Extracción con disolventes by Antonio Ros Moreno

2009 EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES EN LA SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE METALES

ANTONIO ROS MORENO

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

“SI NO SE CULTIVA, ENTONCES HAY QUE EXTRAERLO DE UNA MINA”

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

INDICE:

1.- INTRODUCCIÓN

2.- LA OBTENCIÓN DE METALES A PARTIR DE MINERALES 2.1.- Esquema general 2.2.- Pureza de los productos o metales obtenidos 2.3.- Hidrometalurgia

3.- LA EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES 3.1.- Generalidades 3.2.- Terminología 3.3.- Evolución histórica de la extracción con disolventes orgánicos 3.4.- Proceso

4.- DESARROLLO TEÓRICO DEL PROCESO 4.1.- Mecanismo químico del proceso 4.2.- Transferencia de materia 4.2.1.- Leyes de la difusión molecular: Leyes de Fick 4.2.2.- Teoría de la doble película de la transferencia de materia 4.3.- Cinética de la extracción 4.4.- Mecanismos de reextracción

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5.- FORMA DE ABORDAR UN PROBLEMA DE EXTRACCIÓN 5.1.- Naturaleza del medio acuoso 5.2.- Elección del agente de extracción. Propiedades 5.2.1.- Solubilidad 5.2.2.- Estabilidad química y degradación 5.2.3.- Capacidad de carga y viscosidad 5.2.4.- Toxicidad e inflamabilidad 5.2.5.- Precio de costo 5.3.- Diluyentes 5.3.1.- Clasificación de los disolventes 5.3.2.- Fenómeno de la tercera fase. Forma de evitarlo 5.4.- Modificadores 5.5.- Fenómeno del sinergismo 5.6.- Ensayos 5.6.1.- Ensayos discontinuos 5.6.2.- Ensayos continuos 5.6.3.- Ensayos en planta piloto semiindustrial 5.7.- Elección y diseño del equipo

6.- ASPECTOS ECONÓMICOS DE LA EXTRACCIÓN 6.1.- Introducción 6.2.- Factores que afectan al costo de capital 6.3.- Factores que afectan a los costos de operación 4

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6.4.- Comparación de costos de varios sistemas 6.5.- Optimización de procesos de extracción con disolventes

7.- APLICACIÓN DE LA EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES 7.1.- Aplicación a la separación y recuperación de metales 7.2.- Aplicación a la recuperación y purificación del cobre 7.2.1.- Aplicaciones industriales

BIBLIOGRAFÍA.

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1. INTRODUCCIÓN Dentro del presente curso se pretende exponer de una manera teórica y práctica la aplicación de una tecnología concreta -La extracción con disolventes- a un campo concreto -La Metalurgia- o, más exactamente, -La Hidrometalurgia-. Los avances realizados en esta tecnología y sus enormes posibilidades presentes y futuras permiten apreciar su aplicación en la metalurgia extractiva de diversos metales, no solo de los considerados raros, sino también de los corrientes (Th, V, Mo, Ni, Co, Cs, Be, Rc, Cu, Zn, etc.). La extracción con disolventes se emplea con tres fines fundamentales: de concentrar, purificar y separar sus elementos o metales disueltos. Normalmente estas misiones van acopladas, pero el predominio de cada una hace que la extracción con disolventes tenga una función específica y que se intercale en distinto ‹‹sitio›› de un proceso metalúrgico. Por ejemplo, cuando predomina la misión de concentrar, su aplicación está íntimamente ligada con la recuperación de cationes de menas pobres. Como el metal tiene que estar disuelto, esta misión sólo se puede aplicar a metales solubilizados, metales caros, o a otros acompañantes de metales caros. Con fines de purificación se emplea en aquellos casos en que el precio de un metal crece marcadamente con la pureza, de forma que puede ser rentable una etapa de purificación por extracción con disolventes. La aplicación más inmediata está relacionada con los materiales nucleares. Con fines de separación puede ser rentable el empleo de esta técnica en el aislamiento de elementos de menas en que de todos los metales algunos son valiosos, y en este sentido es de prever su futuro uso en el tratamiento de minerales complejos. Esta aplicación se extiende a la recuperación de chatarras de materiales o aceros especiales. La extracción con disolventes es actualmente una herramienta o técnica, en algunos casos no suficientemente barata, que se incorpora a la metalurgia. Para que esto ocurra han existido diversos impulsos, de los que los fundamentales son: las necesidades de alta pureza (impulso nuclear), desarrollo de las técnicas hidrometalúrgicas y necesidad de tratar menas más complejas y menos ricas. Como consecuencia de todo esto, existe un desarrollo creciente en la obtención de nuevos agentes de extracción, baratos, selectivos y específicos, y en la aplicación industrial de esta técnica, con relación a la construcción y extrapolación del equipo. En este curso se presentan las bases que hay que considerar al enfrentarse con un posible problema de aplicación de la extracción a la separación o recuperación de un metal en función de la naturaleza del líquido a tratar (líquidos de lixiviación, aguas de 6

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mina, escombreras, etc.), la elección del reactivo orgánico, medio diluyente, aportación de agentes modificadores, acondicionamiento del medio acuoso, posibles interferencias y su eliminación, agentes de lavado y de reextracción, destino del producto final, trabajo experimental o de ensayo y su interpretación, criterios para el diseño o elección del equipo, controles fundamentales y discusión económica.

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2. LA OBTENCIÓN DE METALES A PARTIR DE MINERALES 2.1. Esquema general La mayor fuente de los metales está constituida por los minerales que se presentan en los yacimientos, aunque junto a ellos hay que considerar el reciclado de los mismos en forma de chatarra que aportan una cantidad considerable de productos. La concentración en metal de una mena varía mucho según de qué metal se trate y se puede citar como caso extremo, los minerales de hierro con el 60 % p. ej. de Fe y los de oro con 3-5 g Au/t. La forma como se presenta el metal es variable desde el estado elemental a compuestos complejos en que intervienen varios metales en la misma fórmula. Las etapas en la obtención del metal a partir de la zafra se indican simplificadas en la figura 1. Hay en primer lugar las etapas de trituración o liberación de los componentes valiosos y la ganga, una segunda fase es la de enriquecimiento o concentración física hasta lograr un producto comercial. Este producto puede seguir varios caminos: electrometalurgia, pirometalurgia, o hidrometalurgia.

2.2. Pureza de los productos o metales obtenidos Las propiedades físicas (conductividad eléctrica, ductibilidad, maleabilidad, función, etc.) de los metales dependen mucho de las impurezas (As, Sb, Bi, S, P, Cd, Pb, Fe) en cantidades mínimas. Debido a esto la mayoría de los metales corrientes se obtienen con purezas superiores al 99,9 % (p. ej. 99,99 % el cinc, 99,98 % para el plomo, 99,8 % para el cobre). Si en lugar de usar el metal se usan sus óxidos o sales se presentan situaciones análogas pues la calidad del producto puede venir muy afectada por las microcantidades de elementos extraños, p. ej. en los pigmentos para pinturas. Un caso extremo es el uso de los metales de interés nuclear en que sus especificaciones admiten algunas unidades o decenas de partes por millón de impurezas en el producto acabado. Para la mayoría de los metales la purificación se logra por procesos de refino en seco o más corrientemente con la introducción de un paso de electrolisis, para purificación del metal introducido como ánodo, o por deposición del metal a partir de una solución pura. Este líquido se ha purificado de todos los elementos de interferencia, recurriendo a su precipitación en la mayoría de los casos, y modernamente se empieza a utilizar la extracción con disolventes que tan buenos resultados dio en la obtención del uranio de pureza nuclear.

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Fig. 1.- Etapas fundamentales en un proceso de metalurgia extractiva de minerales

Zafra

Liberación

Enriquecimiento

Concentrado

Estéril

Pirometalurgia

Electrometalurgia

Tostación

Fusión

Reducción

Eliminación

Hidrometalurgia

Térmicas

Refino electrolítico

Deposición electrolítica

Lixiviación

Escoria

Eliminación

Metal bruto

Destilación

Purificación de soluciones

Refino

Precipitación Química

METAL

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2.3. Hidrometalurgia Dado que la extracción con disolventes es un proceso por vía húmeda, interesa dedicar una atención especial a la hidrometalurgia. En esta rama, la obtención del metal o de su producto base se hace por vía húmeda en una sucesión de pasos de: lixiviación o solubilización del metal en cuestión, separación de los líquidos fértiles y los sólidos agotados, y recuperación de metal a partir de los líquidos. La lixiviación se realiza por medio de ácidos o bases según el proceso o metal en consideración. En los procesos ácidos, el más utilizado es el ácido es el ácido sulfúrico por su precio y disponibilidad, también se hace, a veces, uso de la oxidación de bacterias de los sulfuros que puedan existir en el mineral. El líquido resultante de la lixiviación contiene muchas impurezas, pues en la mayoría de los casos el proceso no es selectivo, además están los sólidos residuales del ataque. En gran parte de los casos se realiza una separación de estos sólidos y líquidos antes de pasar a recuperar el metal, para ello se hacen filtraciones y/o decantaciones con un líquido de lavado del sólido residual. La concentración en metal del líquido fértil depende de la ley del producto de alimentación y puede variar desde más de 100 g/l p. ej. para cinc a varios mg/l como en el caso corriente en el oro o en el uranio. Los líquidos concentrados (Zn, Cu p. ej.) pueden pasar a un proceso de deposición electrolítica después de una purificación conveniente de las impurezas por reducción con metales más electromagnéticos o por precipitación con reactivos químicos. Con líquidos de concentración intermedia (p. ej. aguas de escombreras de cobre) se recurre a una precipitación química para tener un producto comercial. Por último, los líquidos muy diluidos se tratan con un paso previo de concentración ya sea por reducción o precipitación del metal junto con un portador; se recurre a la adsorción en carbón activo, en resinas de cambio de ión, o a la extracción con disolventes. En estos últimos procesos se obtiene una solución concentrada y relativamente purificada de la que se precipita el metal o un compuesto de ley elevada. Los procesos hidrometalúrgicos se han aplicado fundamentalmente a minerales o concentrados de oro, cinc, cobre, uranio, níquel, cobalto, vanadio, cromo, wolframio, aluminio, pero modernamente están tomando cada vez más incremento porque por una parte permite el aprovechamiento de minerales marginales, suministran productos de pureza elevada para la obtención del metal, óxidos o sales, y permiten una mejor recuperación de los subproductos.

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3. LA EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES 3.1. Generalidades La técnica de extracción por disolventes es una operación básica conocida desde antiguo en la ingeniería química y cuya aplicación está ampliamente desarrollada en la industria del petróleo, en la industria farmacéutica y en la industria orgánica en general. En el campo de la química inorgánica, la extracción líquido-líquido se ha desarrollado mucho en la química analítica y en la tecnología de los materiales nucleares. Su teoría y tecnología está muy desarrollada, aunque su uso en metalurgia extractiva es relativamente reciente y su extensión a los metales corrientes está todavía en curso de realización. En el campo de la Hidrometalurgia, el término “extracción con disolventes” se refiere a los procesos en los que una solución acuosa que contiene varios iones metálicos se pone en contacto en contra-corriente con una solución orgánica inmiscible con la fase acuosa. La fase orgánica contiene un reactivo que es capaz de extraer, al menos, un metal de la fase acuosa, que es transferido a la fase orgánica; de esta manera se consigue pasar al menos una especie metálica disuelta en la fase acuosa a la fase orgánica, conocida como disolvente, con objeto de separarla/s de los otros metales de la solución acuosa. Este proceso es reversible, quiere decirse con ello que, dependiendo de las condiciones de la operación, el metal o metales “extraídos” presentes en la fase orgánica puede ser “re-extraídos” y pasar a la fase acuosa, regenerándose al mismo tiempo el disolvente. La “extracción” o la “re-extracción” se producen por la dispersión de una fase en la otra en forma de pequeñas gotitas que favorece la transferencia de materia y se realiza por medio de la agitación mecánica. Por medio de este proceso de “extracción” y “re-extracción” se consigue purificar las soluciones lixiviantes, pasando de una solución acuosa normalmente diluida y que contiene varios iones metálicos a una solución acuosa normalmente concentrada y conteniendo un solo ion metálico.

