Por: Juan Carlos Rodríguez-Reyes, departamento de Ingeniería Química, Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC) y Pablo R. Brito-Parada, departamento de Ingeniería y Ciencias de la Tierra, Royal School of Mines, Imperial College London. Ambos autores pertenecen al comité consultivo del International Mineral Processing Council (IMPC).

Resumen

La sociedad actual requiere de crecientes cantidades de diversos metales para satisfacer sus necesidades en esta era de la información y, al mismo tiempo, crecen también las expectativas socio-ambientales hacia la industria minera. Sin embargo, esta industria debe trabajar con yacimientos cada vez más pobres y de más difícil procesamiento. La clave para el continuo desarrollo de la sociedad está en el desarrollo de nuevas estrategias de procesamiento de minerales y de metalurgia extractiva. 

En el presente artículo de revisión se explora algunas de las opciones más importantes para que la actividad minera en su conjunto pueda alcanzar las expectativas de una sociedad que necesita cada vez más minerales para su crecimiento, pero que exige también un mayor respeto al medio ambiente y a la sociedad misma. Finalmente, se presenta una perspectiva sobre la importancia de la interdisciplinariedad y la colaboración para alcanzar ese futuro esperado para el procesamiento de minerales y la metalurgia extractiva.  

Introducción

En sus Tradiciones Peruanas, el escritor Ricardo Palma cita una crónica sobre una mina de plata en Potosí, donde se indica que “… en la mina de Huacullani la libra de metal sólo tenía cuatro onzas de tierra, siendo plata lo restante y allí se encontró la célebre mesa de plata maciza al cuyo alrededor podían comer cien hombres holgadamente”. La ley de ese especial depósito (750 kg Ag/ton) difiere mucho de los estándares actuales (~100-200 g Ag/ton) y ejemplifica el desafío de la industria minera actual: procesar menas con leyes cada vez menores, lo cual implica remover más material, consumiendo mayores cantidades de agua y de energía, para satisfacer las demandas de la sociedad. 

Debido a que la demanda aumentará en la medida en la que sigan creciendo los centros urbanos, se necesiten metales para la fabricación de diversos dispositivos electrónicos, así como para innovaciones críticas para la transición hacia tecnologías generadoras de energías limpias, la minería tiene el desafío de proveer dichos metales a la sociedad para su continuo desarrollo. 

Se estima, por ejemplo, que la cantidad de cobre extraído en el periodo 2010-2030 será mayor a todo el metal rojo empleado por el ser humano desde los inicios de la civilización^[1]. Por otro lado, mientras que en el siglo XVI era usual el uso de mercurio (azogue) para extraer los metales nobles de una mena, en la actualidad las regulaciones ambientales y de salubridad hacen inconcebible la utilización de este elemento, el cual es solamente asociado a actividades de minería informal, como la que ocurre en varios lugares de la selva amazónica. 

En la actualidad existe un marco legal y una conciencia ambiental y social que regula el uso de insumos químicos y la disposición de residuos durante el proceso de extracción y que llama al desarrollo de nuevos procesos e innovaciones, así como a la optimización de las tecnologías existentes. 

Resumiendo, la minería enfrenta una expectativa inmensa: Extraer mayores cantidades de un metal, a partir de yacimientos con leyes cada vez menores, empleando la menor cantidad de recursos posibles, impactando mínimamente el medio ambiente, garantizando la seguridad de todos los operarios y comunidades aledañas a la operación minera y, finalmente, generando una ganancia económica que permita el desarrollo individual, empresarial y nacional. Este paradigma es llamado de varias maneras, tal como “minería del futuro” o “minería sostenible”. Aquí usaremos la segunda denominación.

Estrategias hacia una minería sostenible

La minería sostenible requiere, desde el punto de vista técnico, desarrollarse en aspectos críticos como la búsqueda de nuevos yacimientos y el reaprovechamiento de residuos, la mejora de los procesos de perforación y voladura, la reducción del tamaño de las plantas de procesamiento, el desarrollo de nuevos procesos (de menor consumo energético y uso más eficiente de agua), así como la automatización y control de dichos procesos. 

