Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería en Minas Laboratorio Procesos Hidrometalúrgicos
LABORATORIO EXTRACCIÓN POR SOLVENTES (SX)
Preparado Por:
Franco Álvarez Aguayo (Ayudante)
Revisado y Aprobado Por:
Luis Vilches (Profesor Laboratorio)
INTRODUCCIÓN La extracción por solventes (SX) es uno de los procesos más efectivos y económicos para purificar, concentrar y separar los metales valiosos que se encuentran en las soluciones enriquecidas provenientes de procesos de lixiviación. Este proceso encuentra su principal aplicación en la producción de cobre, específicamente en la separación selectiva de metales, que luego se recuperan en el proceso de electroobtención en soluciones de sulfato de cobre. También se aplica ampliamente en la recuperación de uranio, vanadio, molibdeno, zirconio, tungsteno, renio, elementos de tierras raras, metales preciosos, cadmio, berilio, boro entre otros. Fundamentalmente, la extracción por solvente es una operación de transferencia de masas en un sistema de dos fases liquidas. También se le llama intercambio iónico líquido y se basa en el principio por el cual un soluto o ion metálico puede distribuirse en cierta proporción entre dos solventes inmiscibles, uno de los cuales es usualmente acuoso y el otro un solvente orgánico como benceno, kerosene, cloroformo o cualquier otro que sea inmiscible al agua. Selectivo con respecto al metal que se desea tratar, en este caso Cu . Lo anterior es posible debido a que ciertos reactivos químicos tienen un alto grado de afinidad selectiva con determinados iones metálicos, con los que forman compuestos organometálicos, y simultáneamente, casi ninguna afinidad con iones contaminantes como iones de fierro, calcio, magnesio, aluminio, azufre, etc. Por esta razón, se aplica principalmente en la separación selectiva de metales, para la posterior obtención de estos mediante un proceso adecuado, como es el de electroobtención aplicada a una solución de sulfatos de cobre.
Fig 1. Cadena de procesos unitarios en serie para obtención de un metal
2
OBJETIVOS EXTRACCIÓN POR SOLVENTES El proceso de extracción por solventes se incorpora como parte de un sistema integral de recuperación de la hidrometalurgia. En la mayoría de los casos, al integrar el proceso de SX en un circuito metalúrgico se busca cumplir con al menos uno de ellos, muchas veces dos y ocasionalmente con tres, de los objetivos siguientes:
La separación y purificación de uno o mas metales de interés de las soluciones que los contienen, las cuales suelen tener impurezas. La separación consiste en extraer el o los metales deseados desde las soluciones, o a la inversa, extraer las impurezas de la solución, dejando el o los metales deseados en ella.
Concentración de los metales disueltos para disminuir los volúmenes a procesar y así reducir los costos del proceso siguiente.
Transferencia de los metales disueltos desde una solución acuosa compleja a otra solución acuosa diferente, que simplifique el proceso siguiente.
La incorporación de la extracción por solventes dentro de la hidrometalurgia es de gran interés en el desarrollo de las siguientes operaciones específicas:
Recuperación selectiva de un solo metal desde una solución de lixiviación, liberándolo de sus impurezas y concentrándolo de manera que sea más fácil su posterior recuperación. En la lixiviación del cobre la extracción por solventes se realiza en las soluciones de lixiviación diluidas e impuras, con el fin de traspasar el cobre a una solución de electrolito puro y concentrado que permita realizar la electroobtención (EW).
La separación conjunta de varios metales desde una solución debido a que ciertos elementos químicos como el Cu/Ni/Co presentan una similitud de propiedades químicas. Mediante SX se separan conjuntamente para su posterior separación diferencial.
La purificación de soluciones. Mediante extracción por solventes se extraen las impurezas dañinas o contaminantes de una solución para dejarla limpia como solución de partida. Este método se aplica en la purificación de los descartes de electrolitos de refinería de cobre, al eliminar Fe, As y otras impurezas, permitiendo devolver la solución limpia al circuito principal.
