.

9. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que que se precisa filtrar, en la operación de separación sólido-líquido de la pulpa de Zn, por medio de un filtro prensa para separar el Zinc de la solución de cincatos y obtener una torta de Zinc, la cual es lavada in situ, en corrientes cruzadas, con cargas sucesivas primero de soda pura, entre 200 y 400 gpL de NaOH, para liberarla del cincato, y luego de agua para liberarla de la soda.