La Tabla 1 muestra cómo estos aspectos críticos están asociados con una o más partes de la expectativa generada por la minería sostenible, tal como fue enunciado en la sección anterior. El presente artículo tiene como objetivo revisar rápidamente estos puntos críticos y cómo es que se pueden alcanzar. Es importante mencionar que en el contexto en que nos encontramos existe la necesidad de integrar todas las actividades propias de la extracción minera, por lo que en ocasiones es difícil separar las operaciones de procesamiento de minerales con aquellas de minado y extracción/remediación.

Perforación y voladura optimizadas

Si bien tradicionalmente los procesos de minado y voladura no forman parte de las estrategias de procesamiento de minerales, las estrategias del tipo mine to mil (de la mina a la planta) son importantes pues buscan facilitar la conminución a través de la obtención de tamaños de partícula adecuados durante la voladura, mediante el buen manejo de los explosivos, su ubicación y cantidad^[2]. Se ha estimado que una mejora en los procesos de perforación y voladura podrían reducir los costos operativos totales hasta en 20%, debido a la disminución de los requerimientos de energía durante la conminución^[3]. 

Es importante mencionar, sin embargo, que una voladura optimizada no solo debe producir partículas de un tamaño adecuado, sino que debe minimizar la cantidad de material de desmonte o ganga capaces de ingresar a los circuitos de conminución; además, debe evitar la desestabilización del macizo rocoso. La voladura requiere un gran conocimiento de la naturaleza del yacimiento y el tipo de roca huésped, pues no siempre será una opción viable. Por ejemplo, si el mineral de interés está presente en vetas, las opciones más bien involucrarán otras alternativas, como el minado selectivo y el procesamiento in situ, como veremos más adelante.

Búsqueda de nuevas fuentes de metales

Una prioridad para la minería sostenible es el minado de yacimientos con mayores leyes. Las posibilidades incluyen opciones como el minado en el fondo de los océanos (deep sea mining), las cuales han empezado a considerarse más seriamente, en especial por start ups^[4], a pesar de que existe una gran preocupación debido a que el impacto de estas actividades en ambientes acuáticos es aún desconocido. Iniciativas más futuristas, como el minado en el espacio (space mining) están siendo consideradas por instituciones como Colorado School of Mines, que han lanzado programas en recursos espaciales. 

Sin embargo, existe otro grupo de propuestas que consideran diversos tipos de residuos presentes en la superficie terrestre como insumo, lo cual es bastante atractivo porque enmarca todo en una economía circular o de reutilización. Los residuos de procesos extractivos realizados en años anteriores constituyen un ejemplo de material ya extraído que puede contener minerales que en el pasado no eran importantes o también que podrían ser extraídos con nuevas tecnologías. 

Los autores venimos actualmente estudiando, por ejemplo, la presencia de tierras raras en los sedimentos aluviales en Madre de Dios, región de la selva amazónica peruana agobiada por la minería de oro informal. Debido a que las estrategias de extracción auríferas son primordialmente gravimétricas, es posible que en los relaves abandonados haya cantidades importantes de tierras raras, tal como se ha reportado recientemente^[5]. En toda la región, particularmente en Perú y México, donde la minería intensiva tiene casi 500 años, existen miles de relaves que deben ser procesados para cumplir con las normas ambientales y, en principio, podrían dejar adicionalmente un margen de ganancia al extraer metales de valor actual, además de contribuir al aprovechamiento completo del mineral.

Otra área de gran proyección es la llamada minería urbana (urban mining), donde los residuos de dispositivos electrónicos son procesados para extraer los metales de valor. La gran oportunidad de la minería urbana se pone de manifiesto al entender que anualmente se producen en el mundo más de 30 millones de toneladas métricas de desperdicios electrónicos^[4]. Adicionalmente, un teléfono inteligente posee decenas de metales, los cuales en principio, pueden ser recuperados y reutilizados en una siguiente producción de dispositivos electrónicos, completando el ciclo esperado de la economía circular. Este modelo implica la unión de varios sectores, tanto el de metalurgia extractiva tradicional, el de fabricación de dispositivos electrónicos y el de minería urbana. Esta es una muestra de la interdisciplinariedad y la tendencia a la colaboración que se observará en las operaciones de minería sostenible.

