Por: Miguel Quispe Ordoñez, jefe de Metalurgia, y Pitter Huapaya Chumpitaz, gerente de Procesos, Pan American Silver – Mina Shahuindo. 

Resumen

Este trabajo presenta la metodología aplicada para abordar un desafío crítico: la baja recuperación metalúrgica en un pad de lixiviación con alto contenido de finos. Se identificó una brecha significativa entre las pruebas en columna, que alcanzaban recuperaciones del 80%, y el desempeño real en el pad, limitado a un 68%.

El problema se agravaba por la presencia de zonas impermeabilizadas y encharcamientos. Si bien se implementaron medidas previas, como el blending de material competente con material fino, estas solo mitigaron los charcos, sin mejorar la recuperación.

Ante ello, se desarrolló una serie de estudios orientados a comprender la causa raíz y definir una solución efectiva, con el objetivo de maximizar la eficiencia del proceso y asegurar la rentabilidad operativa.

Para superar estos obstáculos, se implementó una estrategia integral que combinó mejoras operativas y optimización fisicoquímica. Las acciones clave incluyeron:

Ajustes operativos:

ν Incremento progresivo del blending de mineral (mezcla de material competente y no competente).

ν Mejoramiento en la remoción de celdas (fluffing).

ν Reducción de la altura de los lifts (de 8 a 6 metros).

ν Intensificación de pruebas metalúrgicas (granulometría, compactación-permeabilidad y lixiviación en columnas).

ν Control riguroso del porcentaje de finos (menor a 22%).

Optimización fisicoquímica:

ν Se caracterizó mineralógicamente a los finos, identificando la predominancia de illita y la presencia de caolinita y pirofilita en la fracción fina.

ν Optimización de humectación y riego: mediante la reducción de la tensión superficial de la solución cianurada para minimizar canalizaciones y asegurar una humectación uniforme del lecho.

Esta combinación de estrategias resultó en mejoras sustanciales:

ν Incremento de recuperación de oro de 3% a escala laboratorio y un 10% a semi industrial (celdas de 180 mil toneladas).

ν Aumento de la cinética de lixiviación (reducción del 50% al ciclo de lixiviación).

Reducción drástica de encharcamientos (incremento de la permeabilidad en materiales finos puros del 200%).

De los resultados y caracterización de minerales, se recomienda la utilización de tensoactivos no iónicos para lixiviación de minerales que tengan características mineralógicas similares a Shahuindo, específicamente en la fracción fina (micas) que es donde realmente se tiene deficiencias de humectación de todo el lecho, así como la transferencia del oro ya disuelto dentro del mismo pad. Sin embargo, el tensoactivo seleccionado debe evaluarse de modo de asegurar que no genere espuma, se consuma dentro del mismo mineral y no genere subproductos orgánicos que puedan generar inconvenientes.

Palabras clave: recuperación de oro, pad de lixiviación, alto contenido de arcillas, tensión superficial. 

Introducción

Shahuindo es una de las minas de oro más importantes del Perú cuya producción anual promedio de los últimos cuatro años ha sido de 140K oz Au, estando actualmente en la séptima posición como productor de oro nacional.

Shahuindo es una mina a tajo abierto que procesa su mineral en pads de lixiviación por cianuración, proceso: Adsorción – Desorción – Regeneración (ADR) y fundición.

Se ha enfrentado a desafíos significativos en la recuperación de oro, debido a la alta presencia de finos y arcillas en su mineral (mayor a 22% de finos), lo que trajo problemas de aislamiento del oro contenido en el mineral fino, en zonas con mala humectación por impermeabilización y canalizaciones en el pad de lixiviación. A pesar de los esfuerzos iniciales con el blending de material, la heterogeneidad del lecho resultó en una baja recuperación a escala industrial.

La mina Shahuindo está ubicada en el distrito de Cachachi, provincia de Cajabamba, departamento de Cajamarca en el Perú (Figura 2).

Shahuindo es una mina cuya producción de oro y plata se basa en la extracción de mineral oxidado en una operación a tajo abierto. Este mineral ROM se alimenta al pad, donde por un proceso de lixiviación con solución cianurada a 250 ppm CN- se obtiene la solución rica, que es colectada en una poza PLS2, la cual es bombeada a 300 m aguas arriba hacia otra poza PLS1 a razón de 1,950 m³/h y, finalmente, es alimentada a la planta ADR, la cual cuenta con cinco circuitos de carbón activado con seis columnas por cada circuito. Los dos primeros circuitos tienen columnas de cuatro toneladas de carbón cada uno y, los otros tres, tienen columnas de cinco toneladas cada uno.

