Rougher flotation of copper flotation tailings from southern Peru: Fe upgrading, metallurgical balance and batch flotation kinetics

Resumen Técnico: Flotación de Espumas de Relaves de Cobre de la Región Sur de Perú

Planteamiento del Problema
Los relaves mineros representan un desafío ambiental y técnico significativo debido a sus grandes volúmenes, el potencial de liberación de contaminantes y su heterogeneidad química. Específicamente, los relaves con contenido de sulfuros plantean riesgos de generación de ácido y movilización de metales mediante la oxidación. Si bien se investiga la flotación de espumas tanto para la recuperación de recursos secundarios como para la desulfuración ambiental, el desempeño es altamente específico de cada sitio y depende de la liberación mineral, la química superficial y el tamaño de partícula. Una limitación crítica en la literatura existente es la tendencia a interpretar la recuperación de hierro total (Fe) como una recuperación selectiva de pirita sin el respaldo de ensayos de azufre o mineralogía específica del producto. Este estudio aborda la necesidad de una línea base rigurosa y reproducible para la mejora de grado de Fe en relaves de cobre, reconociendo explícitamente las limitaciones de utilizar el Fe total como un indicador de la recuperación de sulfuros en ausencia de datos de azufre.

Metodología
El estudio utilizó relaves de flotación de cobre recolectados de la última celda de un circuito de limpieza de una sola etapa en el sur de Perú. El flujo de trabajo experimental consistió en:

• Caracterización de la Alimentación: La alimentación fue analizada para determinar su química global (análisis químico húmedo), mineralogía (difracción de rayos X con refinamiento Rietveld y SEM-EDS) y propiedades físicas (gravedad específica y distribución de tamaño de partícula).
• Pruebas de Flotación: Se realizó una flotación de desbaste (rougher) a escala de banco utilizando una celda mecánica tipo Denver de 2 L con 500 g de alimentación seca al 30% en peso de sólidos y 1200 rpm. El proceso operó a pH natural (6.5–6.8) utilizando xantato de isopropilo sódico (Z-11) como colector y metil isobutil carbinol (MIBC) como espumante.
• Replicación y Cinética: Se realizaron tres pruebas de desbaste independientes replicadas para establecer balances metalúrgicos. Además, se llevaron a cabo tres pruebas cinéticas de lote independientes, recolectando nueve concentrados secuenciales de 1 minuto durante un periodo de 9 minutos para evaluar las compensaciones entre grado y recuperación dependientes del tiempo.
• Modelado: Los datos de recuperación acumulada de Fe fueron ajustados a tres modelos cinéticos de dos parámetros: el modelo clásico de primer orden, el hiperbólico y el de Klimpel. El desempeño de los modelos se evaluó mediante el coeficiente de determinación ($R^2$), el error cuadrático medio (RMSE) y el criterio de información de Akaike corregido (AICc).

Resultos Clave

• Características de la Alimentación: Los relaves contenían un 24.79 % en peso de Fe y un 20.50 % en peso de S, con una gravedad específica de 3.56 y un $D_{50}$ de aproximadamente 101 µm. El análisis mineralógico reveló un ensamblaje complejo donde el Fe se distribuía entre sulfuros (pirita, marcasita, pirrotina), óxidos ($Fe_2O_3$-tipo), silicatos y carbonatos/sulfatos (incluyendo siderita). En consecuencia, el Fe total no pudo atribuirse exclusivamente a la pirita.
• Desempeño de la Flotación de Desbaste: Las pruebas de desbaste replicadas produjeron un concentrado rico en Fe consistente con un grado de 50.77 ± 0.68 % en peso de Fe. Esto se logró con un arrastre de masa (mass pull) de 33.80 ± 0.62 % y una recuperación de Fe del 58.33 ± 1.76 %, lo que resultó en una relación de enriquecimiento de 1.73 ± 0.02. Los resultados demostraron una mejora de grado de Fe reproducible.
• Respuesta Cinética: Durante 9 minutos, la recuperación acumulada de Fe aumentó del 8.83% al 41.76 ± 0.82%, mientras que el grado acumulado de Fe disminuyó del 50.34% al 38.39 ± 0.14 % en peso. Esto indicó que los primeros productos de la espuma eran los más ricos en Fe, mientras que las fracciones posteriores contenían material de flotación lenta y ganga.
• Modelado Cinético: Los tres modelos (primer orden, hiperbólico y Klimpel) describieron los perfiles de recuperación de forma estrecha ($R^2$ > 0.999). El modelo hiperbólico mostró el RMSE y el AICc promedio más bajos, aunque las diferencias fueron pequeñas y dependientes de la réplica. El modelo de primer orden arrojó una recuperación última ($R_\infty$) de 54.11 ± 1.19% y una constante de velocidad aparente ($k$) de 0.1648 ± 0.0019 min⁻¹. Sin embargo, el estudio señaló que las asíntotas ajustadas son sensibles a la estructura del modelo y no deben interpretarse como recuperaciones alcanzadas experimentalmente dado el corto periodo de la prueba.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo establece una línea base reproducible para la mejora global de las fases que contienen Fe de los relaves de cobre utilizando condiciones estándar de flotación de desbaste. Los autores declaran explícitamente que el producto recuperado es un "concentrado de desbaste rico en Fe" en lugar de un "concentrado de pirita", ya que el estudio carece de los ensayos de azufre y la mineralogía específica del producto requeridos para confirmar la recuperación selectiva de sulfuros o la desulfuración ambiental.

La significancia del trabajo radica en su rigor metodológico respecto a la interpretación de los balances metalúrgicos. Al distinguir entre la recuperación de Fe total y la recuperación específica de la pirita, el estudio proporciona una evaluación cautelosa y científicamente fundamentada del potencial de reprocesamiento de relaves. Demuestra que, si bien la mejora de grado de Fe es factible y reproducible, las afirmaciones sobre la desulfuración ambiental o la recuperación de recursos secundarios de minerales de sulfuro específicos requieren mayor investigación que involucre balances de masa de azufre y una caracterización mineralógica detallada de los productos de flotación. Los datos cinéticos ilustran además cómo la selección del modelo influye en la estimación de la recuperación última, enfatizando la necesidad de una interpretación cuidadosa de los parámetros extrapolados en los estudios de flotación por lote.