Reducción del tamaño de planta

Reducir el tamaño de una planta de procesamiento es posible si la alimentación tiene una mayor ley, disminuyendo la cantidad de ganga que entra a la planta (grade engineering). Una de las estrategias más estudiadas es la mejora de los procesos de clasificación y concentración^[1]. De hecho, las operaciones donde la totalidad del material extraído entra a molienda para luego pasar a procesos de clasificación/concentración no están alineadas con los objetivos de la minería sostenible, pues las cantidades de energía y agua necesarias para la molienda pueden hacer que la operación minera en su conjunto sea inviable. 

Debido a que el rechazo temprano de desmonte y gangas es clave, se propone que los yacimientos en vetas pueden ser minados más selectivamente empleando sistemas autónomos (robots) controlados desde fuera de la mina.

El desarrollo de estrategias para la clasificación de minerales y el rechazo de desmonte depende de la integración de estrategias del tipo Internet de las Cosas (IoT, internet of things), donde diversos dispositivos de medición son empleados para proporcionar información en tiempo real sobre las características de una muestra mineral y de las condiciones existentes. 

Muchas empresas mineras están buscando seguridad sobre el envío y manejo de los datos que puedan recibirse, así de cómo pueden ser integrados a sistemas de toma de decisiones^[6]. Las estrategias de clasificación (sorting) pueden ser basadas en propiedades fotométricas, electromagnéticas o usando rayos X, entre otras^[7]. Valores usuales de rapidez de clasificación pueden llegar a 100 toneladas por hora en equipos comerciales^[8]. 

Las etapas de clasificación, sin embargo, son específicas al tipo de mena con el que se está trabajando. Otra estrategia propuesta para aumentar la concentración de un metal de interés consiste en la implementación de circuitos sucesivos de clasificación – concentración (por ejemplo, molienda – flotación – molienda). En este caso, sin embargo, es importante mejorar las estrategias de flotación de partículas gruesas, lo cual se revisa en la siguiente subsección.

Otra área interesante de desarrollo para la reducción del tamaño de plantas de procesamiento es la “intensificación de procesos”, definida comúnmente en Ingeniería Química como el estudio y diseño de equipos tanto más pequeños como más eficientes. Lo anterior se logra mejorando, por ejemplo, los procesos de transporte o las cinéticas de reacción, y perfeccionando la eficiencia energética, lo cual es más formalmente explicado en el siguiente punto. 

Desarrollo de nuevos procesos y tecnologías

La innovación siempre ha sido parte fundamental del procesamiento de minerales. Procesos de importancia como la flotación y la extracción por solvente, tienen 100 y 50 años, respectivamente. Si bien los procesos de flotación han tenido un gran impacto, aún quedan desafíos tales como la flotación eficiente de partículas en tamaños extremos, o sea, o muy finas o muy gruesas. En los últimos años iniciativas como la celda Novacell, la cual opera con flujos menores a los existentes en celdas de flotación de agitación mecánica, permiten la flotación de partículas mayores a los 150 micrómetros^[1]. Esto permite, entre otras cosas, requerir una conminución menos intensa. 

Adicionalmente, la flotación necesita del desarrollo de estrategias que sean robustas ambientalmente, empleando insumos que no interfieran con los procesos extractivos (lixiviación, por ejemplo) ni con el tratamiento de agua. Otro punto importante es que las estrategias de flotación deben ser diseñadas para que funcionen en diversos ambientes (por ejemplo, en climas fríos). Los procesos de flotación deben considerar en sus inputs la cantidad y mineralogía de la ganga presente, ya que esta puede afectar significativamente la eficiencia de la flotación^[2]. La automatización de este y otros procesos se discute más adelante.

La eficiencia energética se busca a través de nuevas tecnologías, en especial en los circuitos de conminución y en el desarrollo de estrategias de procesamiento in situ. Para el primer caso, una de las opciones más atractivas actualmente es el uso de rodillos de trituración de alta presión (HPGR, del inglés high pressure grinding rolls). Existen estimaciones de que este tipo de equipos puede reducir hasta en un 25% el consumo de energía^[9]. 

