Estudio experimental de la variables hidrodinámicas que afectan la mojabilidad e infiltración en minerales oxidados, distrito norte CODELCO.

Abstract

Esta investigación analiza como las variables hidrodinámicas microscópicas, tales como ángulo de contacto, tensión superficial y distribución del tamaño de poro, influyen en la mojabilidad e infiltración de soluciones en muestras de minerales oxidados pertenecientes a dos divisiones de CODELCO: Gabriela Mistral (DGM) y Radomiro Tomic (DRT). La hipótesis sugiere que la condición de saturación a la que está sometida una partícula mineral afecta su capacidad para ser humedecida, y que la presencia de aire atrapado en los poros obstaculiza la infiltración de la solución, reduciendo así la eficiencia en la recuperación del metal en el proceso de lixiviación en pilas. El objetivo es evaluar cuantitativamente la mojabilidad e infiltración de una solución ácida de aglomeración con 14% de ácido sulfúrico mediante experimentos y simulaciones computacionales. Se plantea que existe una correlación entre variables como ángulo de contacto, distribución de tamaño de poros y la dinámica de fluidos. Se realizó un análisis detallado de los fenómenos hidrodinámicos considerando las mencionadas variables en la mojabilidad e infiltración en los minerales. Un programa experimental fue implementado para explorar estos aspectos bajo diferentes condiciones de saturación en muestras minerales de ambas divisiones. Además, se llevaron a cabo simulaciones CFD en OpenFOAM para examinar cómo la variación de la tensión superficial afecta la dinámica de fluidos de la solución ácida en un modelo de mineral ideal con tamaño de poro uniforme. El estudio demostró cuantitativamente una correlación entre el ángulo de contacto promedio (28° en la muestra del mineral de DGM y 40° en la muestra del mineral de DRT), distribución de tamaños de poros y la velocidad de infiltración. Los experimentos revelaron que, bajo condiciones no saturadas, la microporosidad facilita mayores alturas por fuerzas capilares (24.3 mm promedio en las muestras del mineral de DGM versus 21.5 mm promedio en las muestras del mineral de DRT). En condiciones de saturación, la presencia de aire dificulta la infiltración en poros pequeños (8.0 mm en la muestra del mineral de DGM versus 12.0 mm en la muestra del mineral de DRT). Las simulaciones CFD confirmaron que, al aumentar la tensión superficial se reduce la velocidad de infiltración del líquido. Además, evidencian que, en condiciones de saturación, la compresión del aire atrapado se intensifica conforme decrece el tamaño de poro, oponiéndose al avance del líquido. Así, se corrobora que las condiciones de saturación influyen significativamente en la dinámica de infiltración. Los análisis mineralógico mediante DRX y la caracterización BET de la porosidad revelaron diferencias microestructurales entre las muestras de los minerales de DGM y DRT que explican su distinto comportamiento hidrodinámico. La mayor área específica y desarrollo de microporosidad en la muestra de DGM intensifican las fuerzas capilares, mejorando la capacidad de infiltración en condiciones saturadas. La incorporación de estos factores en los modelos hidrodinámicos permitirá optimizar el proceso de lixiviación en pilas al mejorar la predicción de la interacción mineral-solución. Este conocimiento sentará las bases para investigaciones futuras se enfoquen en mejorar la representación de la hidrodinámica de fluidos en medios poros y/o minerales.

This research explores the influence of microscopic hydrodynamic variables, such as contact angle, surface tension, and pore size distribution, on the wettability and infiltration of solutions in oxidized mineral samples from two divisions of CODELCO: Gabriela Mistral (DGM) and Radomiro Tomic (DRT). The hypothesis posits that the saturation condition to which a mineral particle is subjected impacts its ability to be wetted, and that the presence of air trapped within the pores obstructs the solution's infiltration, thereby reducing the efficiency of metal recovery in the heap leaching process. The objective is to quantitatively evaluate the wettability and infiltration of an acidic agglomeration solution containing 14% sulfuric acid through both experimental and computational simulation approaches. It is proposed that there exists a correlation among variables such as contact angle, pore size distribution, and fluid dynamics. A detailed analysis of hydrodynamic phenomena, considering the aforementioned variables in relation to mineral wettability and infiltration, was conducted. An experimental program was initiated to explore these aspects under varying saturation conditions in mineral samples from both divisions. In addition, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations in OpenFOAM were performed to examine how changes in surface tension affect the fluid dynamics of the acidic solution in an idealized mineral model with uniform pore size. The study quantitatively demonstrated a correlation between the average contact angle (28° in the DGM mineral sample and 40° in the DRT mineral sample), pore size distribution, and infiltration rate. The experiments revealed that under unsaturated conditions, microporosity enables higher capillary-driven heights (24.3 mm average in the DGM mineral samples versus 21.5 mm average in the DRT mineral samples). In saturated conditions, the presence of air impedes infiltration into small pores (8.0 mm in the DGM sample versus 12.0 mm in the DRT sample). The CFD simulations confirmed that an increase in surface tension decreases the liquid's infiltration speed. Moreover, they indicated that under saturated conditions, the compression of trapped air intensifies as the pore size decreases, opposing the liquid's progression. Thus, it is corroborated that saturation conditions significantly influence infiltration dynamics. Mineralogical analyses using XRD and BET porosity characterization revealed microstructural differences between the mineral samples from DGM and DRT, explaining their distinct hydrodynamic behavior. The increased specific surface area and development of microporosity in the DGM sample enhance capillary forces, improving infiltration capacity under saturated conditions. Integrating these factors into hydrodynamic models will optimize the heap leaching process by enhancing the prediction of mineral-solution interaction. This knowledge lays the groundwork for future research focused on improving the representation of fluid hydrodynamics in porous media and/or minerals.