49
CAPITULO III EXTRACCION POR SOLVENTE
3.1 INTRODUCCION
Como se ha mencionado en el capítulo I, la introducción de la tecnología de la extracción por solvente para la recuperación de cobre, ha revolucionado en corto tiempo la minería extractiva del cobre y principalmente sus procesos extractivos. La extracción por solvente con una trayectoria en el cobre de más de 20 años, ha demostrado ser un elemento tecnológico importante para las empresas productoras en su estrategia competitiva a corto y largo plazo. A pesar que la SX es una técnica técnica de separación separación empleada empleada desde comienzo comienzo de este siglo en la industria petro y farmoquímica, solamente a mediados de éste, se aplicó en la hidrometalurgia para extraer metales nucleares. En la industria del cobre, se aplicó industrialmente a fines de la década del 60, en la planta Bluebird (Arizona) para producir 6.000 t/a de cátodos. Hoy en día, las plantas con SX están permitiendo recuperar más 750.000 t/a de cobre proveniente de diferentes tipos de soluciones. La SX del cobre, fue originalmente desarrollada para recuperar cobre desde soluciones pobres y contaminadas, que tradicionalmente se sometían precipitación con chatarra de hierro para obtener un precipitado impuro que se enviaba a una fundición. La estrategia de aplicación original aún se mantiene en numerosas plantas que lixivian minerales de baja ley. Sin embargo, los desarrollos y avances en SX, han ampliado su potencialidad y es así como actualmente se procesan soluciones de mayor contenido en cobre y ácido e incluso para soluciones amoniacales.
50
51
3.1.1 OBJETIVOS DEL PROCESO
El proceso de SX como etapa de purificación y concentración de soluciones, es intermediante entre las de lixiviación y EW. La interposición de un medio orgánico entre la solución rica de lixiviación y el electrolito acuoso de EW permite que se lleve a cabo un proceso económico de separación química y concentración
del
cobre.
La
técnica
de
SX
utilizada
en
un
proceso
hidrometalúrgico del cobre, persigue los siguientes objetivos: •
Transferir selectivamente el cobre contenido en la solución rica proveniente de lixiviación hacia el electrolito de EW.
•
Facilitar la recuperación del cobre por EW y obtener cobre electrolítico de alta pureza.
•
Cambiar la identidad química del cobre disuelto en otra compatible con el proceso de EW. Dependiendo del proceso particular aplicado, se puede lograr uno o más
objetivos señalados.
3.2. DESCRIPCION DEL PROCESO
La extracción por solvente, conocida como intercambio iónico líquido, puede ser definida como un proceso químico utilizado ya sea para purificar, concentrar o modificar soluciones que contienen cobre. Este proceso se caracteriza por presentar dos etapas principales:
a) Etapa Extracción o Carga. En dicha etapa, la solución rica es mezclada con un líquido orgánico para transferir el cobre desde la fase acuosa a la orgánica en forma selectiva. Las dos fases luego se separan debido a su insolubilidad. En esta etapa, se “carga” el orgánico con cobre, generándose el refino y el orgánico cargado. b) Etapa Reextracción o Descarga.
52
El orgánico cargado se contacta con un electrolito ácido para transferir ahora el cobre de la fase orgánica al electrolito acuoso. En esta etapa, se “descarga” el orgánico, generándose el electrolito rico apto para el EW y orgánico descargado apto para su reciclo a extracción, como se puede apreciar en la Figura 3.2. Adicionalmente en la configuración del circuito de SX, se puede contar con una etapa del lavado si es necesario para el proceso. Esta etapa de carácter secundaría, tiene el propósito de lavar el orgánico cargado con agua para disminuir el traspaso de impurezas hacia el electrolito. Ver Figura 3.3. Los componentes fundamentales da la SX, que permiten su funcionalidad, se describen a continuación.
3.2.1 EL ORGANICO
Este líquido aceitoso, es el que transporta selectivamente al cobre desde un acuoso a otro, en un circuito cerrado. Está constituido por el diluyente y el reactivo extractante en una proporción adecuada. El extractante es un compuesto químico que está diseñado específicamente para extraer cobre no así las impurezas acompañantes. Este es al reactivo clave del proceso y en el caso de procesar soluciones ácidas se emplean oximas y para soluciones amoniacales se prefieren las beta – dicetonas. El diluyente, facilita el accionar del extractante y la separación de fases.
3.2.2 SOLUCION RICA
Como se ha descrito en el capítulo II, la solución generada en la lixiviación puede ser ácida o básica amoniacal y presentar complejidad en su composición y un amplio rango en la concentración de cobre y pH. En cualquier caso, la solución SOLUCION RICA 3.5 g/l Cu
REFINO 0.2 g/l Cu
53
EXTRACCION ORGANICO CARGADO 4.3 g/l Cu
ORGANICO DESCARGADO 1 g/l Cu
RE EXTRACCION
ELECTROLITO RICO 45 g/l Cu
ELECTROLITO POBRE 30 g/l Cu
Figura 3.2 .Etapas principales del proceso de extracción por solventes.