Con respecto al procesamiento in situ, esta propuesta presenta ventajas y posibilidades innumerables, como por ejemplo la reducción o eliminación del acarreo o transporte del mineral hacia la superficie y a las plantas de procesamiento. Se estima que para un yacimiento en vetas la preconcentración dentro de la excavación podría reducir el costo del proyecto minero en 20-40%^[8]. 

En esta línea de desarrollos, se está considerando también estrategias de lixiviación in situ, para casos en los que el sistema rocoso es impermeable, de tal manera que no pueda contaminar acuíferos en los alrededores, y dicho rocoso debe ser inerte a las sustancias lixiviantes. 

Una manera adicional de garantizar la sostenibilidad de una operación es empleando energías limpias, por lo que existe actualmente una migración hacia equipos y sistemas basados en energías renovables, lo cual posibilita disminuir la huella de carbono que dejan actualmente las operaciones. Por lo tanto, estrategias para desarrollar maquinaria impulsada eléctricamente o con hidrógeno, así como el desarrollo de parques de energía solar, eólica y/o hidroeléctrica, e incluso geotérmica, tendrán un auge en los próximos años. 

En ciertos tipos de minas, donde existen trazas de uranio u otros elementos radiactivos, se propone un procesamiento paralelo para aislar los elementos radiactivos y usarlos como fuente de energía nuclear^[10].

Predicción y control de procesos avanzados

El control de procesos avanzados y los sistemas de control optimizados serán claves para obtener un mejor producto con menor consumo de energía, agua y tiempo. La meta es desafiante debido a la complejidad de las operaciones. En procesos de flotación, por ejemplo, se deben considerar las características del material, los factores fisicoquímicos de la pulpa generada y la hidrodinámica para controlar adecuadamente el grado del concentrado obtenido^[11]. 

Nuevos desarrollos para complementar el rol de control regulatorio/PIDs han permitido avanzar de manera importante en esta área y se prevé que esta tendencia continúe. Ejemplos incluyen técnicas avanzadas de control tales como sistemas expertos, las basadas en análisis de imágenes, redes neuronales artificiales, y particularmente el control predictivo por modelado^[12].  

El modelado y simulación de sistemas multifásicos son sin duda importantes para el procesamiento de minerales, pero deben incluir el factor mineralógico para minimizar la aleatoriedad en los modelos generados. La creación de modelos de procesamiento puede ser posible desde balances de masa donde se toma en cuenta la mineralogía^[2]. La posibilidad de hacer simulaciones y predicciones se basa usualmente en modelado físico, tal como dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés), donde se siguen las leyes físicas (por ejemplo, las leyes de conservación de masa, energía y momento) sin requerir de data histórica. 

Nuevas estrategias como machine learning requieren levantamiento de data histórica del proceso y no se guía de las leyes de la física, ni de un entendimiento fundamental del sistema, sino que busca aprender y predecir el resultado de un proceso. Un modelado dual puede ser muy robusto y hacia ese punto se está migrando en la investigación.

La era digital y la llamada Industria 4.0 están ingresando a la minería a través de variadas tecnologías. En el caso del procesamiento de minerales, se espera por ejemplo que sistemas de inteligencia artificial (IA) sean capaces de controlar y ajustar procesos según sea necesario^[13]. Para estas aplicaciones, las estrategias de soft computing son cruciales, pues involucran sistemas capaces de adaptarse, aprender y operar tareas autónomamente en un ambiente de imprecisión e incertidumbre^[14]. 

Un sistema puede empezar “aprendiendo” sobre una operación determinada a través de la recolección de datos y el desarrollo de algoritmos que relacionen variables de entrada (por ejemplo, composición mineralógica y tamaño de partícula) con las variables de salida (eficiencia y/o eficacia del proceso). Luego del levantamiento de información y del “aprendizaje”, el sistema IA puede servir como “consejero” del operador de la planta, proponiendo soluciones o ajustes y continuar aprendiendo basado en las decisiones del operario. 