3.2. Terminología Para una mejor comprensión del tema a tratar, intentaremos definir con el rigor adecuado y de forma precisa la principal terminología a emplear en este campo. -

Coeficiente de distribución

Se define como la relación de la concentración del metal en la fase orgánica y la fase acuosa después de realizado el contacto entre las fases señaladas bajo unas condiciones específicas. 11

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𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑜𝑟𝑔 .

Coeficiente de distribución (D) =

Concentr .total del metal en fase acuosa

Coeficiente de re-extracción

Se define como la relación de la concentración del metal en la fase acuosa y la fase orgánica después de realizado el contacto entre las dos fases señaladas en la etapa de re-extracción. Coeficiente de re-extracción (S) =

𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟 . 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑜𝑠𝑎 Concentr .total del metal en fase org ánica

Extracción en %

Se puede hablar de un coeficiente de extracción o distribución (D), para expresar las concentraciones de metal en las fases, o presentarlas bajo el % extraído, que denominaremos E%, para lo cual se ha de tener en cuenta la relación de volúmenes entre las fases. Siendo: -

A: volumen de acuosa.

O: volumen de orgánica.

Morg: concentración de metal en fase orgánica.

Maq: concentración de metal en fase acuosa.

podemos decir que:

𝐷=

𝑀𝑜𝑟𝑔 𝑀𝑎𝑞

𝐸% =

𝐷 𝐴 𝑂

𝐷+

× 100

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Contactor

Utilizaremos este calificativo para significar cualquier dispositivo capaz de, una parte, dispersar una fase en la otra en forma de pequeñas gotitas para favorecer la transferencia de materia y, de otra, separar las dos soluciones inmiscibles. -

Proceso de extracción en corrientes paralelas

Se refieren a aquellos procesos dentro de la extracción con disolventes en los cuales la fase orgánica y la fase acuosa fluyen en la misma dirección en el contactor. -

Proceso de extracción en contracorriente

Se refieren a aquellos procesos en los cuales la fase acuosa y la fase orgánica fluyen dentro del contactor en direcciones opuestas. -

Curva de equilibrio de extracción

La curva de equilibrio se obtiene a partir de los datos de equilibrio para cada caso, dependiendo de las condiciones de operación, y representa en ordenadas el valor de la concentración del metal extraído en la fase orgánica en el equilibrio frente al valor de la concentración del metal en la fase acuosa en abscisas. -

Diluyente

Es un hidrocarburo en otra sustancia orgánica en la que se disuelve el reactivo o agente de extracción y el modificador para obtener el disolvente. -

Disolvente

Se denomina disolvente a la fase orgánica en la que está presente el agente de extracción que se pone en contacto con la fase acuosa inmiscible con ella, con objeto de separar, al menos, un metal existente en la fase acuosa de los otros metales. -

Etapa de extracción

Se refiere a un proceso unitario de contacto. Es decir, solamente existe un dispositivo para dispersión de las fases y una sola separación de las fases inmiscibles. -

Extracción con disolventes

Se define como la separación de uno o varios solutos de una mezcla mediante transferencia de materia entre dos fases inmiscibles, una de las cuales es un líquido orgánico.

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Agente de extracción

Agente orgánico activo presente en el disolvente y que es el responsable de la extracción de un soluto (metal) de la fase acuosa. -

Extracto

Se denomina extracto al disolvente cargado con el soluto o la especie metálica extraída. -

Fase acuosa

Se denomina fase acuosa a la solución acuosa de alimentación (lixiviado) que contiene la especie metálica o las especies metálicas a extraer. -

Factor de separación

Se define como la relación entre los coeficientes de distribución de dos metales. -

Lavado o “scrubbing”

Se conoce con esta denominación a la separación selectiva de cualquier soluto contaminante del disolvente; una vez efectuada la extracción. Se realiza esta operación con anterioridad a la re-extracción. También se conoce con este nombre la separación de productos procedentes de la degradación del disolvente y los complejos metálicos no reextraíbles, realizándose esta operación con posterioridad a la re-extracción. -

Modificadores

Son sustancias que se añaden a la fase orgánica para evitar la formación de una tercera fase, para facilitar la separación de las fases, o bien aumentar la solubilidad del extractante o de sus sales durante las operaciones de extracción y re-extracción. -

Re-extracción

Se denomina así a la operación de separación del soluto contenido en la fase orgánica cargada con el metal. El término de re-extracción selectiva se refiere a la separación específica de un metal en particular de una fase orgánica que contiene varios metales. -

Refinado

Se conoce como refinado a la fase acuosa una vez tratada y, como consecuencia, que ya no contiene el soluto extraído.

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Sinergismo

Efecto beneficioso y cooperativo que se produce cuando se emplea una mezcla de dos o más extractantes en comparación con el efecto conseguido caso de emplear cada extractante individualmente. -

Solución de re-extracción

Solución acuosa que se pone en contacto con el disolvente cargado del metal (a veces lavado) para recuperar el metal extraído.

3.3. Evolución histórica de la extracción con disolventes orgánicos Empezaremos por señalar que, a pesar de que el empleo de la extracción con disolventes a escala industrial es relativamente reciente, su utilización es frecuente en el campo de la química analítica desde hace más de un siglo. Así, en 1842, Péligot publicaba sus primeros trabajos a escala de laboratorio relativos a la extracción de nitrato de uranio con dietil éter. Sin embargo, el empleo de la técnica de extracción con disolventes a escala industrial no se produjo hasta la Segunda Guerra Mundial con el desarrollo de la industria nuclear. Señalaremos brevemente y cronológicamente una serie de hitos que pueden enmarcar el desarrollo de la extracción con disolventes desde sus comienzos a escala industrial: 1942 – Cien años después de que Péligot realizara sus ensayos, comienza a operar en Mallinckrodt Chemical Works una planta en discontinuo para la extracción del nitrato de uranio utilizando dietil éter. 1946 – Se pone en marcha la primera planta en continuo para extraer el nitrato de uranio con dietil éter. 1951 – Se pone en marcha por U.S.B.M. un nuevo proceso industrial para la separación del Hf y Zr utilizando metil isobutil cetona (MIBK). 1953 – Las plantas de obtención de uranio tanto en Estados Unidos como en Inglaterra empiezan a utilizar TBP (tributilfosfato) en sustitución del dietil éter. 1956 – Se empieza a utilizar MIBK para la separación del Ta y Nb. 1966 – Hasta esta fecha, la utilización de la técnica de extracción con disolventes estaba reducida a la Metalurgia de los metales caros, principalmente aquellos que eran necesarios para el desarrollo de los programas nucleares. Sin embargo, en esta fe15

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cha se pone en marcha por la Compañía Ranchers Corporation, en Arizona-USA, una nueva planta de extracción con disolventes (concretamente utilizando LIX64N) para extraer cobre de la soluciones poco concentradas. 1970 – Se construye para Nchanga Consolidated Mines (Zambia), una nueva planta que conlleva extracción con disolventes y electrolisis para producir de 200.000 a 275.000 Kg/día de cobre electrolítico. La planta comenzó a operar en 1974. 1971 – Dos empresas europeas deciden utilizar una amina terciaria para separar el Ni del Co de una solución en medio cloruro. 1978 – Comienza a operar en Bilbao un proceso desarrollado enteramente en España –Proceso Zincex- para recuperar el Zn contenido en las cenizas de piritas, utilizando tecnología de extracción con disolventes. 1987 – Se pone en marcha en Española del Zinc, S.A. un proceso de extracción con disolventes desarrollado por la compañía para la recuperación de Zn de las aguas de lavado de los fangos residuales de jarosita. 2009 – Española del Zinc, S.A. se plantea un proceso para la producción de Zn electrolítico mediante extracción con disolventes a partir de óxidos de acería, desarrollado en base a su experiencia e investigación en dicho campo tecnológico. En la actualidad se está realizando una amplia investigación de base dirigida fundamentalmente al: 

Desarrollo de nuevos equipos.



Desarrollo de nuevos reactivos.



Desarrollo de nuevos procesos.

ya que, aunque es una técnica sencilla, el coste operativo de una planta para la recuperación de metales por el método de la extracción por disolventes es más elevado que el de una planta convencional. Por tanto, lo que se busca es abaratar de un lado los equipos, y de otro los reactivos. Por otro lado, la complejidad de las técnicas clásicas integradas, unidas a los crecientes problemas medioambientales a que dan lugar, hace atractivo el ir a procesos integrados de éste tipo. Es también, en el posible aprovechamiento de menas pobres o de difícil tratamiento, donde éstas técnicas son atractivas. 16

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Por estas razones se está realizando una intensa labor de desarrollo en el campo de nuevos procesos, siendo un cierto número de estos procesos ya una realidad industrial, estando otros a nivel de planta piloto. Siguiendo ésta técnica se han desarrollado en España, en la últimas décadas, una serie de procesos de entre los que podemos citar el COMPREX, MINEMET (para sulfuros complejos), CUPREX (para minerales de Cobre), ZINCEX y EXCINREX (para el tratamiento de residuos con contenidos en Zinc), o el ZINCEXTM, RECOX (para el aprovechamiento de óxidos de acería) y el EXCINOX para la recuperación de Zinc a partir de disoluciones impuras que lo contengan y/u óxidos de acería.

3.4. Proceso Un proceso de extracción con disolventes tiene el esquema general que se indica en la figura 2, en el que hay que señalar las dos etapas fundamentales de extracción y reextracción, además de otras accesorias que se discuten luego. En la de extracción se pone en contacto íntimo un líquido acuoso, resultante de la lixiviación y que tiene el elemento o elementos en cuya recuperación o separación estamos interesados y un líquido orgánico que generalmente tiene disuelto un reactivo orgánico adecuado. La fase orgánica se elige de forma que prácticamente sea insoluble en la acuosa con lo que se mejora la economía y se simplifica el sistema. Siendo el fin primordial en esta etapa el de alcanzar el equilibrio de distribución entre ambas fases de la especie a extraer. El componente (p. ej. ión metálico) que nos interesa se distribuye entre las fases según un coeficiente de distribución (D = CO/CA), que es la relación de concentraciones en ambos líquidos. La mayoría de los iones presentes en la solución acuosa se suelen quedar en ella sin pasar a la fase orgánica, con lo que se logra una purificación. Sin embargo también puede ocurrir que otro componente pase a la fase orgánica con su propio coeficiente de distribución, la posibilidad de separación de estos dos metales se mide por el factor de separación o relación entre los dos coeficientes en el equilibrio, de manera que si esta relación es inferior a 2 es difícil que se pueda lograr la separación adecuada. En un solo contacto entre las dos fases se puede alcanzar el equilibrio dado por el coeficiente de distribución, pero en la mayoría de los casos no se llega a una recuperación completa del ión metálico en la fase orgánica. Se tiene que realizar una operación en contracorriente en la que el líquido orgánico se va cargando hasta saturación y la solución acuosa se va agotando. Una forma de realizar la operación es mediante mezcladores-sedimentadores, que constan de una cámara de mezcla en la que se logra la transferencia de materia entre las dos fases por una dispersión adecuada para tener una 17

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Fig. 2.- Diagrama general de los sistemas de extracción