Una vez extraído el oro de la solución rica en las columnas de carbón, la solución barren pasa por unos DSM (mallas que evitan pérdidas del carbón fino en la solución) hacia unos tanques donde se realiza el make up con agua fresca y se regula la fuerza de cianuro para obtener la solución lixiviante que retornará al pad para riego. En este proceso de lixiviación de oro, para minera Shahuindo, uno de los factores principales es la disolución del oro, cuya eficiencia se ve afectada por fenómenos hidráulicos que dependen de la permeabilidad del mineral.

Esta permeabilidad a su vez es afectada por la cantidad de finos, debido a la presencia de alteraciones argílicas que tienen los cuerpos mineralizados, con lo cual cobra importancia la búsqueda de material competente para mejorar la permeabilidad del mineral alimentado al pad de modo que podamos seguir procesando de forma segura y eficiente todo el mineral que viene de mina.

En resumen, la planta consta de un proceso de lixiviación por cianuración y una segunda etapa de donde se realiza el proceso ADR, tal como se muestra en la Figura 4.

Dentro de todo el proceso, la etapa principal donde se beneficia el mineral es el pad. En esta fase debemos garantizar:

ν El contacto del oro con la solución lixiviante.

ν La transferencia del oro disuelto contenido en el pad hacia las pozas.

Durante la operación de nuestro pad principal 2B/2C, se tuvieron diversos problemas de percolación viéndose reflejado en encharcamientos (pounding), esto debido a una elevada cantidad de mineral con altos contenidos de finos que se envió al pad (-m200 > 22%), dado que el yacimiento empezó a presentar una gran cantidad de material fino (arcillas) pero con valores de oro.

Objetivos

ν Incrementar la recuperación de oro en el mineral con alto contenido de arcillas no expansivas a través de una mejor humectación en el pad de lixiviación.

ν Mejorar la permeabilidad del mineral fino para incrementar la cinética por medio de una mayor tasa de riego.

ν Caracterizar los tipos de arcillas que estarían asociados al resultado de mejora con el método propuesto (uso de tensoactivos).

Compilación de datos y desarrollo del trabajo

Antes de iniciar las pruebas metalúrgicas, se identificó los principales dominios geológicos presentes en el tajo, que se presentan en la Tabla 1.

Una vez identificados los dominios geológicos se procedió a la clasificación de materiales de mina según la litología y alteraciones (Tabla 2).

A continuación, las Figuras 5, 6, 7 y 8 muestran el material fino más abundante alimentado al pad de lixiviación.

Caracterización mineralógica

Como parte de la caracterización del mineral, se realizó un estudio mineralógico de arcillas de todos los dominios presentes enfocados en la muestra completa, así como en la fracción fina (-m 200).

Tal como se observa en la Figura 9, en las muestras con alteración argílica como el AR1ST, AR2ST y el SI1ST (M5, M7 y M7A), predomina la sílice en un promedio del 55%, seguido por la muscovita en un 21.4% y la illita en un 8.9%.

Estos resultados anticipan un alto contenido de finos en la muestra, que sería la causa de una baja permeabilidad en este tipo de materiales.

Del mismo modo, se realizó el análisis de la fracción fina de los dominios (-m 200) con los resultados que se detallan a continuación.

Tal como se observa en la Figura 10, en la fracción fina de las muestras con alteración argílica (material fino), predomina la illita en un promedio del 89%, seguido por la jarosita en un 4.5% y goethita en un 2.9%.

Del mismo modo, se requería saber el tamaño del grano de oro y plata para descartar si es uno de los motivos por el cual la cinética es lenta, así como la forma en la que se presenta. Para ello, se realizó la observación de la especie en un equipo SEM (microscopio electrónico de barrido).

En la Figura 11, observamos que el oro en óxidos está prácticamente liberado en los materiales finos y en las zonas de fractura.

En la Figura 12, se aprecia que el oro de Shahuindo tiene un tamaño de dos micras aproximadamente, por lo que estamos hablando de un material muy fino y de fácil disolución en mineral oxidado y, sobre todo, si son de granulometría fina.

Luego de identificar los principales dominios más abundantes, así como la caracterización del oro contenido en cada dominio, se procedió a hacer una revisión de las reservas de los diferentes tipos de materiales por competencia y sus respectivas abundancias por tonelaje y contenido de oro.

En la Figura 13, se muestra la abundancia separados por tipo de material.

Como vemos en las reservas actualizadas a junio de 2024 (Figura 13), se tiene 24% de material M5 y 13% de material M7 como toneladas de mineral.