SOLUCION RICA
E1
REFINO
AGUA
E2
S OD
L AGUA
OC
ELECTROLITO POBRE
ELECTROLITO RICO
Figura 3.3. Configuración circuito de extracción por solventes. debe reunir requisitos que permitan un buen desempeño del proceso, entre ellos se pueden citar: bajo contenido de sólidos suspendidos, baja viscosidad, ausencia de agentes degradantes del extractante, baja acidez o amoniaco libre.
54
3.2.3 . ELECTROLITO POBRE
Este acuoso proviene de EW, debe contener una concentración adecuada de ácido para permitir la descarga del orgánico con alta eficiencia y regenerar la capacidad de carga del extractante. Su concentración de cobre debe ser mayor a 30 g/l para permitir un buen desempeño de EW.
3.2.4 MEZCLADOR – DECANTADOR
Convencionalmente en la SX de cobre, se utiliza como equipo de contacto y separación de las fases involucradas el denominado mezclador – decantador. Este equipo que se utiliza en todas las etapas del circuito consta de una cámara de mezcla con una turbina – bomba y el decantador es un estanque rectangular de poca profundidad. Al final del estanque, se ubican los vertederos de orgánico y acuoso como muestra la Figura 3.4.
3.3 CONCEPTOS BASICOS DE SX
3.3.1 REACTIVOS EXTRACTANTES
Los reactivos extractantes que hacen posible la funcionalidad del proceso de SX del cobre y que juntos al diluyente forman la fase orgánica extractora, son compuestos
orgánicos
fabricados
específicamente
para
este
proceso
químicamente puede ser del tipo: •
Oximas (cetoximas, aldoximas)
•
Cetonas (beta – dicetonas) Estos compuestos orgánicos líquidos, tienen la cualidad de reaccionar con
el cobre iónico y generar un compuesto organometálico (quelato de cobre) que es
55
soluble en un diluyente orgánico e insoluble en la fase acuosa. Para cumplir un desempeño acertado en SX, un extractante debe reunir una serie de requisitos como ser: •
Extraer y reextraer cobre bajo condiciones consistentes con los procesos de SX y EW.
•
Extraer selectivamente el cobre de la solución rica. Presentar alta capacidad de carga en cobre.
•
No degradarse bajo las condiciones del circuito.
•
Presentar condiciones adecuadas para su uso, manejo y almacenamiento sin mayores riesgos.
Figura 3.4 . Mezclador - Decantador Al igual que reactivos de otros procesos, los extractantes tienen nombres comerciales. Así, la empresa Henkel Corp. fabrica los reactivos de la línea LIX (LIX – 54, LIX – 64 N, LIX – 984, etc.) y la ICI produce la línea Acorga (PT – 5050, P – 5100, M – 5640, etc.). En la Tabla 3.1 se describen propiedades y
56
características de desempeño de un reactivo como ejemplo. La mayoría de ellos, son oximas y se utilizan para soluciones ácidas de cobre, el LIX – 54 es una beta – dicetona y se utiliza para soluciones amoniacales de cobre.
3.3.2 DILUYENTES
Los diluyentes orgánicos por sí solos no son capaces de extraer cobre de la fase acuosa pero, desempeñan un rol importante en el proceso de SX. Los diluyentes facilitan el accionar del extractante, incrementan la capacidad de solubilización de
la fase orgánica hacia el compuesto organico de cobre y la
separación de las fases (menor viscosidad y densidad de la fase orgánica). En general, los diluyentes son líquidos orgánicos tipos parafínicos obtenidos de la destilación del petróleo. Entre las cualidades más importantes a desear están: •
Baja solubilidad en la fase acuosa.
•
Alto punto inflamación.
•
Alta capacidad de solubilización del quelato.
•
Baja volatibilidad. Dentro de los solventes comerciales se encuentran algunos como: Escaid –
103, Orfom SX – 12, Solmin – 200L y Kerosene combustible. Del primero, se indican algunas características en la Tabla 3.2. En las fases orgánicas, generalmente el diluyente está en concentración volumétrica mayor que la del extractante, variando entre 70 a 90 %. En el caso de soluciones amoniacales de cobre pasa lo contrario, el extractante está en el rango del 60 y90 %. Tabla 3.1 . propiedades y características LIX - 984
1. Propiedades Físicas y Químicas •
Apariencia
Líquido color ambar
57
•
Gravedad específica
0.91
•
Punto de inflamación
Mayor a 77 °C
•
Solubilidad complejo cobre
Mayor a 30 g/l a 25 °C
2. Características desempeño •
Capacidad de carga máxima
5.1 - 5.4 g/l Cu
•
Punto isoterma extracción
Mayor a 4.4 g/l Cu
•
Cinética extracción
Mayor a 93 % (30 seg)
•
Selectividad Cu/Fe
Mayor a 2000/1
•
Separación de fase en extracción
Menor a 70 seg.