Disolución Fuerte

EXTRACCIÓN

Disolución Agotada

Fase orgánica cargada

Disolución de lavado

Lavado

Fase orgánica cargada y lavada

Disolución de reextracción

Reactivo de acondicionamiento

Acondicionamiento de orgánica

Líquido de regeneración a tratamiento o recuperación

REEXTRACCIÓN Fase orgánica agotada

Precipitación del Metal

METAL

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gran superficie de interfase, y un segundo recipiente en que esa dispersión se rompe y se separan las dos fases, orgánica y acuosa, que van respectivamente al piso anterior y siguiente en el circuito. De la facilidad de separación de las dos fases depende la naturaleza (acuosa u orgánica) de medio continuo en el mezclador. En la mayoría de los casos la operación se facilita si la fase continúa es orgánica y por ello se tiene que recurrir muchas veces a reciclar solución orgánica del sedimentador a su propio mezclador, pues la relación orgánica/acuosa (O/A) en la alimentación no es lo suficientemente alta para dar esa continuidad. Una vez se encuentra el metal en la fase orgánica será preciso recuperarlo para darle validez económica al proceso. Desgraciadamente, el estado actual de la técnica no permite realizar ésta operación directamente sobre la fase orgánica, por lo que se deberá pasar a una nueva fase acuosa. Esto se realiza en la etapa de reextracción, que estará sujeta a las mismas restricciones que la extracción. La operación de reextracción es la inversa de la extracción y en ella al poner en contacto las fases orgánica y acuosa pasa el metal a esta última. El sistema acuoso se elige de modo que en esta operación se logren líquidos muy concentrados. El equipo es semejante al de extracción, con varios pisos normalmente. En ocasiones cuando se tienen relaciones O/A altas puede ser necesario realizar un reciclado de la fase orgánica. La fase orgánica agotada en el elemento metálico se emplea de nuevo en extracción. Las dos operaciones extracción y reextracción se presentan siempre en todos los procesos. En algunos casos es necesario introducir un paso de lavado de la fase orgánica para eliminar impurezas. Esta etapa se sitúa entre las dos operaciones anteriores. Otras veces la fase orgánica agotada no se puede reciclar directamente a extracción y hay que someterla a un proceso de acondicionamiento, bien por haber perdido sus propiedades de extracción o selectividad o bien por los productos de degradación. Comparando con las operaciones de precipitación, cristalización o cambio de ión, Fletcher (Institution Mining Metallurgy, 15-33 - 1957) le atribuye las ventajas de que es adecuada para el trabajo en marcha continua, es capaz de producir productos muy puros en relativamente pocas etapas, es de control fácil y para un mismo tamaño de equipo tiene una capacidad más alta. Frente a ello cita los inconvenientes de que se necesita mucho más estudio preliminar de laboratorio, es preciso el trabajo en planta piloto, y que hay que experimentar sobre modelo de equipo el sistema en estudio; además la presencia de disolventes orgánicos puede introducir riesgos de incendio y otros. Sin embargo se puede considerar que la limitación de un mayor empleo de la extracción en la hidrometalurgia se debe a consideraciones económicas, al comparar fundamentalmente el valor del metal con los costes de reactivos orgánicos o de preparación de la fase acuosa. A medida que se logren reactivos más específicos y baratos se irán extendiendo las aplicaciones.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

4. DESARROLLO TEÓRICO DEL PROCESO Como en todo proceso industrial, tendremos que tener en cuenta los mecanismos químicos y físicos por los que transcurre y la cinética de estos mecanismos.

4.1. Mecanismo químico del proceso En un proceso de extracción, el reactivo que en realidad realiza dicha operación es el denominado agente de extracción o “extractante”. Generalmente, son compuestos orgánicos de peso molecular intermedio, de tipo neutro, básico o ácido, y que van a actuar según uno de los siguientes mecanismos:

1. – Distribución molecular simple Supone el paso de moléculas de una fase a otra sin implicar interacción química alguna entre soluto y disolvente. El valor del coeficiente de distribución es pequeño, por lo que su aplicación hidrometalúrgica es de poca importancia.

2. – Extracción por formación de compuestos Supone el paso de uno o varios iones metálicos de una fase a otra con interacción de tipo químico, formándose un enlace entre el extractante y el ión extraído. Dentro de éstos podemos señalar dos casos:

a. Reactivos ácidos o catiónicos. La reacción se lleva a cabo mediante el intercambio del protón del agente de extracción presente en la fase orgánica y el ión de la fase acuosa, según la siguiente reacción:

n (RH) + Mn+

(RnM) + nH+

donde la fase orgánica se especifica mediante paréntesis.

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

b. Reactivos formadores de quelatos. El agente de extracciĂłn tiene una molĂŠcula que es capaz de formar quelatos o iones complejos con el catiĂłn metĂĄlico a extraer, siendo ĂŠste la especie extraĂda. Generalmente, los reactivos utilizados contienen un grupo hidroxioxima (-OH, hidroxi; =N-OH, oxima), efectuĂĄndose la extracciĂłn del metal con un enlace a travĂŠs del grupo hidroxi-, y liberando H+. Su mecanismo de actuaciĂłn puede expresarse de la forma:

Đ&#x2020; â&#x20AC;&#x2022; C Đ&#x2020;Đ&#x2020; OH

NOH

Đ&#x2020;

Đ&#x2020;Đ&#x2020;

â&#x20AC;&#x2022; C â&#x20AC;&#x2022; C â&#x20AC;&#x2022; +

â&#x20AC;&#x2022;

Đ&#x2020;

N M2+

C â&#x20AC;&#x2022; O

2H+

Đ&#x2020; H

Đ&#x2020; â&#x20AC;&#x2022; C Đ&#x2020;

Đ&#x2020; â&#x20AC;&#x2022;

C â&#x20AC;&#x2022;

El coeficiente de distribuciĂłn del iĂłn metĂĄlico vendrĂĄ expresado segĂşn la concentraciĂłn del metal, y serĂĄ:

đ??ˇ=

[đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x20AC;] [đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ ]

y la constante de equilibrio de las reacciones para los reactivos catiĂłnicos y formadores de quelatos valdrĂĄ:

[đ??ť + ]đ?&#x2018;&#x203A; [đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x20AC;] đ??žđ?&#x2018;Ľ = đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ [đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x203A; đ??ť]đ?&#x2018;&#x203A;

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Si suponemos que no existen otras que no existen otras especies del ión metálico aparte de las indicadas, y sustituimos el valor del coeficiente de distribución en la fórmula anterior, tendremos:

[𝐻 +]𝑛 𝐷 𝐾𝑥 = [𝑅𝑛 𝐻]𝑛

despejando D y aplicando logaritmos, tenemos:

𝑙𝑜𝑔 𝐷 = 𝑙𝑜𝑔𝐾𝑥 + 𝑛 𝑙𝑜𝑔 𝑅𝑛 𝐻 + 𝑛 𝑝𝐻

Según vemos en la ecuación, podemos decir que el coeficiente de distribución está controlado por el pH de las fase acuosa y por la concentración del agente extractante en la fase orgánica, siendo la dependencia logarítmica proporcional a la valencia del ión metálico. En la figura 3, podemos ver la influencia del pH con el log. del coeficiente de distribución.

Fig. 3.- Influencia del pH con el log. del coeficiente de distribución

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

3. â&#x20AC;&#x201C; ExtracciĂłn por solvataciĂłn (Extractantes neutros) La extracciĂłn se produce por solvataciĂłn del iĂłn metĂĄlico por parte del agente de extracciĂłn, realizĂĄndose la extracciĂłn simultĂĄnea del aniĂłn y el catiĂłn. Su mecanismo lo podemos expresar segĂşn:

đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´ (đ??ť2 đ?&#x2018;&#x201A;)đ?&#x2018;&#x161; + đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2026;

[đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´ (đ??ť2 đ?&#x2018;&#x201A;)đ?&#x2018;&#x161; â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A; ] + đ?&#x2018;&#x203A; đ??ť2 đ?&#x2018;&#x201A;

Si generalizamos, la reacciĂłn queda:

đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´đ?&#x2018;&#x203A; + đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x2026;

(đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;? )

siendo su constante de equilibrio:

đ??žđ?&#x2018;Ľ =

[(đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;? )] đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; [(đ?&#x2018;&#x2026;)]đ?&#x2018;&#x203A;

El iĂłn metĂĄlico puede formar en la fase acuosa con el ligado A- una serie de complejos, de tal manera que en dicha fase existirĂĄn iones del tipo Mn+, M A(n-1)+, M A2(n-2)+, M Am(n-m)+, formados de acuerdo con la siguiente reacciĂłn:

đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ + đ??´â&#x2C6;&#x2019;

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;1 +

siendo la constante de equilibrio:

[đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´ đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;1 +] đ??ž1 = đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ [đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;1 +

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;2 +

+ đ??´â&#x2C6;&#x2019;

đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´2

siendo la constante de equilibrio:

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;2 +

[đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´2 ] đ??ž2 = đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´(đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;1)+ [đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x161; +1 +

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x161; â&#x2C6;&#x2019;1

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x161; +

+ đ??´â&#x2C6;&#x2019;

đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´đ?&#x2018;&#x161;

siendo la constante de equilibrio:

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x161; +

đ??žđ?&#x2018;&#x161; =

[đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x161;

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x161; +1 +

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x161; â&#x2C6;&#x2019;1

]

[đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]

siendo â&#x20AC;&#x153;mâ&#x20AC;? el nĂşmero mĂĄximo de ligados que forman complejos con M (nĂşmero de coordinaciĂłn). En general, para la formaciĂłn del complejo MAi nâ&#x2C6;&#x2019;i +, segĂşn la reacciĂłn siguiente:

đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ + đ?&#x2018;&#x2013;đ??´â&#x2C6;&#x2019;

đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´đ?&#x2018;&#x2013;

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2013; +

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

la constante de equilibrio serĂĄ:

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2013; +

[đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x2013; ] đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2013; = đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ [đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]đ?&#x2018;&#x2013;

de donde

đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2013; = đ??ž1 + đ??ž2 + â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś + đ??žđ?&#x2018;&#x161;

La concentraciĂłn del metal en la fase acuosa serĂĄ:

đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x2021; = đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ + đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;1 +

+ â&#x20AC;Ś â&#x20AC;Ś + đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x2013;

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2013; +

+ â&#x20AC;Śâ&#x20AC;Ś

đ?&#x2018;&#x161;

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x161; + đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x161;

= đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+

đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x2013; [đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=0

De acuerdo con estos equilibrios reseĂąados, el coeficiente de distribuciĂłn valdrĂĄ:

đ??ˇ=

[ đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;? ]

đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+

đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x203A;˝ [đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=0 đ?&#x2018;&#x2013;

como la constante de equilibrio para reacciĂłn tiene el siguiente valor:

đ??žđ?&#x2018;Ľ =

[ đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;? ]

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; [(đ?&#x2018;&#x2026;)]

đ?&#x2018;?

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

al sustituir dremos:

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;?

por su valor en la ecuaciĂłn del coeficiente de distribuciĂłn, ten-

đ??ˇ=

đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; [(đ?&#x2018;&#x2026;)]

đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+

đ?&#x2018;?

đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x203A;˝ [đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=0 đ?&#x2018;&#x2013;

Para el caso del iĂłn complejo neutro đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; podemos escribir:

đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ + đ?&#x2018;&#x203A;đ??´â&#x2C6;&#x2019;

đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´đ?&#x2018;&#x203A;

de donde

đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x203A; =

(đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; ) đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ (đ??´â&#x2C6;&#x2019; )đ?&#x2018;&#x203A;

De modo que la ecuaciĂłn del coeficiente de distribuciĂłn puede expresarse de la siguiente forma:

đ?&#x2018;&#x203A;

đ??ˇ=

đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x203A; (đ??´â&#x2C6;&#x2019;) [(đ?&#x2018;&#x2026;)]

đ?&#x2018;?

đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x203A;˝ [đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=0 đ?&#x2018;&#x2013;

Si hacemos

đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A; =

đ?&#x203A;˝đ?&#x2018;&#x203A; (đ??´â&#x2C6;&#x2019;)

đ?&#x2018;&#x203A;

đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x203A;˝ [đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=0 đ?&#x2018;&#x2013;

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

tendremos que el valor del coeficiente de distribuciĂłn serĂĄ:

đ??ˇ = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A; [ đ?&#x2018;&#x2026; ]đ?&#x2018;?