Como observamos en la Figura 14, reservas por contenido de oro, entre el M7 y M5 representan el 64% del oro contenido del total. Estos materiales (M5 y M7) representan un problema, debido a su gran cantidad de finos al momento de ser lixiviados, es por ello la importancia de los demás materiales competentes para la realización de los blending (Grueso/Fino = 1.5) y, a la vez, la importancia de buscar alternativas que promuevan la reducción a la resistencia al paso de la solución a través del mineral fino desde el punto de vista capilar en la solución y que contemplen una ayuda para mejorar la humectación de todo el mineral.

En la Tabla 3, se muestra un cuadro de blending utilizado por nuestra área de geología para el control de finos del mineral alimentado al pad.

Estos ratios de blending nos permiten manejar un buen control hidráulico general de las celdas evitando los pounding, sin embargo, no es suficiente para incrementar la recuperación ya que se involucran otros factores de resistencia al paso de la solución a través del material fino (que contiene la mayor cantidad de oro) en forma localizada dentro del mismo pad, causando un contacto oro-cianuro deficiente.

Recuperación acumulada histórica

Tal como se observa en la curva histórica de la Figura 15, la recuperación ha alcanzado un máximo de 68.8%, sin embargo, las pruebas en columna indican una recuperación del 80%, por lo que por escalamiento deberíamos tener una recuperación del 76% a escala industrial. Esto indica que tenemos un problema hidráulico en el pad de lixiviación, debido al alto contenido de finos, que no permite una lixiviación eficiente del oro contenido en el mineral, así como la transferencia del oro ya lixiviado en el pad hacia las pozas.

Hipótesis de humectación con tensoactivo

Para un mineral ROM con un blending de material Grueso/Fino (M9/M7) = 1.5, tenemos: las gráficas de las Figuras 16 y 17 del antes y después de la aplicación del tensoactivo.

Tal como se observan en los esquemas anteriores, antes del uso de tensoactivos, la solución de riego simplemente se canaliza por las zonas de mejor permeabilidad. Al reducir la tensión superficial de la solución, esta logra movilizarse a través del mineral fino entrando en contacto con una mayor población de oro, el cual se encuentra libre y en mayor abundancia.

Identificada esta oportunidad de mejora para promover el contacto oro – cianuro en el pad de lixiviación, se procede a realizar los primeros ensayos determinando la concentración óptima para obtener la mayor reducción de la tensión superficial con el uso de un tensoactivo no iónico diseñado específicamente para usos en lixiviación (no genera espuma y se adsorbe sobre el mineral en el tiempo).

En la Figura 18 presentamos el esquema que representa la presión capilar antes y después de reducir la tensión superficial con la aplicación del surfactante.

Ecuación de Young-Laplace para la presión capilar es:

La aplicación de un tensoactivo en un líquido reduce la tensión superficial (γ_lg) y, como vimos con la ecuación de Young, también disminuye el ángulo de contacto (θ), haciendo que cos(θ) aumente (para ángulos menores de 90°). Ambos efectos [disminución de γ_lg y aumento de cos(θ)] contribuyen a una reducción de la presión capilar (∆P), lo que significa que se requiere menos "fuerza" para que el líquido penetre en los poros del mineral y, al mismo tiempo, mejora su movilidad a través de los minerales con alto contenido de arcillas, lo que se traduce en una reducción de la resistencia capilar y una humectación más eficiente (R. Byron, 2002).

Medición de la tensión superficial

Para este proceso, el anillo de planito es inmerso en la muestra líquida y forzado hacia afuera del mismo.

El valor obtenido de la medición es la máxima fuerza que se requiere para jalar el anillo fuera de la superficie de la muestra. La siguiente ecuación describe este proceso:

Donde:

σ = Valor de tensión superficial actual. 

σ* = Valor de tensión superficial medida. 

P = Fuerza máxima ejercida al anillo.

R_i = Radio interno del anillo.

R_a = Radio exterior del anillo.

Curva micelar crítica

Antes de iniciar las pruebas, primero buscamos la concentración óptima del tensoactivo para llegar a la mínima tensión superficial posible en la solución de riego. Para ello, se realiza la curva micelar crítica a diferentes concentraciones de tensoactivo tal como se muestra en la Figura 20.

En la Figura 20 se observa que para una concentración de 30 ppm podemos llegar a 30 mN/m con el barren que se tiene en Shahuindo.

Ensayos de permeabilidad a diferentes tensiones superficiales

En este ensayo se hace pasar una solución aplicando altas presiones (3200 psi) a través de un mineral fino (M7), el cual tiene muy mala permeabilidad.