Finalmente, si se ha podido implementar un eficiente sistema de control y automatización, el sistema IA puede controlar el proceso autónomamente, pudiendo desarrollar ajustes a las condiciones del proceso en respuesta a las variaciones en la alimentación, condiciones, disponibilidad de agua, etc. Una ventaja sustancial de un sistema IA es la rapidez con la cual puede desarrollar estos cambios, pues está en condiciones de adquirir y procesar muy tempranamente la información en un proceso para corregirlo rápidamente. Esto posibilita una intensificación del proceso sin disminuir la eficiencia del mismo^[15].

Adicionalmente, la automatización permite el desarrollo de procesos más seguros para los operarios, pues anticipa diversas situaciones y reduce la cantidad de personas necesarias en puestos de riesgo dentro de una planta de procesamiento.  

Cabe destacar que el levantamiento de información debe ser realizado con un enfoque mineralógico a lo largo de las etapas del procesamiento de minerales, entendiendo los cambios en la materia prima desde su composición en el yacimiento (roca-alteración-mena) hasta la generación de productos y relaves^[2]. 

En particular, los procesos de flotación son sensibles, por ejemplo, a la presencia de arcillas y sulfuros, a la hidrofobicidad de las gangas y a los cambios en viscosidad debido a la presencia de rocas alteradas^[2]; el levantamiento de información mineralógica es crucial para automatizar una planta de flotación. Sin embargo, es importante mencionar que también lo es el levantamiento de información del proceso en sí (distribución de tamaños de burbuja, propiedades superficiales de las partículas, por mencionar un par)^[11]. 

La digitalización representa quizás el mejor ejemplo del futuro del procesamiento de minerales: su implementación no puede venir como un esfuerzo aislado de una empresa, sino más bien de compañías expertas en manejo de datos, ciberseguridad, de implementación de sistemas de control optimizado, las cuales generarán nuevos modelos de negocios.

Resumen y perspectivas

Como se ha podido observar en este resumen, la modernización de las tecnologías y estrategias empleadas en el procesamiento de minerales es clave para una minería sostenible. Por supuesto, la primera condición para poder salir de un estado estacionario es vencer la inercia, que es lo que en muchas partes del mundo detiene la innovación y desarrollo. Es aquí donde las universidades y centros de investigación juegan un rol preponderante, pues estas instituciones son las llamadas a desafiar los límites de la viabilidad y proponer nuevas estrategias. La adquisición de nuevas tecnologías y conocimiento es importante en el panorama descrito, y aquí la triangulación entre la empresa, las universidades y los centros de investigación es clave. 

Una vez vencida la inercia e iniciada la exploración de nuevas posibilidades, la segunda condición es enfocar la búsqueda de soluciones en función a la formación de grupos interdisciplinarios, capaces de darle varias miradas a un mismo desafío. Muchas de las estrategias para optimizar el procesamiento de minerales se basan en tecnologías provenientes de disciplinas originalmente alejadas del concepto tradicional de minería, como la óptica, el procesamiento de datos e imágenes y la programación. 

La relación universidad–industria permitirá también una rápida y eficiente capacitación del personal de la mina, el cual tendrá que estar continuamente aprendiendo cosas nuevas para poder contribuir afirmativamente en el desarrollo de innovadores procesos y estrategias, así como en la creciente necesidad de tener un mindset orientado hacia la innovación y a la investigación. 

Hay un factor clave que es mejorar la comunicación con las comunidades aledañas a una operación y con la sociedad en general, pues debe entenderse que la única opción de nuestra sociedad, en esta era de la información, de almacenamiento de datos, dispositivos móviles y energías alternativas, requiere de una creciente capacidad extractiva de minerales y metales, y que el sector minero está transformándose para acompañar esta necesidad de manera sostenible, porque no hay otra opción.

Finalmente, es importante concebir los desafíos en dos dimensiones: una local, específica, donde las respuestas a retos puntuales dependen de las condiciones existentes en una operación minera determinada (mineralogía del yacimiento, condiciones ambientales, disponibilidad de recursos, etc.); y una dimensión global, donde desafíos similares como el alcance de la sostenibilidad, la reducción del tamaño de planta y la optimización del uso de agua y energía son reconocidos como comunes. 