SegĂşn dicha expresiĂłn, el coeficiente de distribuciĂłn es directamente proporcional a la potencia â&#x20AC;&#x153;pâ&#x20AC;? de la concentraciĂłn del reactivo extractante en la fase orgĂĄnica, dependiendo tambiĂŠn de la proporciĂłn de metal presente en la fase acuosa como â&#x20AC;&#x153;complejo neutroâ&#x20AC;? (an), la cual es, a su vez, funciĂłn de la concentraciĂłn del ligando en la fase acuosa. En realidad, el mecanismo no es tan simple como lo expuesto anteriormente, ya que, pueden existir en la fase acuosa reacciones de hidrataciĂłn que hacen posible la coextracciĂłn de la molĂŠculas hidratadas. Del mismo modo, y a pesar de lo que pueda deducirse de la ecuaciĂłn đ??ˇ =

[ đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;? ] đ?&#x2018;&#x203A;+

đ?&#x2018;&#x20AC;

đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x203A;˝ [đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;&#x2013;=0 đ?&#x2018;&#x2013;

, el pH de la fase acuosa juega un papel

determinante en el sistema, ya que, a pH elevado puede producirse la hidrĂłlisis del metal, mientras que a pH bajo puede producirse la extracciĂłn conjunta del ĂĄcido `presente y de la sal metĂĄlica.

4. â&#x20AC;&#x201C; ExtracciĂłn por formaciĂłn de pares iĂłnicos (Agentes de extracciĂłn bĂĄsicos o de intercambio aniĂłnico) La extracciĂłn puede producirse por asociaciĂłn iĂłnica entre el complejo aniĂłnico presente en la fase acuosa y el compuesto orgĂĄnico o extractante. Estos agentes extractantes son normalmente sales ĂĄcidas de aminas primarias, secundarias o terciarias, que se forman segĂşn la reacciĂłn:

đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018; đ??ť3â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A; + đ??ťđ?&#x2018;&#x2039;

(đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018; đ??ť4â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2039; â&#x2C6;&#x2019;)

Los metales a extraer se encuentran en la fase acuosa formando complejos de carĂĄcter aniĂłnico, siendo su reacciĂłn de formaciĂłn la siguiente:

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x161; + + đ?&#x2018;&#x203A;đ??´â&#x2C6;&#x2019;

đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x161; â&#x2C6;&#x2019;

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x161;

La extracciĂłn puede realizarse por dos mecanismos:

Por intercambio de tipo aniĂłnico. Este mecanismo se rige por la reacciĂłn:

(đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x161; )

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A;

+ đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x2026;3 đ?&#x2018; đ??ť + đ?&#x2018;&#x2039; â&#x2C6;&#x2019; (đ?&#x2018;&#x203A; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x161;)đ?&#x2018;&#x2039; â&#x2C6;&#x2019;

[(đ?&#x2018;&#x2026;3 đ?&#x2018; đ??ť +)đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; ) đ?&#x2018;&#x203A;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x161; +

Por adiciĂłn y formaciĂłn de una sal doble. Se rige por la reacciĂłn:

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; + đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x2026;3 đ?&#x2018; đ??ť + đ??´â&#x2C6;&#x2019;

â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;?

[(đ?&#x2018;&#x2026;3 đ?&#x2018; đ??ť + )đ?&#x2018;? đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;?+đ?&#x2018;&#x203A; ]

En este segundo caso, al ser la ecuaciĂłn de extracciĂłn muy similar a la que describe la extracciĂłn por solvataciĂłn, el valor del coeficiente de distribuciĂłn vendrĂĄ dado por la expresiĂłn:

đ??ˇ = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A; [ đ?&#x2018;&#x2026;3 đ?&#x2018; đ??ť +đ??´â&#x2C6;&#x2019; ]đ?&#x2018;?

por lo que las dependencias existentes serĂĄn las mismas que en la extracciĂłn por solvataciĂłn. Dicha ecuaciĂłn del coeficiente de distribuciĂłn presenta gran cantidad de limitaciones, por lo que no se puede considerar como general. En principio solo hace referencia a un mecanismo de extracciĂłn, existiendo ademĂĄs una serie de factores que la limitan y que hacen prĂĄcticamente imposible la obtenciĂłn de una ecuaciĂłn de equilibrio general. A la hora de realizar la extracciĂłn hemos de tener en cuenta una serie de factores que influyen en el sistema. Estos son: 28

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

La extracción debe realizarse en medio ácido debido a que el agente de extracción no es una amina sino su sal.

La existencia de otros aniones en la fase acuosa, aún del propio acidificante, que pueden ser extraídos por el agente extractor, disminuirá la cantidad de sal ácida de amina disponible para extraer la especie de interés.

Las características de la cadena carbonada de la amina afectan su capacidad de extracción.

4.2. Transferencia de materia Supongamos que tenemos un sistema formado por dos fases (F1 y F2). En la fase F1 se ha formado la especie extraíble a una velocidad dada. Una parte esencial del proceso extractivo tiene lugar por transferencia de materia entre las dos fases, F1 y F2, hasta que se establece un equilibrio dinámico. Desde el punto de vista del equilibrio se define la transferencia de materia por medio del coeficiente de distribución, con el que se obtiene el resultado final del reparto entre las fases. Esta transferencia de materia se realiza a través de una interfase que la podemos definir como una superficie irregular tridimensional. Los mecanismos por los que transcurre la transferencia de materia son dos y tienen lugar por difusión, definiéndose ésta como un fenómeno espontáneo de migración de especies hasta que se consigue el ya mencionado equilibrio, que se logra al igualarse los potenciales químicos en ambas fases. El primero de estos mecanismos se produce por difusión molecular debida al simple movimiento de las moléculas en un fluido. Aunque éste se mueve a muy alta velocidad, la longitud de la trayectoria en el líquido es muy corta. La difusión molecular puede aparecer por el gradiente de concentración, temperatura, presión, o un potencial externo, así como por un campo eléctrico, pero solamente la diferencia de concentraciones es la fuerza motriz que origina la transferencia de materia. El segundo de los mecanismos está provocado artificialmente mediante agitación, que da lugar a una difusión por turbulencia, siendo su magnitud mucho mayor que la difusión molecular, y que aparece por movimientos desordenados de pequeñas porciones de fluido. Este mecanismo es muy importante, ya que la extracción se efectúa en un sistema heterogéneo, con lo que la velocidad de extracción del ión metálico depende del área superficial de la fase dispersa, es decir, la emulsión de pequeñas gotas de la fase F2 en el seno de la fase F1, con lo que se consigue una interacción constante que homo-

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

geneĂza la composiciĂłn con el tiempo, siendo la velocidad total de transferencia de materia la correspondiente a la superposiciĂłn de ambos mecanismos. La agitaciĂłn influye variando el grado de dispersiĂłn y el tamaĂąo de las gotas, que son, como ya se ha dicho, las que determinan el valor del ĂĄrea de la interfase. TambiĂŠn afecta a la turbulencia del sistema y a la magnitud de los coeficientes de transferencia. Sin embargo, en determinados casos, esta agitaciĂłn puede influir negativamente debido a la formaciĂłn de emulsiones estables o pequeĂąas esferas de fase dispersa que impidan que el agente de extracciĂłn que se encuentra en su interior alcance la superficie, con lo que obstaculiza la extracciĂłn del metal, produciĂŠndose tambiĂŠn pĂŠrdidas de disolvente por arrastre en la fase continua. Para evitar este tipo de problemas se sigue el criterio de A. I. Bellingham (1961), que indica que para el diseĂąo del agitador se ha de cumplir la siguiente expresiĂłn:

đ?&#x2018; 3 Ă&#x2014; đ??ˇ2 â&#x2030;¤ 20

Siendo: N = revoluciones por segundo del agitador. D = diĂĄmetro del agitador en pies.

La agitaciĂłn es el factor que permite acelerar el transporte de materia, evitando que la etapa sea lenta y produciendo los siguientes efectos que incrementan la velocidad del proceso:

Aumenta las difusiones de remolino.

Acelera el movimiento relativo entre las fases, por lo que la interfase reduce su espesor.

Permite la existencia de las turbulencias interfasiales que minimizan las dificultades de la difusiĂłn de la pelĂcula.

La transferencia de materia, ademĂĄs de producirse de una forma fĂsica, tambiĂŠn da origen a nuevas especies quĂmicas, que son las que realmente se extraen. Existe

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

además una cinética de ésta reacción química, que en unión del proceso definen la cinética de extracción. El proceso de extracción se verifica según las siguientes etapas:

Difusión de las especies transferibles hacia la interfase en ambas fases. Reacción química entre las especies en la interfase.

Difusión de las especies formadas hacia otras regiones más alejadas de la interfase.

Estas etapas se verifican en un sentido u otro, hasta que se establece un equilibrio dinámico. Según exista solubilidad parcial de una especie en la otra fase o no, la reacción química puede ser homogénea o heterogénea, según tenga lugar en la misma fase, o solo en la superficie de contacto entre las fases o interfase. Si la reacción es instantánea tiene lugar en la línea de contacto entre las especies reaccionantes (figura 4).

FIGURA 4

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Normalmente, esta reacción no suele ser instantánea y necesita un tiempo de reacción con lo que tiene lugar en una zona de reacción química (figuras 5 y 6).

FIGURA 5

FIGURA 6 32

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Podemos decir que el fenómeno de la difusión a través de la interfase está afectado por los siguientes factores:

a. Características de la interfase. -

Espesor de la doble capa líquida.

Área de la interfase.

Irregularidades en la interfase.

b. Características del soluto transferido. -

Coeficiente de difusión del material transferido en ambas fases.

Concentración del material transferido.

c. Características de las fases. -

Propiedades físicas de las fases, tales como viscosidad, temperatura, tensión superficial.

Tamaño de las moléculas de ambas fases en relación con el tamaño de las moléculas transferidas.

Volumen relativo de las fases.

En las siguientes figuras podemos ver:

Figura 7: El incremento producido en el coeficiente de distribución en función de la concentración de los iones metálicos de Níquel y Cobalto a una temperatura constante de 55 ºC.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

FIGURA 7

Figura 8: El efecto que produce la temperatura sobre la extracción de iones de Co2+ en disoluciones sulfato por sales Sodio de DEHPA.

FIGURA 8

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

4.2.1. Leyes de la difusiĂłn molecular: Leyes de Fick -

Primera ley de Fick.

Deducida por Fick en 1855, por analogĂa con la ley de Fourier sobre la conducciĂłn de calor, pero con la importante diferencia de que la transferencia de materia, contrariamente al calor, mantiene a todo el fluido en movimiento, excepto en circunstancias especiales en las que los componentes se mueven por igual en todas direcciones. SegĂşn Fick, la velocidad de transferencia de materia de un componente en una mezcla de dos componentes 1 y 2, estarĂĄ determinada por la velocidad de difusiĂłn del componente 1 y el comportamiento del componente 2. La velocidad molar de transferencia del componente 1 por unidad de ĂĄrea debida al movimiento molecular viene dada por:

đ??˝1 = â&#x2C6;&#x2019;đ??ˇ1 2

đ?&#x2018;&#x2018;đ??ś1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;§

siendo: J1: velocidad molar de difusiĂłn por unidad de ĂĄrea. D12: difusividad del componente 1 en el componente 2. C1: concentraciĂłn molar del componente 1. Z: distancia en la direcciĂłn de la difusiĂłn.

De la misma manera, la velocidad de difusiĂłn en el componente 2 viene dada por:

đ??˝2 = â&#x2C6;&#x2019;đ??ˇ2 1

đ?&#x2018;&#x2018;đ??ś2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;§

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Si la presión total, y por tanto, la concentración molar total es constante, los términos dC1/dz y dC2/dz, tienen que ser iguales y de signo contrario, por lo que los componentes 1 y 2 se difunden en sentidos contrarios. En muchos casos, el componente 2 no permanecerá estacionario ni difundirá con una velocidad molar igual y de sentido contrario a la del componente 1, siendo el cálculo, en este caso, difícil. En general, el flujo total N1 se diferencia del flujo difusional J1 a causa de la superposición por convección del flujo, y por estar directamente relacionado con el movimiento de la estructura de referencia. La elección de la estructura de referencia se hace en base a coordenadas estacionarias o en volumen medio, masa media o velocidad media. Estas velocidades se definen como sigue:

vr = a1v1 + a2v2

en donde ai es la correspondiente función de desplazamiento, definida por los siguientes caminos:

Velocidad media de volumen ai = ci vi, donde ci es la concentración del componente i en masa o unidades molares, y vi es el correspondiente volumen específico parcial o volumen molar parcial.