Limolita argilizada (AR2ST): brecha de limolita argilizada color rojo claro. Presencia de óxidos como hematita y jarosita. Presencia de arcillas. Material M7 (Figura 21).

El material ensayado contiene 50% de finos, vemos que con la reducción de la tensión superficial se logra mejorar la permeabilidad del material, soportando hasta 40 m de carga de mineral con una tensión superficial de 30 mN/m y con una permeabilidad de 1.03x10^-3 cm/s.

Luego se realiza un blending de M7 (material fino) con un M9 (material competente), tal como se muestra en la Figura 22. Blending: AR2ST + SI2ST.

En la Figura 22 se observa solo una pequeña diferencia en las permeabilidades del material blendeado antes y después de la aplicación del tensoactivo. Esto solo nos dice que mejoró la permeabilidad (canalizaciones), pero esa pequeña diferencia implica que también está pasando sobre el material fino que es donde está la mayor parte del oro contenido en el mineral.

Pruebas en columnas de lixiviación

Posterior a los ensayos de permeabilidad se tomó una muestra representativa del mineral que ingresa al pad, en este caso a la celda 351 (según registro operativo), el cual cuenta ya con un blending de 1.5 (grueso/fino) con 22% de finos, con este material se cargó varias columnas para evaluar diferentes condiciones con los resultados de la Figura 23.

En las Figuras 23 y 24, se observa un incremento en la cinética de recuperación al reducir la tensión superficial en la etapa de humectación de mineral, básicamente porque el cianuro llega más rápido a una mayor población de oro y plata, contra una menor resistencia al paso de la solución en el material fino.

Tal como se aprecia en la Figura 23, al humectar el mineral con 30 mN/m, se logra incrementar la recuperación en 3.7%, respecto a una condición estándar sin uso de tensoactivo (74 mN/m). También se realizó pruebas con curado (humectación con 1,800 ppm de CN- y riego con 180 ppm CN-) sin tensoactivo y también se obtuvo mejoras, pero solo con 1.8% de recuperación de oro.

Recuperación a diferentes concentraciones de cianuro con uso de tensoactivo

Se realizó la evaluación de la concentración de cianuro con la aplicación de surfactante en la humectación.

En las curvas de recuperación de la Figura 26, se observa que, al reducir la tensión superficial durante la humectación, la cinética a diferentes concentraciones de cianuro es muy cercana ya que todas se igualan dentro de los 20 primeros días en la columna.

Según los consumos reportados de cianuro a diferentes concentraciones de este en el riego, se observa un incremento en el consumo conforme se va aumentando la concentración de riego, esto también fortalece para ver la manera de reducir el consumo de cianuro a lo mínimo posible sin afectar la cinética de recuperación. En este aspecto una mejor humectabilidad con la reducción de la tensión superficial nos permite lograr ese objetivo.

Pilotajes

Después de los resultados de permeabilidad, así como de las pruebas en columnas, se procedió al diseño de pads pilotos para escalar los resultados a nivel industrial. En estas pruebas se esperaban mejores resultados de recuperación que en las columnas, ya que se realizan a escala industrial con las condiciones ROM y con todos los efectos de segregación y operativos, con lo que una reducción de la tensión superficial tiene más oportunidad de mostrar sus beneficios.

Se construyeron pads pilotos, los cuales también formaron parte de la producción de mina, debido a la magnitud de las celdas. Estos se pusieron en riego con las mismas condiciones de la planta (pH y fza de cianuro).

Capacidad de los pads pilotos:

ν Tonelaje: 180,000 toneladas.

ν Ratio de cal: 3.5 Kg/ton.

ν Fuerza de cianuro en riego: 250 ppm CN-.

En la Figura 30, se muestran los resultados obtenidos en los pads pilotos.

Como se observa en la Figura 30, al reducir la tensión superficial de 74 a 30 mN/m, la recuperación y cinética de lixiviación mejoran notablemente (incremento del 10% de recuperación), debido al contacto de la solución cianurada con una mayor población de partículas de oro contenidas principalmente en el material fino apilado en el pad. El piloto 7 no se completó por problemas operativos en la línea de conducción de solución rica, sin embargo, también marca una tendencia de una mejor cinética de recuperación.

Aplicación industrial

Una vez validados los resultados de columna con pruebas a escala semi industrial y comprendido los procesos internos que implican un mejor comportamiento hidráulico de la solución de riego en la etapa de humectación al reducir la tensión superficial con un tensoactivo específico de prueba, se procede a la aplicación a nivel general de la planta, lo que actualmente continua en evaluación.

