Modeling the kinetics of copper ore leaching and its dependence on physical and chemical transformations of gangue species

Abstract

Successful application of in situ leaching (ISL) to copper (Cu) sulfide ores would enable exploitation of large and low-grade Cu resources that cannot be treated by conventional methods. Particle scale (micro-scale) modeling is key to reproduce Cu extraction rates under different ISL operating scenarios, since fluid dynamic modeling is highly competent and it is only necessary to couple physico-chemical phenomena, related to the particle surface, to increase its overall capabilities. When predicting key leaching variables/parameters for coarse ore particles, conventional models exhibit low agreement between observed and simulated data, and the effect of chemical transformations of different non-valuable minerals and changes of ore particle structure on Cu leaching are rarely included. A semi-empirical 1D isothermal reactive transport model intended to simulate heterogeneous reactions between Cu sulfide ores and different ferric sulfate solutions is presented. A modified version of the particle-grain model is adopted to replicate the dissolution process of mineral grains and porosity changes within a porous particle along with an integrated speciation sub-model. The reactive transport model is numerically solved by means of the finite volume method with a fully implicit scheme and where an adaptive time-step is implemented. The speciation sub-model is solved by means of the interior-point method. The simulations presented in this work were obtained by imposing that the ore particle is composed of two reactive solid species together with an inert porous gangue matrix. Both reactive solid species are attacked by different liquid reagents present in solution, so they do not compete with each other. The chemical leaching of chalcopyrite and representative gangue species, K-feldspar and muscovite, were considered, where ferric and hydrogen ions are the respective leaching agents of the Cu sulfide and silicate minerals. Experimental data was obtained from extensive head and leached ore sample characterization analyses, flooded ore bed and shake-flask leaching tests conducted on two different Cu sulfide ore samples. The model gives satisfactory predictions (on average R2 ≈ 0.93) for experimental Cu conversion curves and performs far better than simplified models such as the Shrinking Core Model in predicting the Cu ion extraction rate for different ores samples with different physical characteristics (particle size, porosity) and mineralogical composition. The model struggles predicting gangue-related ion conversion experimental data in different leaching systems and Cu conversion at different acid conditions. The poor agreement between the simulation and experimental data is mainly attributed to not taking into account the species precipitation, ion exchange and adsorption phenomena within the ore particle. Experimental results show, for both ore samples, that an increase in the acidity of the solution does not generate improvements in Cu recovery (average decrease of ~12%), but it does notably increase the extraction of certain gangue-related ions and particle porosity (on average ~15%). Finally, some relevant structural and kinetics parameter correlations are informed for the analyzed ore leaching systems.

La aplicaci´on exitosa de la lixiviaci´on in situ (LIS) en menas de sulfuro de cobre (Cu) permitir´ıa explotar grandes recursos de baja ley de Cu que no pueden tratarse por m´etodos convencionales. La modelizaci´on a escala de part´ıcula es clave para reproducir las tasas de extracci´on de Cu bajo diferentes escenarios de operaci´on de la LIS, ya que la modelizaci´on fluidodin´amica es altamente competente y s´olo es necesario acoplar fen´omenos f´ısico-qu´ımicos para aumentar su capacidad. Los modelos convencionales exhiben una baja concordancia entre los datos observados y simulados al predecir las variables/parametros de lixiviaci´on para part´ıculas gruesas, y rara vez se incluye el efecto de las transformaciones qu´ımicas de diferentes minerales no valiosos y los cambios de la estructura de las part´ıculas. Se propone un modelo de transporte reactivo de 1D, isot´ermico y semi-emp´ırico para simular las reacciones heterog´eneas entre menas de sulfuro de Cu y diferentes soluciones de sulfato f´errico. Se utiliza una versi´on modificada del modelo part´ıcula-grano para replicar el proceso de disoluci´on de los granos de mineral y los cambios de porosidad dentro de una part´ıcula porosa, en conjunto con un submodelo de especiaci´on. El modelo de transporte reactivo se resuelve num´ericamente mediante el m´etodo de vol´umenes finitos con un esquema totalmente impl´ıcito y en el que se aplica un paso temporal adaptativo. El submodelo de especiaci´on se resuelve mediante el m´etodo del punto interior. Las simulaciones presentadas en este trabajo se obtuvieron imponiendo que la part´ıcula de mena est´a compuesta por dos especies s´olidas reactivas junto con una matriz de ganga porosa inerte. Ambas especies s´olidas son atacadas por diferentes reactivos l´ıquidos presentes en soluci´on, por lo que no compiten entre s´ı. Se consider´o la lixiviaci´on qu´ımica de la calcopirita y de especies de ganga representativas, ortoclasa y moscovita, donde los iones Fe3+ y H + son los respectivos agentes de lixiviaci´on del mineral de sulfuro de Cu y de los silicatos. Los datos experimentales se obtuvieron a partir de extensos an´alisis de caracterizaci´on de muestras de mineral de cabeza y lixiviado, y de pruebas de lixiviaci´on en lecho inundado y en frasco agitado, realizadas en dos muestras diferentes de mena de sulfuro de Cu. El modelo da predicciones satisfactorias (en promedio R2 ≈ 0.93) para curvas experimentales de conversi´on de Cu para diferentes muestras de mena con diferentes caracter´ısticas f´ısicas y composici´on mineral´ogica. El modelo predice con menor precisi´on los datos experimentales de conversi´on de iones asociados a la ganga en diferentes sistemas de lixiviaci´on y la conversi´on de Cu en diferentes condiciones ´acidas. La baja concordancia entre la simulaci´on y los datos experimentales se atribuye principalmente a no considerar los fen´omenos de precipitaci´on de especies, intercambio ionico y adsorci´on dentro de la part´ıcula. Los resultados experimentales muestran, para ambas muestras de mena, que un aumento de la acidez de la soluci´on no genera mejoras en la recuperaci´on de Cu (disminuci´on media de ∼12%), pero s´ı aumenta notablemente la extracci´on de ciertos iones asociados a la ganga y la porosidad (en promedio ∼15%). Por ´ultimo, se informan algunas correlaciones relevantes de par´ametros estructurales y cin´eticos para los sistemas de lixiviaci´on analizados.