Velocidad media de masa, ai = wi, función de masa.

Velocidad media molar, ai = xi, fracción molar.

Las diversas velocidades de referencia son vectores cuantitativos que se diferencian en dirección y magnitud en la mayoría de los casos.

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

El flujo dimensional Ji del componente i estĂĄ relacionado con estas velocidades por la expresiĂłn:

Ji = ci (vi - vr)

donde vi es su velocidad, relativa a las coordenadas estacionarias, y Ji y Ci, vienen expresadas en unidades molares o de masa. La definiciĂłn de flujo no es completa, a menos que estĂŠn determinadas las unidades y la estructura de referencia. La estructura de referencia mĂĄs comĂşnmente usada para cĂĄlculos difusionales, actualmente no considera los caudales de volumen de lĂquido. Si se da por supuesto que la densidad de la masa para sistemas lĂquidos es constante, entonces:

đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;&#x2013; =

đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ł đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x2013;

đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;&#x2013; â&#x2030; đ?&#x2018;&#x2014;

1 đ?&#x153;&#x152;

tal que el volumen especifico parcial sea igual a:

đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;&#x2013; =

đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013; = đ?&#x2018;¤đ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x153;&#x152;

Consecuentemente, la velocidad media de masa es igual a la velocidad media de volumen, y se puede utilizar como base de referencia. Similarmente, la velocidad molar media puede usarse si la densidad molar es constante. En el caso unidimensional, los vectores cuantitativos de la ecuaciĂłn Ji = ci (vi -

vr) pueden sustituirse por escalares. Si la combinamos con la ecuaciĂłn đ??˝1 = â&#x2C6;&#x2019;đ??ˇ1 2

đ?&#x2018;&#x2018;đ??ś1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;§

, darĂĄ, por tanto, para cada componente:

đ??˝1 = â&#x2C6;&#x2019;đ??ˇ1 2

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;?1 = đ?&#x2018;?1 (đ?&#x2018;Ł1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;&#x; ) đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ś 37

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

đ??˝2 = â&#x2C6;&#x2019;đ??ˇ2 1

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;?2 = đ?&#x2018;?2 (đ?&#x2018;Ł2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Łđ?&#x2018;&#x; ) đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ś

Las ecuaciones de continuidad para los componentes individuales, expresadas con referencia a coordenadas estacionarias, quedan reducidas a:

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018; 1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018; 2 = =0 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ś

Si integramos la expresiĂłn anterior nos darĂĄ:

N1 = constante. N2 = constante.

La combinaciĂłn de estos resultados con las ecuaciones Ăşltimas de J1 y J2, si ci vi = Ni, y teniendo en cuenta la ecuaciĂłn de vr, ci vr = xi ĆŠ Ni. Finalmente nos darĂĄ:

đ?&#x2018; 1 = đ?&#x2018;Ľ1 đ?&#x2018; 1 + đ?&#x2018; 2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ľ đ??ˇ1 2

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ1 = đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;. đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ś

đ?&#x2018; 2 = đ?&#x2018;Ľ2 đ?&#x2018; 1 + đ?&#x2018; 2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ľ đ??ˇ2 1

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ2 = đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;. đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ś

donde ctx es la concentraciĂłn total, que es la masa o densidad molar.

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

Segunda ley de Fick.

La difusiĂłn en rĂŠgimen permanente es un caso especial de uno de los mĂĄs generales de la difusiĂłn transitoria, en la cual los flujos y la concentraciĂłn varĂan con el tiempo. La difusiĂłn en rĂŠgimen no permanente se aplica a muchos mĂŠtodos experimentales en donde se determina el coeficiente de difusiĂłn, y en las teorĂas de transferencia de masa, asĂ como en la teorĂa de penetraciĂłn. La ecuaciĂłn diferencial de difusiĂłn transitoria se obtiene combinando la expresiĂłn de la primera ley de Fick con la que ahora veremos. Para un caso unidimensional, la segunda ley de Fick se obtiene igualando la acumulaciĂłn del componente 1 en una porciĂłn de lĂquido de espesor dz en una direcciĂłn normal a la direcciĂłn de la difusiĂłn, al correspondiente cambio en el flujo, dada por la expresiĂłn:

đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;?1 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018; 1 + =0 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;§

siendo la integral de N1 = constante. Esta ecuaciĂłn, en combinaciĂłn con la relativa a la primera ley de Fick, expresada por la ecuaciĂłn đ??˝1 = â&#x2C6;&#x2019;đ??ˇ1 2

đ?&#x2018;&#x2018;đ??ś1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;§

, nos da la segunda ley de Fick, que viene dada

por:

đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;?1 đ?&#x153;&#x2022; đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;?1 = đ??ˇ1 2 đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;Ą đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§ đ?&#x153;&#x2022;đ?&#x2018;§

La soluciĂłn de esta ecuaciĂłn para distintas formas geomĂŠtricas y condiciones lĂmite son dadas por Crankc, y por Carslaw y Jaeger (1947), recientemente en problemas relativos a conducciĂłn de calor.

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

4.2.2. TeorĂa de la doble pelĂcula de la transferencia de materia Existen algunas teorĂas que explican el mecanismo de la transferencia de materia. Entre ĂŠstas tenemos la teorĂa de la penetraciĂłn, enunciada por Higbie en 1935, y la que vamos a estudiar en este apartado, la teorĂa de la doble pelĂcula, propuesta por Witman en 1923. Se han desarrollado otras teorĂas, como la teorĂa de la pelĂculapenetraciĂłn, o la desarrollada por Rishimevskij, o la de Bakowski. La teorĂa de la doble pelĂcula fue el primer intento serio para representar las condiciones que tienen lugar cuando se transfiere materia desde una corriente de un fluido hacia otra. Aunque esta teorĂa no reproduce exactamente las condiciones en la mayor parte del equipo real, nos conduce a ecuaciones que se pueden aplicar a los datos experimentales generalmente disponibles, por lo que aĂşn se utiliza. Esta teorĂa se basa en dos postulados: 1.- La resistencia a la transferencia reside en la existencia de dos pelĂculas muy delgadas a ambos lados de la interfase, una por cada fase. Este proceso es lento, ya que la difusiĂłn a travĂŠs de las pelĂculas tiene lugar por difusiĂłn molecular. En el resto de la masa existe agitaciĂłn, que produce un movimiento, lo que provoca difusiĂłn por turbulencia, originĂĄndose un flujo de materia mayor o menor. El gradiente de concentraciĂłn es lineal a cada una de las pelĂculas y nulo fuera de ellas. 2.- Las fases se encuentran en equilibrio con la interfase. Esto lo podemos ver en las figuras 9 y 10, en la cual la concentraciĂłn en la fase Y la expresamos como Cy / K, donde el coeficiente de distribuciĂłn K se considera constante. El primer postulado exige que la concentraciĂłn baje rĂĄpidamente en la pelĂcula de la fase X, desde el valor de la constante Cxb en la masa, al valor interfasial Cxi, y en la pelĂcula de fase Y desde el valor Cyi / K con la interfase, al valor Cyb / K, en la masa. Conforme al segundo postulado, los puntos Cxi y Cyi / K, son coincidentes con la interfase, como se ve en la figura 10. Sin embargo, en la prĂĄctica, el perfil de la concentraciĂłn tiene una pequeĂąa diferencia desde la masa de la fase a la interfase, como se indica por la lĂnea discontinua de la grĂĄfica anterior. Este es el perfil de la concentraciĂłn, segĂşn la teorĂa de la doble pelĂcula, con equilibrio en la interfase (figura 9), y con ligera reacciĂłn heterogĂŠnea (figura 10). La cantidad de transferencia a travĂŠs de la pelĂcula de la fase X, se obtiene por la ecuaciĂłn đ?&#x2018; 1 = đ?&#x2018;Ľ1 đ?&#x2018; 1 + đ?&#x2018; 2 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ľ đ??ˇ1 2

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ 1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ś

= đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;. , la cual se expresa conside-

rando una pelĂcula de espesor Î´x, y poniendo Îˇ =

đ?&#x2018;§ đ?&#x203A;ż

; con lo que obtenemos la siguiente

expresiĂłn:

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

𝑁1 = 𝑥 𝑁1 + 𝑁2 − 𝐹𝑥 𝐶𝑡𝑥

donde:

𝐹𝑥 =

𝑑𝑥 𝑑𝜂

𝐷𝑥 𝛿𝑥

FIGURA 9

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

FIGURA 10

Puesto que no hay acumulaciĂłn en la pelĂcula, N1 y N2 son constantes, como ya vimos en la primera ley de Fick, y la ecuaciĂłn anterior puede ser integrada entre los lĂmites x = xb (composiciĂłn de la masa), con Îˇ = 0; y x = xi (composiciĂłn de la interfase), con Îˇ = 1, quedando:

1 1 đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; (đ?&#x2018; 1 + đ?&#x2018; 2 ) â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018; 1 = đ??ż đ??šđ?&#x2018;Ľ đ??śđ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018; 1 + đ?&#x2018; 2 đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? (đ?&#x2018; 1 + đ?&#x2018; 2 ) â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018; 1

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

Esta expresiĂłn la podemos poner de la forma:

đ?&#x2018; 1 = đ??šđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľ đ??śđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ľ đ??ż

donde:

đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;?

đ?&#x2018; 1

đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ =

đ?&#x2018; 1 +đ?&#x2018; 2

siendo zx la cantidad relativa de transporte del componente a travĂŠs de la pelĂcula. La ecuaciĂłn de N1 puede expresarse mĂĄs convenientemente como:

đ?&#x2018; 1 = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ??śđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013;

donde:

đ??žđ?&#x2018;Ľ =

đ?&#x2018;Ľđ??ˇ =

đ??šđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;Ľđ??ˇ

đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Ľ

estando đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ľ

đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ

1đ?&#x2018;&#x161;

1 đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ

đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019;

đ??śđ?&#x2018;Ľ đ??śđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ľ

1đ?&#x2018;&#x161;

1đ?&#x2018;&#x161; referido a la media logarĂtmica de

đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; y đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? .

El tĂŠrmino xD se suele llamar â&#x20AC;&#x153;factor de desplazamientoâ&#x20AC;? (drift factor), utilizĂĄndose para los desplazamientos en la pelĂcula y la masa del flujo. En la extracciĂłn lĂquido-lĂquido zx normalmente tiene como valor la unidad con disolventes inmiscibles, donde el soluto se difunde a travĂŠs del disolvente estacionario. El factor de desplazamiento es igual a la media logarĂtmica de la concentraciĂłn de disolvente en la masa y la interfase, que es (1 â&#x20AC;&#x201C; x) 1m.