•
Punto isoterma reextracción
Menor a 1.8 g/l Cu
•
Transferencia neta de cobre
Mayor a 2.7 g/l Cu
•
Cinética reextracción
Mayor a 93 % (30 seg)
•
Separación de fases en reextracción
Menor a 80 seg.
Tabla 3.2. Propiedades del diluyente ESCAID - 103
•
Gravedad específica (60 °F)
0.81 ASTM D 1298
•
Punto inicial destilación
205 °C ASTM D 86
•
Punto de inflamación
79 °C ASTM D 93
•
Viscosidad (25 °C)
2.2 cst ASTM D 445
•
Contenido azufre
5 ppm ASTM D 3120
3.3.3 MECANISNO QUIMICO
Los
reactivos
extractantes
para
cobre,
descritos
anteriormente
se
denominan del punto de vista químico como agentes quelantes y para una representación química simplificada se utiliza la fórmula RH. El mecanismo
58
químico que permite que el cobre sea extraído de un acuoso y reextraído de la fase orgánica, puede representarse en forma simplificada por las ecuaciones siguientes para soluciones ácidas:
Extracción:
2RH + Cu ++
Reextracción: R 2cu +2 H+
R2Cu + 2H+
(3.1)
2HH + Cu++
(3.2)
De acuerdo a las reacciones anteriores, la molécula del extractante al reaccionar con el ion cobre forma al quelato y entrega ion hidrógeno al acuoso. En reextracción el quelato al reaccionar con ion hidrógeno, regenera al extractante y entrega el ion cobre al electrolito.
3.3.4 CONFIGURACION CIRCUITO SX
Los circuitos de extracción y reextracción en una planta de SX, pueden ser realizados en diferentes tipos de arreglo según sea el diseño de la planta. El contacta del acuoso con el orgánico en cada circuito se realiza en contra – corriente en una o más etapas en serie para lograr los propósitos deseados. Una configuración típica de una planta de SX, es tener dos etapas tanto en el circuito de extracción y de reextracción, como se aprecia en la Figura 3.5. Se acostumbra a designar como E – 1 la etapa de entrada del acuoso de alimentación y S – 1 a la etapa da reextracción donde se alimenta el orgánico cargado.
3.3.5 SEPARACION DE FASES Y ARRASTRES
En todo proceso de SX, se genera el arrastre de una de las fases en la otra forma de microgotas que no logran ser separadas en los decantadores, lo que trae consigo problemas operacionales y deficiencias.
59
SR 1000 m 3 /h 3.5 g/l Cu
R 0.2 1.0
E-1
E-2
1.8
OC
OD 1000 m3 /h
4.3
1.0 1.5
S-1
S-2
33
EP 220 m3 /h
ER
30
45
EW
COBRE 33t/h
Figura 3.5. Configuración de un circuito 2E + 2S
En SX de cobre interesan de sobremanera los arrastres de acuoso en el orgánico cargado, por cuanto al avanzar este último a la etapa de reextracción genera una contaminación gradual del electrolito con impurezas perjudiciales afectando la EW. Los arrastres de fase orgánico en el refinado y en el electrolito rico, también son de suma preocupación, ya que esta pérdida de orgánico del circuito representa una de los principales costos de operación de la planta SX. A la vez los arrastres causan problemas da contaminación del electrolito rico con orgánico y posteriormente a los cátodos a obtener en EW. Los niveles de arrastre, son una respuesta de la eficiencia de la separación de fases, la cual está influenciada por los siguientes factores principales:
60
•
Flujo específico.
•
Temperatura.
•
Continuidad de fase.
•
Grado de agitación en el mezclador.
•
Razón da fase, 0/A interna.
•
Naturaleza de la fase orgánica.
•
Tasa de formación de borra.
3.3.6 PARAMETROS RESPUESTAS Los principales parámetros indicadores del funcionamiento del proceso desde el punto de vista metalúrgico son: •
Recuperación en extracción; %
•
Recuperación en reextracción; %
•
Tasa de transferencia; t/h
•
Pérdida orgánico; ml/m 3
• •
Consumo extractante; l/t cobre. Niveles impureza en ER.
La eficiencia de utilización del orgánica empleado en el proceso, puede expresarse por los parámetros: Transferencia neta; g/ l cobre. •
•
Capacidad transferencia máxima utilizada; %
•
Capacidad de carga máxima utilizada; %
•
Selectividad Cu/Fe
