REACCIONES QUIMICAS EN LA EXTRACCIÓN EXTRACCIÓN POR SOLVENTES OBJETIVOS
Los procesos químicos siempre pueden subdividirse en unidades básicas llamadas operaciones unitarias.
Básicamente, la extracción por solventes es una operación de transferencia de masas en un sistema de dos fases líquidas y se fundamenta en el principio por el cual un soluto o ion metálico puede distribuirse en cierta proporción entre dos solventes inmiscibles, inmiscibl es, uno de los cuales es usualmente acuoso y el otro un solvente orgánico como benceno, kerosene, cloroformo o cualquier solvente inmiscible al agua.
Comprender el Proceso de Extracción por Solventes: reacciones químicas, parámetros, equipo utilizado y su aplicación en la extracción de cobre desde solución ácida.
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INTRODUCCIÓN Hoy en día la extracción por solventes es primordial en todos los procesos hidrometalúrgicos del cobre, tanto en la producción de cátodos de cobre o en la producción de sulfato de cobre, pero, también se ha aplicado en la producción de molibdeno, rhenio, zinc, cadmio y en el futuro se esperan aplicaciones industriales con varios otros metales, tales como hierro, arsénico, antimonio, bismuto, oro, etc Desde un punto de vista de su implementación industrial, este proceso se aplica a: La recuperación selectiva de un solo metal desde una solución de lixiviación, liberándolo de sus impurezas y concentrándolo para una más fácil recuperación. Concepto de extracción por solventes resumido gráficamente En 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, que queda formando parte del extractante. Enseguida, este complejo extractante - ion metálico - es separado de la solución y llevado a una solución secundaria en el ion metálico. En esta solución secundaria se produce la re-extracción 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.
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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
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l proceso de extracción por solventes se basa en una acción reversible de intercambio iónico entre dos fases inmiscibles; la fase orgánica (que contiene al extractante) y la fase acuosa:
CuSO4(ac) + 2R-H(l) ---> R2-Cu(l) + H2SO4(ac) el sentido de la reacción está controlado por la acidez (pH) de la solución acuosa. En el proceso global de extracción por solventes intervienen 2 etapas: de extracción y de re-extracción o stripping. Proceso para Extraer y Concentrar Iones Metálicos: Cu, U, Fe, Co, As, Zn, Ni, etc nRH(org) + Me(ac)n+ <===> RnMe(org) + nH(ac)+
PROCESO PARA EL COBRE Lixiviación: CuO(S) + H2SO4(ac) ---> CuSO4(ac) + H2O Extracción: CuSO4(ac) + 2R-H(l) ---> R2-Cu(l) + H2SO4(ac) Re-Extracción: R2-Cu(l) + H2SO4(ac) ---> CuSO4(ac) + 2R-H(l) Electroobtención: CuSO4(ac) + H2O ---> Cuº + 0.5O2 + H2SO4(ac)
REACCIONES EN LA EXTRACCIÓN POR SOLVENTES • Reacción de extracción El extractante de fase orgánica es un componente químicamente activo, que extrae el cobre (Cu+2) de la solución rica de lixiviación (PLS) de acuerdo a la siguiente reacción: 2RH + Cu+2 + SO4 – 2 R2Cu + 2H+ + SO4 – 2 extractante de fase orgánica descargada solución rica de lixiviación de la fase acuosa con bajo contenido de ácido extractante de fase orgánica cargada rafinato de fase acuosa Donde RH es el extractante (ya sea aldoxima, ketoxima, o una combinación de ambos). • Reacción de re-extracción La reacción de re-extracción es lo opuesto a la reacción de extracción. 2H+ + SO4 – 2 + R2Cu 2RH + Cu+2 + SO4 – 2 Electrolito agotado de Cu+, con alto contenido de ácido (electrolito pobre) Extractante de fase orgánica cargada Extractante de fase orgánica descargada Electrolito enriquecido (electrolito rico)
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FASE ORGANICA Extractantes Diluyentes El reactivo o agente de extracción no se emplea normalmente solo, sino que suele estar mezclado en una cierta proporción con un diluyente y en algunas ocasiones lleva un tercer componente o modificador para mejorar la separación de fases. Generalmente el kerosene ha sido el diluyente utilizado, pues se puede adquirir con facilidad y presenta en general buenas características. Extractantes: mezclas de ketoximas y aldoximas dispersas en solvente orgánico Solventes Orgánicos: Keroseno (Parafina), SCAID con alto punto de inflamación Eficiencia de la Extracción: 95% en 1 minuto Control del Mezclado y Tamaño de Gota
CONCEPTOS Coeficiente de Distribución D = [M]o / [M]a Donde : [M]o = Concentración del ión metal en la fase orgánica [M]a = Concentración del ión metal en la fase Una extracción puede ser considerada efectiva si el valor del coeficiente de distribución es superior a 0.5 Depende de : La relación de fases ( A/O ), concentración del extractante, pH y la concentración del metal en la fase acuosa.