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

La transferencia en la fase Y, tomada desde la interfase a la masa, se puede tratar de idĂŠntica manera, dando:

đ?&#x2018; 1 = đ??žđ?&#x2018;Ś đ??śđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013;â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? = đ??žđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;?

donde:

đ??žđ?&#x2018;Ś =

đ?&#x2018;Śđ??ˇ =

đ??šđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;Śđ??ˇ

đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ś â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Ś

1đ?&#x2018;&#x161;

đ?&#x2018;§đ?&#x2018;Ś

En general, zy = 1, para la extracciĂłn lĂquido-lĂquido. Se debe hacer ĂŠnfasis en que el flujo N1 es el mismo en ambos lados de la interfase, en donde no hay acumulaciĂłn en la pelĂcula. El coeficiente de transferencia de masa es un valor prĂĄctico, siendo igual a la relaciĂłn del flujo total y la fuerza de arrastre, como se demuestra por las ecuaciones đ?&#x2018; 1 = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ??śđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; y đ?&#x2018; 1 = đ??žđ?&#x2018;Ś đ??śđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? = đ??žđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? . El coeficiente Fj, fue usado primeramente por Colburn y Drew, correspondiente al valor obtenido en ausencia de volumen de flujo, como queda demostrado por đ?&#x2018; 1 + đ?&#x2018; 2 = 0, en la ecuaciĂłn đ?&#x2018; 1 = đ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018; 1 + đ?&#x2018; 2 â&#x2C6;&#x2019; đ??šđ?&#x2018;Ľ đ??śđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ľ

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ľ

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x153;&#x201A;

. A esto se le denomina â&#x20AC;&#x153;coeficiente de

equimasa o equimolar a contracorrienteâ&#x20AC;?, o mĂĄs sencillamente, coeficiente de transporte cero. Esto es importante cuando se comparan valores del coeficiente de transferencia de masa para diferentes condiciones, o cuando usando la correlaciĂłn para el calor o el momento de transporte, se convierte el valor de Kj a la Fj, formada multiplicando por el factor de desplazamiento, como se indica en las ecuaciones đ??žđ?&#x2018;Ľ =

đ??šđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;Ľđ??ˇ

y đ??žđ?&#x2018;Ś =

đ??šđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;Śđ??ˇ

, en el

orden expresado por estas respecto a la estructura estacionaria de referencia. La anterior relaciĂłn se aplica indiferentemente de si la concentraciĂłn viene expresada en unidades de masa o unidades molares, siempre que sean estables. El uso de las unidades de masa, generalmente se suele preferir, aĂşn cuando las unidades molares se acostumbraban a usar en el pasado. Una interpretaciĂłn fĂsica del coeficiente de pelĂcula lo podemos ver en la figura 11, donde A, B, y C, representan la relaciĂłn de equilibrio, no necesariamente lineal, 44

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

correspondiendo el punto E a las concentraciones Cxb y Cyb de la masa en la fase. SegĂşn las ecuaciones đ?&#x2018; 1 = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ??śđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;?â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; y đ?&#x2018; 1 = đ??žđ?&#x2018;Ś đ??śđ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? = đ??žđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? , donde N1 es el mismo para ambas pelĂculas. Esto se puede expresar como sigue:

đ?&#x2018; 1 = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; = đ??žđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;?

para que

â&#x2C6;&#x2019;

đ??žđ?&#x2018;Ľ đ??žđ?&#x2018;Ś

đ?&#x2018;? đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;? đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? đ?&#x2018;? đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;? đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;?

Fig. 11.- RelaciĂłn entre las fuerzas impulsoras para la transferencia de masa con equilibrio en la interfase

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

La lĂnea de pendiente â&#x2C6;&#x2019;

đ??žđ?&#x2018;Ľ đ??žđ?&#x2018;Ś

, que pasa por E, intersecciona a la curva de equili-

brio en el punto I, teniendo por coordenadas (cxi, cyi), y las fuerzas impulsoras en las fases X e Y se representan por IJ e IG respectivamente. En la figura 12 se representa la relaciĂłn entre las fuerzas impulsoras para la transferencia de masa con ligeras reacciones heterogĂŠneas.

FIGURA 12

Conviene ademĂĄs definir los coeficientes globales de transferencia de masa Kox y Koy como sigue:

đ?&#x2018; 1 = đ??žđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľâ&#x2C6;&#x2014; = đ??žđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śâ&#x2C6;&#x2014; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? 46

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

siendo đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľâ&#x2C6;&#x2014; y đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śâ&#x2C6;&#x2014; , las composiciones en equilibrio con đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? y đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? respectivamente. La fuerza impulsora đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? en la ecuaciĂłn đ?&#x2018; 1 = đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; = đ??žđ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Śđ?&#x2018;? , puede expresarse como đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Śâ&#x20AC;˛ đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľâ&#x2C6;&#x2014; , donde đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Śâ&#x20AC;˛ es la pendiente de IB, quedando la ecuaciĂłn como sigue:

đ?&#x2018; 1 =

1 1 + â&#x20AC;˛ = đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; + đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;&#x2013; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľâ&#x2C6;&#x2014; = đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľđ?&#x2018;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛ đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Ś đ??žđ?&#x2018;Ś

La fuerza impulsora global sobre la fase X segĂşn la figura 12 serĂĄ:

đ??¸đ??ľ = đ??źđ??˝ + đ??şđ??ľ

Con las dos ecuaciones Ăşltimas obtenemos:

1 1 1 = + â&#x20AC;˛ đ??žđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ľ đ??žđ?&#x2018;Ľ đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Ś đ??žđ?&#x2018;Ś

De la misma manera, sobre la fase Y, la fuerza impulsora global serĂĄ:

đ??¸đ??ś = đ??źđ??ş + đ??˝đ??ś

de donde, por analogĂa con la ecuaciĂłn de la fase X, obtenemos:

1 đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛ 1 = + đ??žđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ś đ??žđ?&#x2018;Ľ đ??žđ?&#x2018;Ś 47

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

siendo đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛ la pendiente de la cuerda IC. Los valores de đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛ y de đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Śâ&#x20AC;˛ en estas expresiones pueden reemplazarse por K, coeficiente de distribuciĂłn, cuando estos sean constantes. El tĂŠrmino independiente en las ecuaciones đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛ đ??žđ?&#x2018;Ľ

1 đ??žđ?&#x2018;Ś

1 đ??žđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ľ

1 đ??žđ?&#x2018;Ľ

1 đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;Śâ&#x20AC;˛ đ??žđ?&#x2018;Ś

1 đ??žđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ś

corresponde a la resistencia a la transferencia de masa, siendo la resistencia

global igual a la suma de la resistencia a la separaciĂłn de fases. Parece evidente que el tĂŠrmino

1 đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;Śâ&#x20AC;˛ đ??žđ?&#x2018;Ś

, en la primera ecuaciĂłn, disminuirĂĄ en importancia con el aumento del

coeficiente de distribuciĂłn, tal que đ??žđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019; đ??žđ?&#x2018;Ľ , y si se encuentra que menos del diez por ciento de la resistencia global reside en la fase Y, el sistema se dice estĂĄ con la fase X controlada. Similarmente, el tĂŠrmino

đ?&#x2018;&#x161; đ?&#x2018;Ľâ&#x20AC;˛ đ??žđ?&#x2018;Ľ

, en la ecuaciĂłn de la fase Y, disminuye en impor-

tancia con la disminuciĂłn del coeficiente de distribuciĂłn, tal que đ??žđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;Ś â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019; đ??žđ?&#x2018;Ś , y el sistema se considera con la fase y controlada si mĂĄs del noventa por ciento de la resistencia global reside en esta fase.

4.3. CinĂŠtica de la extracciĂłn Hasta ahora no se habĂa hecho menciĂłn a la mayor o menor rapidez con que se alcanzaba el equilibrio en el proceso de extracciĂłn, es decir, la cinĂŠtica de la extracciĂłn, ya que, generalmente, transcurren tan rĂĄpidamente que hacen que esta variable carezca de importancia prĂĄctica. El equilibrio de distribuciĂłn se alcanza rĂĄpidamente, siempre que ĂŠste se realice con una agitaciĂłn adecuada. No obstante, existen algunos sistemas extractivos, en los que el proceso es lento, y las consideraciones cinĂŠticas constituyen una importante contribuciĂłn al estudio y aplicaciĂłn de la extracciĂłn lĂquido-lĂquido. Para estos casos, el estudio de la cinĂŠtica del proceso desempeĂąa un papel importante en la dilucidaciĂłn de los mecanismos fĂsico-quĂmicos del proceso en sĂ, asĂ como para el diseĂąo de los equipos de extracciĂłn, donde se determina el tiempo de retenciĂłn de las fases en las diferentes etapas. Este serĂĄ tanto mayor cuanto mĂĄs lenta sea la cinĂŠtica del proceso, y viceversa. El objetivo de la cinĂŠtica quĂmica es el estudio de la evoluciĂłn en el tiempo de los sistemas que reaccionan quĂmicamente, es decir, de la medida e interpretaciĂłn de las velocidades de reacciĂłn. La cinĂŠtica de extracciĂłn lĂquido-lĂquido depende de las etapas fĂsico-quĂmicas que ocurren durante esta tĂŠcnica de separaciĂłn. Al existir una interacciĂłn quĂmica entre especies se presenta una cinĂŠtica de reacciĂłn que puede influir en la cinĂŠtica total del proceso, siendo la etapa mĂĄs lenta la que controla el proceso. 48

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

En determinados sistemas de extracción se ha comprobado que al aumentar el tiempo y la fortaleza de la agitación, también aumenta la velocidad de extracción, hasta un determinado momento en el que el sistema se hace independiente de esta variable y pasa a depender de otras variables, como son la concentración de especies que intervienen en el proceso de distribución y el pH. Podemos ver la figura 13 a tal efecto, en la que tenemos la velocidad de extracción en función del tiempo de agitación, y donde podemos observar que hasta llegar a un tiempo T1 sucede el fenómeno de transferencia de materia, visto ya anteriormente. A partir de T1, la velocidad de extracción permanece constante, por lo que la extracción ya no es solamente un problema de difusión o transporte entre fases, sino que, además, hemos de tener en cuenta que el soluto se encuentre de distintas formas y ocurran varias interacciones químicas inherentes al sistema extractivo, que dé lugar a etapas previas o posteriores al proceso de separación.

FIGURA 13

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Si estas etapas transcurren con lentitud, nos determinan la velocidad global de extracción. Pueden presentarse dos tipos de procesos anteriores o posteriores al fenómeno de transferencia de materia.

Proceso de deshidratación y solvatación (interacción soluto-disolvente).

Reacciones químicas ácido-base, formación de complejos, reacciones de oxidación-reducción, reacciones de polimerización, provocadas, o bien por la naturaleza de las fases, o por la presencia de agentes químicos, como ligandos, oxidantes, reductores, buffers, etc.

Según el comportamiento del soluto en el sistema, caben dos posibilidades:

Que el soluto se encuentre en las dos fases en la misma forma química, con lo que solo pueden afectar a la velocidad de extracción procesos de solvatación y deshidratación.

Que el soluto se encuentre en cada fase con una forma diferente. Suceden, además de los procesos de solvatación y deshidratación diversas reacciones químicas durante el proceso. Si cualquiera de estas es lenta, controlará la cinética de la extracción.

Para el estudio de la extracción resulta importante saber si estas reacciones químicas ocurren en la interfase o en el resto de la disolución. Si ocurren en la interfase será difícil conocer si la cinética del proceso de extracción está controlada por la difusión o por la velocidad interfasial, ya que la agitación afecta igualmente a ambos fenómenos. Ahora vamos a ver algunos puntos relacionados con la velocidad de formación de especies extraíbles:

La extracción de especies por formación de pares iónicos suele ser rápida. Sólo la solvatación lenta de ciertos iones puede ser un proceso lento e in50

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

fluenciado por un gran número de variables. En estos casos suele ser aconsejable calentar las disoluciones antes de realizar la extracción. -

En pocos casos la velocidad es lenta. Esto suele ocurrir en la extracción de quelatos metálicos. Como ejemplo tenemos el uso de agentes formadores de quelatos, tipo LIX, donde la velocidad de disociación de estos quelatos es el factor controlante.

La concentración del catión metálico y del ligando en la fase orgánica influyen en la velocidad de extracción.

La existencia de agentes enmascarantes, como el AEDT, CN-, hidroxiácidos, que originan especies cargadas no extraíbles, pueden disminuir la velocidad de extracción de los quelatos metálicos, sobre todo si su concentración en la disolución acuosa es elevada. Actúan como inhibidores del proceso extractivo.

La presencia de ciertos ligandos puede favorecer la cinética de extracción en ciertos casos.

El disolvente orgánico también desempeña su papel en la cinética del proceso, ya que, en función del disolvente empleado, se consiguen ciertas diferencias de velocidad de extracción.

El pH de la disolución afecta a la velocidad de extracción en reducidos casos. Según el sistema, un aumento del pH puede producir una variación en un sentido u otro de la velocidad del proceso, como podemos ver en las figuras 14, 15 y 16.

FIGURA 14 51

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

FIGURA 15

FIGURA 16

La temperatura suele favorecer la velocidad de extracción.