En esta última dimensión es que instituciones como el International Mineral Processing Council (IMPC) son claves para recoger las preocupaciones de la comunidad técnica de procesamiento de minerales y marcar la pauta hacia el futuro sostenible de la metalurgia extractiva. En este contexto, el Instituto de Ingenieros de Minas del Perú (IIMP) también permite constituir un canal de comunicación en el país y, por qué no, en la región. 

Se debe indicar, sin embargo, que el procesamiento de minerales está evolucionando y que las soluciones están cada vez más lejanas del copiar-pegar tecnologías desarrolladas en otros países. Los factores únicos como la mineralogía del yacimiento, la ubicación geográfica y disponibilidad de recursos, la presencia de comunidades aledañas, los factores ambientales e incluso el historial de prácticas previas, deben ser considerados en la solución.

Agradecimientos

Los autores agradecen el financiamiento de Fondecyt – Concytec y el Banco Mundial, el cual les permite trabajar colaborativamente a través del proyecto “Metodología sostenible para la extracción de metales estratégicos en Madre de Dios: muestreo, caracterización, concentración, lixiviación y tratamiento de efluentes” [Contrato 106-2018]. Adicionalmente, J. C. Rodríguez agradece el generoso apoyo del Phosagro/Unesco/IUPAC partnership for Green chemistry, a través del proyecto “Materials chemistry as a critical tool for greener mining activities” [Contrato 4500245048].

Referencias

^[1] R. J. Batterham, “Major Trends in the Mineral Processing Industry,” BHM Berg- und Hüttenmännische Monatshefte, vol. 158, no. 2, pp. 42–46, 2013.

^[2] W. Baum, “Ore characterization, process mineralogy and lab automation a roadmap for future mining,” Miner. Eng., vol. 60, pp. 69–73, 2014.

^[3] D. J. McKee, Understanding Mine to Mill. Brisbane: CRC ORE, 2013.

^[4] Pradip, B. P. Gautham, S. Reddy, and V. Runkana, “Future of Mining, Mineral Processing and Metal Extraction Industry,” Trans. Indian Inst. Met., vol. 72, no. 8, pp. 2159–2177, 2019.

^[5] P. Ledesma et al., “Understanding the mineralogy of the Madre de Dios River to evaluate sustainable processes able to replace mercury-based artisanal gold mining in the Amazon basin,” in Proceedings of the IMPC 2020: XXX International Mineral Processing Congress, Cape Town, South Africa, 2021, pp. 3694–3704.

^[6] A. Salam, “Internet of things for sustainable mining,” Faculty Publications; Purdue University, pp. 243–271, 2020.

^[7] C. Robben and H. Wotruba, “Sensor-based ore sorting technology in mining—past, present and future,” Minerals, vol. 9, no. 9, pp. 1–25, 2019.

^[8] G. Lane, C. Fountain, and S. La Brooy, “Developments in Processing to Match Future Mining Opportunities,” in First International Future Mining Conference, 2008, no. November, pp. 19–21.

^[9] A. Boylston, “The future of mining,” 2018. [Online]. Available: https://www.mogroup.com/insights/blog/mining-and-metals/the-future-of-mining/. [Accessed: 10-Mar-2021].

^[10] F. Reitsma et al., “On the sustainability and progress of energy neutral mineral processing,” Sustainability, vol. 10, no. 1, 2018.

^[11] L. Bergh, “Artificial Intelligence in Mineral Processing Plants: An Overview,” in International Conference on artificial Intelligence: technologies and Applications, 2016, pp. 278–281.

^[12] P. Quintanilla, S. J. Neethling, and P. R. Brito-Parada, “No TitleModelling for Froth flotation control: A Review,” Miner. Eng., vol. 162, p. 106718, 2021.

^[13] J. T. McCoy and L. Auret, “Machine learning applications in mineral processing: A Review,” Miner. Eng., vol. 132, pp. 95–109, 2019.

^[14] L. A. Cisternas, F. A. Lucay, and Y. L. Botero, “Trends in modeling, design, and optimization of multiphase systems in minerals processing,” Minerals, vol. 10, no. 1, 2020.

^[15] “Report says mineral processing 4.0 is next step change,” 2019. [Online]. Available: https://www.miningmagazine.com/investment/news/1372028/report-says-mineral-processing-40-is-next-step-change. [Accessed: 05-Mar-2021].