3
Fig 2. Esquema del proceso de extracción por solventes de cobre
ETAPAS Y MECANISMOS DE LA EXTRACCIÓN POR SOLVENTES La extracción por solventes consiste en un proceso de purificación y concentración de soluciones basadas en la separación del elemento de interés, en el caso del cobre desde las soluciones de lixiviación. Para ellos se utiliza un medio extractante, también liquido de alta selectividad al elemento a separar, pero que al mismo tiempo es inmiscible a la solución. El proceso global de la extracción por solventes se distinguen tres momentos fundamentales, que consisten en:
El líquido extractante se agrega a la solución primaria, y se conecta con el ion metálico, el que queda entonces formando parte del extractante.
Enseguida, este complejo extractante – ion metálico, es separado de la solución y es llevado a una solución secundaria pobre en el ion metálico.
En esta solución secundaria se produce la reextracción o descarga. Es decir, el elemento de interés es nuevamente devuelto a una solución acuosa, pero exenta de impurezas, óptima para el proceso siguiente de electroobtención.
En general en el proceso de extracción por solventes se reconocen dos etapas fundamentales: la etapa de “extracción” propiamente tal y la de “reextracción o stripping”, llamada también “descarga”.
4
ETAPA DE EXTRACCIÓN La solución impura proveniente de la lixiviación en fase acuosa, rica en iones de cobre y con una acidez alta, pH entre 1,4 y 1,9, y alrededor de 5g/l se introduce en mezcladores especiales, en los que se contacta con la fase orgánica de muy bajo contenido de cobre llamada “orgánico descargado”.
Como ambas fases son inmiscibles, para poder realizar la extracción y mezcla es necesario aplicar una acción mecánica de elementos externos que proporcionan la energía necesaria para este propósito. Al mezclarse ambas fases, ocurre una transferencia de la especie metálica disuelta de la fase acuosa, la que se desplaza, asociándose químicamente con el reactivo extractante en la fase orgánica, hasta alcanzar el respectivo equilibrio químico. De esta forma se genera una fase orgánica cargada con la especie metálica de interés de alrededor de 10 g/l y una solución acuosa descargada o refino de alrededor de 6 g/l que es reutilizada en el proceso de lixiviación que se recupera en las soluciones que se obtienen del proceso.
ETAPA DE REEXTRACCIÓN O DESCARGA DEL REACTIVO La etapa de reextracción del reactivo consiste en la recuperación de la especie metálica desde la fase orgánica, con la regeneración simultánea de las capacidades extractivas de la fase orgánica, lo que le permite ser usada nuevamente en otra extracción. De la etapa de reextracción se obtiene por un lado una solución de orgánico descargado de alrededor de 20 g/l , que es recirculado a la etapa de extracción y una solución rica en iones de cobre de baja acidez, entre 45 y 50 g/l de cobre la cual es llevada a la siguiente etapa, la electroobtención.
Fig 3.Esquema Extracción por solventes
5
REACCIONES DE EXTRACCIÓN POR SOLVENTES
Reacción de Extracción
2RH
+
Extractante de fase orgánica descargada
Cu+2 + SO4-2
R2Cu
Solución rica de lixiviación de la fase acuosa con bajo contenido de acido
+
Extractante de fase orgánica cargada
2H+ + SO4-2 Refino de fase acuosa
Reacción de Reextracción
2H+ + SO4-2 + Electrolito de Cu+2 Con alto contenido De acido (Electrolito pobre)
R2Cu
Extractante de fase orgánica cargada
2RH Extractante de fase orgánica descargada
+
Cu+2 + SO4-2 Electrolito enriquecido (Electrolito rico)
PROPIEDADES DE LOS AGENTES EXTRACTANTES Selectividad: habilidad del extractante para extraer una sustancia de interés desde
una solución acuosa. Coeficiente de distribución : Es la razón entre la concentración de cobre presente
en el orgánico y la concentración del acuoso. Este debe ser lo mas alto posible, para extraer un máximo y minimizar la cantidad de solventes.
Capacidad de carga: Corresponde a la máxima concentración del ion metálico de
interés presente en la fase orgánica, a un pH y a una concentración de extractante dada. Se requiere gran capacidad de carga.
Insolubilidad: Esta propiedad es de gran importancia, ya que si existe un alto grado
de mutua insolubilidad entre el extractante y la fase acuosa, es más fácil la recuperación del extractante y disminuirán las perdidas de orgánico en el refino y electrolito.
Recuperabilidad: Siempre es necesario recuperar la mayor cantidad posible de
extractantes, para volverlos a utilizar, esto favorece la reducción de costos.