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

Como ya mencionĂĄbamos, la forma en que se encuentre el soluto en la fase acuosa influye en la cinĂŠtica de extracciĂłn, dependiendo tambiĂŠn de la mayor o menor facilidad con que el metal en soluciĂłn sea captado por el agente de extracciĂłn. AsĂ, el orden de extracciĂłn de distintos metales existentes en una determinada disoluciĂłn serĂa:

đ??śđ?&#x2018;˘2+ > đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;2+ > đ??šđ?&#x2018;&#x2019; 2+ > đ??śđ?&#x2018;&#x153;2+ > đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x2013; 2+ > đ??šđ?&#x2018;&#x2019; 3+ > đ??śđ?&#x2018;&#x; 3+ > â&#x20AC;Ś

Precisamente, y basĂĄndose en fenĂłmenos cinĂŠticos, es posible la separaciĂłn de distintos metales en soluciĂłn. Por ejemplo, con la utilizaciĂłn de LIX o KELEX es posible la separaciĂłn de iones đ??śđ?&#x2018;˘2+ de iones đ??šđ?&#x2018;&#x2019; 3+.

4.4. Mecanismos de reextracciĂłn Una vez que el metal deseado ha sido extraĂdo y se encuentra en la fase orgĂĄnica, se hace necesario recuperarlo de dicha fase. Esta recuperaciĂłn la podemos hacer mediante diferentes operaciones como son:

PrecipitaciĂłn por reducciĂłn.

PrecipitaciĂłn por formaciĂłn de compuestos insolubles en otra fase acuosa.

ReextracciĂłn del metal por paso a otra fase acuosa, de donde se puede recuperar.

Las dos primeras mencionadas no suelen utilizarse, realizĂĄndose generalmente la reextracciĂłn por la Ăşltima de las operaciones mencionadas. De la misma manera que en la extracciĂłn se hacĂa uso de un coeficiente denominado de extracciĂłn, en la reextracciĂłn se harĂĄ uso del coeficiente de reextracciĂłn. Cuanto mayor sea ĂŠste mejores condiciones tendremos para llevar a cabo el proceso de reextracciĂłn, y mayor concentraciĂłn de metal de interĂŠs obtendremos en la nueva fase acuosa. Vamos a ver ahora sobre que parĂĄmetros podemos actuar en cada sistema de extracciĂłn para que el equilibrio se desplace para conseguir la reextracciĂłn del metal. 53

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

1. â&#x20AC;&#x201C; ReextracciĂłn para reactivos catiĂłnicos y reactivos que forman quelatos AquĂ la reacciĂłn de reextracciĂłn serĂĄ:

đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x20AC; + đ?&#x2018;&#x203A;đ??ť+

đ?&#x2018;&#x203A; đ??ťđ?&#x2018;&#x2026; + đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+

El coeficiente de reextracciĂłn vendrĂĄ dado por:

đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x201D;

1 = â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x201D; [đ??ťđ?&#x2018;&#x2026;] â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;?đ??ť đ??ˇ

SegĂşn la ecuaciĂłn anterior, para aumentar

1 đ??ˇ

, y consecuentemente favorecer la

reextracciĂłn, bastarĂĄ con disminuir el valor del pH. Esto quiere decir, que poniendo en contacto la fase orgĂĄnica cargada con una fase acuosa ĂĄcida, se variarĂĄ adecuadamente el pH.

2. â&#x20AC;&#x201C; ReextracciĂłn para reactivos de extracciĂłn por solvataciĂłn y reactivos aniĂłnicos Las reacciones de reextracciĂłn serĂĄn:

đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x2018;?

đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x17D; đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; + đ?&#x2018;&#x17D; + đ?&#x2018;&#x17D;đ??´â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x20AC;đ?&#x2018;&#x203A;+ + đ?&#x2018;&#x203A; + đ?&#x2018;&#x17D; đ??´â&#x2C6;&#x2019;

đ?&#x2018;&#x20AC;đ??´đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;?[đ?&#x2018;&#x2020;]

â&#x2C6;&#x2019;

đ?&#x2018;&#x17D; [đ?&#x2018;&#x2026; đ??´] + đ?&#x2018;&#x20AC; đ??´đ?&#x2018;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x203A;+đ?&#x2018;&#x17D;

đ?&#x2018;&#x17D;[đ?&#x2018;&#x2026; đ??´] +

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

siendo el coeficiente de extracción:

1 1 = 𝐷 𝐾𝑥 𝑎𝑛 [𝑆]𝑝

Según la expresión anterior, para aumentar el coeficiente de reextracción

1 𝐷

bastará con disminuir la proporción de metal presente como complejo neutro (𝑎𝑛 ) . Esto se consigue disminuyendo la concentración del ligando A. Resumiendo, para efectuar la reacción de reextracción bastará con contactar la solución orgánica con una solución acuosa cuya concentración del ligando A sea nula. A veces es aconsejable realizar la reextracción utilizando agua ligeramente acidulada con el fin de evitar la hidrólisis del metal en la fase acuosa.

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

5. FORMA DE ABORDAR UN PROBLEMA DE EXTRACCIĂ&#x201C;N En primer lugar tenemos que fijar la meta a alcanzar, ya que la operaciĂłn nos proporciona una soluciĂłn mĂĄs o menos concentrada y purificada. La concentraciĂłn, pureza y naturaleza de este lĂquido resultante se puede elegir de acuerdo con las exigencias de los procesos que sigan o las posibilidades del mercado, sin mĂĄs que jugar adecuadamente con las variables de la extracciĂłn. del lĂquido resultante se puede recuperar el metal por precipitaciĂłn de un compuesto, p. ej. concentrado de uranato, por cristalizaciĂłn de una sal (sulfato de cobre por ej.), por depĂłsito electrĂłlito (cobre, zinc), por reducciĂłn o polvo metĂĄlico (cobre, nĂquel), por evaporaciĂłn y calcinaciĂłn (UO3), etc. El material a tratar tambiĂŠn fija unas condiciones o permite seguir diferentes alternativas. El problema es diferente de tratar aguas de mina, de escombreras, lĂquidos de lixiviaciĂłn sulfĂşrica de minerales o del ataque nĂtrico de concentrados, o de chatarras. En los casos en que se puede elegir la forma de obtener el lĂquido se debe considerar el proceso de ataque teniendo en cuenta las posibilidades de la extracciĂłn. En el estudio de un problema de extracciĂłn aplicada se pueden considerar las fases de: anĂĄlisis y estudio de la naturaleza del lĂquido a tratar y posibles modificaciones por variaciĂłn del pH, oxidaciĂłn-reducciĂłn o adiciĂłn de agentes complejantes, elecciĂłn de agentes de extracciĂłn, realizaciĂłn de ensayos discontinuos para valorar las posibilidades de estos reactivos, ensayos continuos con vistas a la obtenciĂłn de datos quĂmicos o incluso de comportamiento fĂsico, y mĂĄs adelante pasar a ensayos en planta piloto para obtenciĂłn de datos econĂłmicos definitivos e informaciĂłn para el diseĂąo de equipo.

5.1. Naturaleza del medio acuoso El proceso de lixiviaciĂłn utilizado (reactivos, etc.) junto con la naturaleza del producto sĂłlido tratado nos determinan unas caracterĂsticas de la soluciĂłn problema. Desde el punto de vista de la extracciĂłn hay que tener en cuenta:

El aniĂłn predominante. Este puede ser đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x2018;&#x201A;42â&#x2C6;&#x2019;, đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x201A;3â&#x2C6;&#x2019;, đ??śđ?&#x2018;&#x2122;â&#x2C6;&#x2019;, đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;?.

El estado de oxidaciĂłn del iĂłn metĂĄlico que interesa extraer, al igual que el de otros cationes que estĂŠn como impurezas.

La acidez o pH del medio.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Además, la presencia en la fase acuosa de sílice o de materia sólida suspendida dará origen a emulsiones estables, por lo que la clarificación hasta conseguir una gran nitidez en el líquido es una condición esencial en la mayoría de los procesos. Esta ha de ser inferior a 10 p.p.m. de sólidos en suspensión. La presencia de determinados aniones y el valor de la acidez determinan la forma iónica (catiónica o aniónica) en la que se encuentra el metal en cuestión y por consiguiente el reactivo que se tiene que utilizar. En función de dicho reactivo nos dará una determinada cinética de extracción. También condicionan a veces el orden de extracción con un tipo de reactivo en particular, así por ejemplo la extracción con ácidos carboxílicos se realiza en el sentido de

𝐹𝑒 3+ > 𝐶𝑢2+ > 𝑍𝑛2+ > 𝑀𝑛2+ > 𝐶𝑜2+ de pH bajo a alto, con un valor óptimo en las proximidades del valor del pH en que empieza la hidrólisis del metal. El control del potencial redox de la solución evita la extracción de impurezas y la posible degradación del reactivo orgánico. Por ejemplo, el 𝐹𝑒 2+ no se extrae con el D2EHPA mientras que el 𝐹𝑒 3+ si se extrae.

5.2. Elección del agente de extracción. Propiedades Teniendo en cuenta la naturaleza del líquido a tratar y sus posibilidades de modificación. Una primera selección se puede hacer acudiendo a la bibliografía sobre los metales en particular o a algunas revisiones. Para problemas más específicos o no considerados hasta ahora será de gran valor consultar la información sobre separaciones analíticas, ya que hay mucho material con posibilidad de convertirse en una técnica de tratamiento si se logra obtener un proceso económico de obtención del reactivo. Hay que tender a que sea barato, tenga pocas pérdidas por solubilidad, sea específico y pueda trabajar lo más próximo posible a las condiciones del líquido resultante del ataque. Como norma general, la elección de un agente de extracción determinado para su uso en un proceso de extracción con disolventes lleva consigo el conocimiento de una serie de características de dicho agente. Estas son las siguientes:

1.- Solubilidad.

2.- Estabilidad química y degradación.

3.- Capacidad de carga y viscosidad. 57

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

4.- Toxicidad e inflamabilidad.

5.- Precio de costo.

En la tabla 1, se presentan algunos de los agentes de extracción utilizados en la extracción por disolventes orgánicos. En dicha tabla, se incluye, junto al tipo de reactivo, fabricante y empleo más frecuente.

TABLA 1 REACTIVO

FABRICANTE

EMPLEO

CATIÓNICOS - Ácido naftánico Shell Chemical Co - Ácido versético 911 Shell Chemical Co Derivados órganos fosforados ácidos: - Ácidos alquilfosfóricos DEHPA - Ácidos alquilfosfóricos PC 88 A SMA 418 RD 577 - Ácidos alquilfosfóricos Cyanex - CNX

Unión Carbide

Cationes Cationes

U, V, Tierras raras, Be, Zn, Fe+3, Mn, Cu, Co, Mo, Re, Ni.