En la Figura 31, se muestran las fotografías donde se aprecia de forma operativa como se realiza esta aplicación.

En las tres fotos se muestra la aplicación en celda, el punto de aplicación con su mezclador estático (proveedor de tensoactivo) y el IBC de tensoactivo con su sistema de dosificación utilizado (proveedor de tensoactivo).

Presentación y discusión de resultados

El problema central identificado fue la baja recuperación metalúrgica del 68% en los pads de lixiviación con alto contenido de finos, en contraste con el 80% alcanzado en pruebas de columna. Esta brecha significativa resalta la influencia negativa de las arcillas en las operaciones a escala real, específicamente manifestada en zonas impermeabilizadas y encharcamientos.

La implementación de medidas previas, como el blending de material competente con material fino para mantener el porcentaje de finos menor al 22%, si bien mitigó los problemas de encharcamiento, no logró mejorar la recuperación de oro. Esto sugiere que el problema de fondo no solo radicaba en la permeabilidad del lecho, sino en un fenómeno más complejo que afectaba la interacción del lixiviante con el mineral de oro en presencia de arcillas.

Aquí es donde la investigación sobre el "efecto de la tensión superficial" se vuelve crucial. La hipótesis central debió ser que la tensión superficial del agua en los poros finos de las arcillas, o la interacción de las soluciones lixiviantes con las superficies de las partículas de arcilla, estaba impidiendo un contacto efectivo entre el cianuro y el oro. Los estudios desarrollados (pruebas de laboratorio, modelado, etc.) confirmaron esta hipótesis, los resultados mostraron que al modificar la tensión superficial, reduciéndola de 74 mN/m a 30 mN/m (por el uso de un tensoactivo específico), se logró una mejor humectación de las partículas de mineral, una penetración más profunda del lixiviante en las zonas con arcillas y, consecuentemente, un incremento en la cinética de disolución del oro de hasta un 50%.

Los resultados mostraron cómo el efecto de la tensión superficial, llevó a una mejora cuantificable en la recuperación metalúrgica, acercándose al desempeño observado en las pruebas de columna. Esto no solo se reflejaría en un mayor porcentaje de recuperación de oro (3% en columnas y 10% en escala semi industrial), sino también, posiblemente, en una reducción del tiempo de lixiviación necesario o una disminución en el consumo de reactivos por tonelada de oro recuperado. La efectividad de la solución implementada durante la humectación del mineral, al abordar la causa raíz identificada (la tensión superficial), diferenciaría este enfoque de las medidas paliativas previas.

Conclusiones

1. Identificación de la causa raíz: se confirmó que el bajo rendimiento metalúrgico en los pads de lixiviación con alto contenido de arcillas en la mina Shahuindo estaba directamente relacionado con el efecto negativo de la tensión superficial en la humectación, que impedía el contacto eficiente entre el lixiviante y el oro.

2. Validación de la metodología: la serie de estudios desarrollada permitió comprender a fondo el fenómeno de la tensión superficial en minerales con alto contenido de finos procesados en un pad de lixiviación y desarrollar una metodología efectiva para mitigar sus efectos adversos en la lixiviación de oro.

3. Impacto positivo en la recuperación: la aplicación de las soluciones derivadas de la investigación (uso de tensoactivo específico) resultó en un incremento significativo de la recuperación de oro en los pads de lixiviación a escala semi industrial (10% de incremento), reduciendo la brecha con respecto a los resultados de las pruebas en columna.

4. Optimización del proceso: la implementación de estas medidas no solo mejoró la recuperación, sino que también contribuyó a optimizar la eficiencia general del proceso de lixiviación, al permitir un mejor aprovechamiento del mineral y asegurar la rentabilidad operativa.

5. Relevancia para la industria: los hallazgos de este trabajo ofrecen una valiosa perspectiva sobre cómo abordar desafíos similares en otras operaciones mineras que enfrentan problemas de lixiviación en presencia de minerales arcillosos, destacando la importancia de considerar factores fisicoquímicos como la tensión superficial.

Bibliografía

Byron, R., Stewart, W.E., 2002. Transport Phenomena. 2da Edición, p. 50-200.

Kappes, C. 2019. Compaction Press Test Apparatus Installation and Operation Manual. Kappes, Cassiday & Associates, v. SHAH11_Manual_01, p. 21-27.

Kruss, G. 2014. User Manual. Force tensiometer – K6, v. 3-02, p. 12-13.

Robson, M. 2004. An Introduction to Chemical Kinetics. John Wiley & Sons, Ltd, v. 01, p. 48.