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Para extraer un soluto de una disolución siempre es mejor usar varias pequeñas porciones del segundo disolvente que usar una única extracción con una gran cantidad. Isotermas de Extracción y Re-Extracción Diagramas de McCabe-Thiele Parámetros de la operación Los principales parámetros para la operación en el proceso de extracción por solventes son los siguientes: Relaciones de flujo orgánico / flujo acuoso, O/A, medidos en las etapas de extracción y de descarga. Se debe recircular el electrolito necesario para alcanzar razón de O/A requerida en el mezclador. Tiempo de residencia en mezcladores, la que se expresa en minutos. Flujo total en cada equipo (m3/min.) y equivalencia de (m3/h) de flujo acuoso tratado. El equipamiento básico de una planta de SX consiste
Conclusiones
La extracción por solventes es una operación de transferencia de masas en un sistema de dos fases líquidas y se fundamenta en el principio por el cual un soluto o ion metálico puede distribuirse en cierta proporción entre dos solventes inmiscibles El proceso de hidro metalurgia es un proceso cerrado que no deja muchos contaminantes
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LIXIVIACION BACTERIANA
CONCEPTO: La biolixiviación es el ataque y solubilización de un mineral metálico mediante la acción directa o indirecta de distintos microorganismos. El microorganismo utiliza el mineral como combustible, captando electrones para sus procesos metabólicos, libera calor y metales sin necesitar ningún tipo de energía externa para realizar el proceso. Así, el microorganismo, ejerce de “minero”. Los microorganismos más estudiados en estos procesos, son bacterias. Entre ésas bacterias, destacan:
Thiobacillus ferrooxidans Thiobacillus thiooxidans Leptospirilum ferrooxidans Estas tres bacterias son mesófilas, es decir, crecen entre 5 y 45 ºC, y acidófilas, ya que soportan vivir en medios cuyo pH oscile entre 1.5 y 3.5. Básicamente existen dos mecanismos químicos:
1) Mecanismo directo: La bacteria en presencia de iones sulfuro S2- , oxida el sulfuro a ión sulfato: S2- + 2O2
SO42-
→
Otra reacción que se suele dar el sistema enzimático de la bacteria es la oxidación de Fe2+ a Fe3+ Por tanto, para un mineral que sea un sulfuro metálico: MS
→
M2+ + S2-
El ión sulfuro es capturado por el sistema enzimático de la bacteria y se oxida a ión sulfatocomo hemos visto, quedando libre el ión metálico que queda disuelto en los líquidos lixiviados, que posteriormente se recogerán para su procesado, para obtener el metal M.
2) Mecanismo indirecto: En este caso, la solubilización biológica tiene lugar por la interacción química del mineral con productos intermedios del metabolismo de la bacteria. Por tanto, no hay reacciones enzimáticas. De modo general, para un sulfuro metálico MS, tendremos: MS + 2 Fe2 (SO42-)3
MSO4 + 2 Fe SO4 + S0
→
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Bacteria Thiobacillus ferrooxidans A continuación, veremos las reacciones de biolixiviación que se producen en el tratamiento de minerales sulfurados de cobre a nivel industrial (calcopirita, calcosina y covelita). Dado que los minerales sulfurados de cobre suelen contener compuestos de hierro, las reacciones que se dan son:
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Los líquidos lixiviados finales se recogen y se separa el CuSO4, que en disolución acuosa, se lleva a una cuba electrolítica, donde aplicando una corriente eléctrica (electrólisis), se obtendrán ánodos de cobre ultrapuro. Como todo en la vida tiene ventajas e inconvenientes, vamos a ver los pros y los contras de la biolixiviación:
Ventajas
Permite tratar minerales metálicos, cuya ley (proporción de metal en el mineral) sea baja Ausencia de contaminación por gases de azufre Consumo reducido de ácido como agente lixiviante, ya que las bacterias producen ácido en su metabolismo Fácil extracción de los compuestos del metal lixiviado para su posterior tratamiento y obtención del metal en estado de oxidación cero. Menos consumo energético, ya que en el proceso la temperatura nunca excede de los 100 ºC
Desventajas
Velocidades de reacción lentas Bajas concentraciones de metal en los lixiviados finales (entre 0.5 y 3 g/ litro) Instalaciones que requieren fuertes inversiones en tecnología Actualmente sólo aplicable por motivos económicos, a metales cuyo valor en el mercado, sea elevado: cobre, oro, uranio , entre otros. Así pues, en pleno siglo XXI, no deja de ser curioso que unos microorganismos lleven dando siglos lecciones de química y metalurgia a la Humanidad. Los procesos de biolixiviación de minerales metálicos, dibujan un futuro prometedor a la hora de obtener metales valiosos para el desarrollo humano. Como siempre, el tiempo nos lo dirá. BILBIOGRAFIA
www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/escolares_biolixiviacion.as p Ballester Antonio, L.F. Velasco, J. Sancho: “Metalurgia Extractiva Vol I”. Editorial Síntesis. 2000. www.mobot.org/jwcross/phytoremediation/Biotecnologia.htm cienciadefrontera.blogspot.com.es/2011/08/pon-las-bacteriastrabajar.html www.creces.cl/new/index.asp?imat=++%3E++11&tc=3&nc=5&art=286
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