Densidad: Se requiere que exista una diferencia de densidad entre las fases
liquidas en contacto. Cuanto mayor sea esta diferencia, mejor la separación de las fases.
Viscosidad: Esta característica debe ser lo mas baja posible, ya que esto favorece la
transferencia de masas, la separación de fases y, por consiguiente, la extracción. 6
Tensión superficial : Cuanto mayor sea la tensión superficial, mas rápido ocurrirá la
coalescencia de las emulsiones, aumentando la separación de las fases.
Seguridad: No debe ser tóxico ni inflamable.
Estabilidad Química: El agente extractante debe ser estable y químicamente inerte
frente a los demás componentes del sistema.
EJEMPLOS DE PLANTAS DE DIAGRAMAS DE FLUJO
Fig 4. Flowsheet Minera El Abra
Algunas faenas que emplean Lixiviación-Extracción por Solventes-Electroobtención (LIX-SX-EW):
Minera Gabriela Mistral – Codelco Chile Radomiro Tomic – Codelco Chile Spence – BHP Billiton Cerro Colorado – BHP Billiton Chuquicamata – Codelco Chile Collahuasi – Anglo American, Xstrata Copper, Mutsui El Teniente – Codelco Chile El Tesoro – Antofagasta Minerals Escondida – BHP Billiton,Río Tinto PLC, Jeco Corporation Lomas Bayas – Xstrata Copper 7
ELECTROOBTENCIÓN
La solución de sulfato de cobre es llevada a las celdas de electroobtención (estanques rectangulares), que tienen dispuesta en su interior y sumergidas en solución, unas placas metálicas que corresponden a 60 pares de electrodos (ánodo + y cátodo -) conectadas en un circuito por donde pasa corriente continua desde el ánodo (+) al cátodo (-).
El cobre en solución (Cu+2) es atraído hacia el polo negativo, pegándose partícula por partícula en forma metálica sobre la superficie del cátodo de acero inoxidable.
Ánodo de Plomo Polo Positivo
+
-
+
-
+
Cátodo de acero Inoxidable Polo Negativo
Entrada
Salida Electrolito
Fig 5. Esquema Electroobtención
El objetivo es producir cobre de 99,99% de pureza a partir del electrolito de sulfato de cobre proveniente de la etapa de Extracción por Solventes (SX).
PRODUCTO FINAL
El proceso dura alrededor de 7 días y se produce la “cosecha” de cátodos de cobre.
Se llaman cátodos por que se forman sobre la superficie de la placa de acero que actúa de polo negativo o cátodo en la celda electrolítica.
Los cátodos de cobre son testeados por muestreo para comprobar su contenido de cobre, que debe ser de 99,99%, y mínimas impurezas (menos de 0,01% principalmente de azufre).
Fig 6. Cátodo de cobre
8
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En la experiencia a realizar se realizará el proceso de extracción por solventes para minerales oxidados de cobre a partir de una muestra de PLS extraída del proceso de lixiviación realizada anteriormente. Se entrega lo siguiente:
Volumen de PLS. Volumen similar al del PLS de orgánico que consiste en un reactivo diluido de kerosene. Volumen solución ácida.
ETAPA DE EXTRACCIÓN Estas soluciones serán mezcladas en el agitador mecánico, donde luego de dejar reposar la mezcla se extraen 10 ml de muestra cada 3,6 y 9 minutos de agitación, estas muestras serán llevadas a análisis químico para obtener su información.
ETAPA DE REEXTRACCIÓN O STRIPPING La fase orgánica obtenida del proceso anterior, será puesta en contacto con una solución ácida de volumen similar a las soluciones anteriores. Análogamente al proceso anterior se mezclan en el agitador mecánico para obtener muestras de 10 ml en tiempos de agitación de 3,6 y 9 minutos, donde el producto será llevado a análisis químico. Los resultados de análisis químicos serán entregados vía correo electrónico para su posterior análisis.
Fig 7. Solución de PLS y solución ácida Fig 8. Fase orgánica diluida
9
BIBLIOGRAFÍA
Manual general de minería y metalurgia – Portal Minero
Hidrometalurgia – Esteban Domic
Apuntes clases Evaluación de Procesos Mineralúrgicos- Profesor Hernán Vives
Apuntes clases Hidrometalurgia- Profesor Pedro Muñoz
10