Daihachi Chemical Industry Co Shell Chemical Co

Análogos al DEHPA

Cyanamid Co

Análogo al DEHPA

General Mills General Mills General Mills General Mills General Mills General Mills General Mills Ashland Chemicals Ashland Chemicals Shell Chemical Co Acorga, Ltd Acorga, Ltd

Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu Cu

FORMADORES DE QUELATOS LIX 63 LIX 64 LIX 64N LIX 65N LIX 70 LIX 71 LIX 73 KELEX 100 KELEX 120 SME 529 P - 50 P - 17

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

TIPOS NEUTROS Tributil Fosfato (TBP) Óxido de trioctlifosfina (TOPO) Metil Isobutil cetona (MIBK) Dibutil carbitol (Butex)

Unión Carbide Unión Carbide Unión Carbide Unión Carbide

U, V U, V, Mo, Re Ta, Hf, Zr Au

BÁSICOS Aminas primarias: Primena JMT Primena 81-R Aminas secundarias: - Amberlita LA-1 LA-2 Aminas terciarias: - Alamine 336 - Adogen 368 - Adogen 381 Sales de amonio cuaternarias: - Aliquat 336 - Adogen 464

Rohn & Hass Rohn & Hass

U Zn, Fe

Ashland Chemicals Ashland Chemicals General Mills Ashland Chemicals

5.2.1. Solubilidad Los agentes de extracción deberán tener una muy baja solubilidad en la disolución acuosa a extraer, mientras que, tanto él como su correspondiente compuesto metálico deberán tener una alta solubilidad en el disolvente orgánico empleado. La razón de que tanto el agente de extracción como su correspondiente compuesto metálico sean altamente solubles en la fase orgánica es obvia, ya que el coeficiente de extracción es la razón de la solubilidad en ambos medios. Cuanto mayor sea la solubilidad en la fase orgánica, mayor será el correspondiente coeficiente de extracción. En cambio, la solubilidad del agente de extracción en la fase acuosa deberá ser mínima, tanto por lógicas consideraciones económicas, como de tipo medioambiental. Es decir, el paso de sustancia orgánica a la fase acuosa, además de ser una pérdida de reactivo, y por tanto, una carga económica, es una causa contaminante que habrá que eliminar posteriormente con el también consiguiente desembolso económico, lo que encarecería el proceso.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

5.2.2. Estabilidad química y degradación Las pérdidas por degradación implican la reposición del extractante antes de producirse un nuevo ciclo del proceso. Esto lleva consigo un coste adicional. Además, el producto resultante de la degradación puede interferir en el proceso de extracción haciendo éste inviable. No obstante, este proceso de degradación es inevitable, ya que, el proceso de extracción es cíclico. Esto supone una recirculación del agente de extracción con el consiguiente deterioro y degradación progresiva, lo cual exige su reposición parcial. El proceso de degradación se debe a fenómenos de oxidación e hidrólisis, y su cuantía depende de la naturaleza del proceso de extracción. Además, de las pérdidas por degradación surgen otros problemas como consecuencia de dicha degradación. Tal es el caso del T.B.P. cuando se utiliza en medio nítrico, donde se origina un producto de degradación muy soluble en la fase acuosa, lo que, como se ha visto, produce una pérdida de reactivo. El agente de extracción debe ser estable, tanto en la etapa de extracción como en la de reextracción, donde se le pone en contacto con soluciones acuosas ácidas o alcalinas que pueden interferir su estabilidad. Los fenómenos de degradación y modificación química limitan el empleo de posibles agentes de extracción.

5.2.3. Capacidad de carga y viscosidad Aunque aparentemente no existe una razón para unir ambos conceptos, creemos que existe una consideración que los liga, y es el peso molecular. La viscosidad de un compuesto orgánico aumenta con éste, llegando, por encima de 600 poises a ser sólido, con lo que su presencia en el medio de extracción puede llegar a proporcionar una alta viscosidad, de tal manera que, en su mezcla con disoluciones acuosas, dé lugar a emulsiones muy estables que impidan la separación de fases e inviabilicen técnicamente el proceso. En la figura 17, podemos ver la relación directa que existe entre la viscosidad y la concentración del extractante. Por otra parte, cuando mayor es el peso molecular, menor es la relación de carga (relación entre el peso de metal y el peso de reactivo), con lo que se llegaría a unas relaciones que inviabilizarían económicamente el proceso, por el gran capital circulante necesario.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

FIGURA 17

5.2.4. Toxicidad e inflamabilidad Es evidente que una planta de extracción con disolventes orgánicos, al igual que cualquier planta industrial, debe tener los mínimos riesgos contaminantes y posibles incidentes. Por tanto, las medidas de seguridad, tanto en el desarrollo del proceso industrial como de seguridad e higiene del personal de mantenimiento y producción han de ser máximas. Por estas razones, los reactivos y disolventes utilizados deben ser altamente inocuos y con un flash point o temperatura de inflamabilidad muy elevado, para que no sean tóxicos (bajos riesgos higiénicos), y no sean inflamables (bajos riesgos de seguridad). 61

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Ha de tenerse en cuenta que una planta media de extracción por disolventes orgánicos se van a mover del orden de 3.000 a 5.000 m3 por día, y pueden existir unas 350 a 600 Tm de disolvente, con una superficie libre al aire entre 400 a 600 m2, con lo que los riesgos de accidentes son elevados. Por ello, además de otros condicionantes, se debe de exigir a un agente de extracción, así como a su correspondiente diluyente las características de atoxicidad, baja volatilidad y alta temperatura de inflamabilidad. Como también hemos visto, la solubilidad de los agentes de extracción en la fase acuosa ha de ser mínima. No obstante, se producen pérdidas de dicho agente durante el refinado, con lo que las aguas utilizadas en el proceso quedan contaminadas. De producirse este hecho, deberán arbitrarse medidas encaminadas al tratamiento de estas aguas, lo que elevaría los costes de la planta.

5.2.5. Precio de costo Está claro que el precio de un agente de extracción está directamente relacionado con la economía del proceso, y que se debe tender a conseguir utilizar aquellos de menor precio. Pero, es que, además, el precio está íntimamente ligado con el “consumo unidad” de metal recuperado, y éste está totalmente ligado a los tres primeros conceptos expuestos en este capítulo. En efecto, el consumo de reactivo es función de:

Su solubilidad en la fase acuosa.

La relación Peso metal/Peso reactivo.

Su estabilidad química.

Por tanto, de la interrelación entre los tres conceptos y el precio del reactivo nos saldrá el precio real del reactivo que será el que se debe minimizar, obteniendo así la máxima economía para el proceso. Por lo visto, a la hora de tomar una decisión práctica deben ponderarse todos los parámetros y seleccionar el reactivo “menos malo”, aunque no sea perfecto.

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5.3. Diluyentes Junto al reactivo orgánico es importante la elección del diluyente, ya que, además de actuar de portador, puede aumentar la selectividad de la operación. El diluyente actúa como medio de dilución, teniendo como finalidad disminuir la viscosidad de la fase orgánica y facilitar el contacto entre fases. La elección del disolvente adecuado se hace según sus propiedades y su repercusión en un proceso de extracción. Vamos a verla de acuerdo a la propia técnica de separación y a los solutos que se distribuyen en el proceso de extracción. Las propiedades y su influencia sobre las técnicas de separación son:

Disolver el agente de extracción, tanto en estado libre como en forma de complejo metálico.

Tener baja solubilidad en la fase acuosa para evitar, en lo posible, o disminuir las posibles pérdidas por disolución en dicha fase. Esta solubilidad puede venir influenciada por otra variable como es la fuerza iónica de la propia disolución acuosa. Como ejemplo tenemos la acetona, que se hace inmiscible en agua cuando la fuerza iónica es aproximadamente 5M.

Mezclarse bien con el agente de extracción, tanto en su estado libre como en su forma de complejo metálico, al objeto de disminuir la viscosidad que influye considerablemente sobre dos factores del proceso de distribución líquido-líquido, como son la agitación y la separación de fases.

Estabilidad química en un amplio margen para las condiciones de la operación.

Alto punto de inflamación (flash point), para evitar riesgos de incendios. Este ha de estar sobre los 60 ºC. Para ello la presión de vapor del disolvente ha de ser elevada a temperatura ambiente.

Baja velocidad de evaporación con el fin de evitar pérdidas por ésta causa.

Densidad del orden de 0,8. Esta, a ser posible, ha de ser inferior a la del agua. Con esto favorecemos la separación de fases, disminuyendo la humedad de la fase orgánica tras el proceso de extracción, y se reduce la complejidad de la técnica experimental en un proceso de extracción múltiple.

No tener toxicidad para evitar riesgos durante la operación. 63

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En resumen, se tiende a componentes con baja viscosidad, densidad baja, alto punto de inflamación, no toxicidad, alta solubilidad del compuesto órgano-metálico, fácil separación de fases y de bajo coste. Atendiendo a los solutos que se distribuyen en el proceso de extracción, tenemos que la constante dieléctrica del disolvente condiciona los tipos de soluto a extraer. Cuando se trata de distribuir pares iónicos, es apropiado un disolvente que posea una alta constante dieléctrica, y cuando el disolvente se utiliza como diluyente de agentes de extracción, como compuestos órgano-fosforados, ha de poseer una baja constante dieléctrica. Generalmente, los disolventes utilizados en la extracción no presentan absorción en la zona visible del espectro, pero si lo hacen en la ultravioleta. Por tanto, cuando se desea determinar un soluto en una fase orgánica por la técnica espectrofotométrica, se debe evitar el solapamiento de las bandas de absorción del propio disolvente con las del soluto en cuestión, especialmente en la ultravioleta. Como ejemplo, podemos citar el hexano como uno de los disolventes más transparentes que se conocen, y las cetonas, que presentan una fuerte absorción, por lo que son inadecuadas en la región ultravioleta. Además de lo expuesto, a la hora de elegir el diluyente adecuado, interesa prestar especial atención a la relación olifático/aromático, pues afecta a la mayor o menor solubilidad del complejo metálico, lo que a su vez influye en la posición de equilibrio, además de poder afectar a la cinética de extracción. Contrariamente a lo que se pensaba, los diluyentes no son químicamente inertes, e influyen directamente sobre la actividad de los agentes de extracción presentes en la fase orgánica, con lo que se puede variar el coeficiente de distribución. Así pues, además de influir sobre las propiedades físicas de la fase orgánica que afectan a todo el proceso de transferencia, como son la viscosidad, punto de inflamación y contacto/separación de fases, tenemos su influencia sobre las propiedades químicas, tales como la solubilidad, cinética de extracción y punto de equilibrio de extracción. Tanto los aspectos físicos como los químicos pueden influir en la economía del proceso. Por ejemplo, la mayor o menor facilidad de separación de fases afecta al área del decantador, lo que influye sobre los costes de construcción del mismo. Por otro lado, la energía requerida está directamente relacionada con la cinética de extracción y reextracción. El diluyente o disolvente es normalmente un hidrocarburo o sustancia inmiscible con el agua. Para hacer una clasificación de los disolventes empleados podemos hacerlo en base a diferentes criterios, como veremos en el siguiente apartado. En la tabla 2, se presentan algunos diluyentes empleados en la extracción con disolventes, junto con algunas de sus características.

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TABLA 2 DILUYENTE

DENSIDAD 20o gr/cc

Ta (OF.) EBULLIC.

Ta (OF.) INFLAMAC.

AROMATIC. %

0,876 0,985 0,933 0,888 0,875 0,886 0,893

315 370 357 360 316 360 366

112 151 105 145 115 141 154

99 97 89 98 99 78 70

0,790 0,811

376 410

168 175

20 12

0,767 0,723 0,782 0,751 0,785 0,793 0,796

373 240 405 384 364 361 383

144 45 172 156 141 135 152

7 0,1 20 2 45* 45* 52*

ALTOS EN AROMATICOS SOLVESSO 100 SOLVESSO 150 HAN CHEVRON 3 CHEVRON 25 CHEVRON 40 L CHEVRON 44 L MEDIOS A BAJOS EN AROMATICOS ESCAID 100 NAPOLEUM 470 BAJOS EN AROMATICOS ISOPAR L ISOPAR E ISOPAR M NORPAR 12 SHELL 140 DX 3641 ESCAID 200 (*) Contienen aprox. el 50% de naftenos.

5.3.1. Clasificación de los disolventes Aunque podemos realizar una clasificación de los disolventes empleados en base a diversos criterios, vamos a hacerla atendiendo a su carácter polar o no polar y a su poder de solvatación. Atendiendo a su carácter polar o apolar comenzaremos diciendo que el término polar está directamente relacionado con la constante dieléctrica del propio disolvente, aunque diferencias significativas en este parámetro para diversos disolventes no implican un comportamiento diferente de los mismos en un proceso de extracción líquidolíquido. Dentro de éste grupo de disolventes polares se encuentran los alcoholes, que, debido al grupo –OH que poseen, se comportan de forma similar al agua. Cuanto más 65

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ramificadas son las cadenas, más solubles son en agua, dato éste importante a tener en cuenta a la hora de su elección. Son adecuados para la extracción de extracción de pares iónicos, tal es el caso de los compuestos nitrogenados como el nitrobenceno y nitrometano, dada su baja solubilidad en agua y su alta constante dieléctrica. Los esteres de ácidos grasos y alcoholes alifáticos son, en algunos casos, más efectivos para la extracción de quelatos metálicos que otros disolventes polares, aunque, presentan el inconveniente de su gran tendencia a la hidrólisis en disolución ácida. De entre los disolventes apolares, los hidrocarburos son los más característicos, y, como ya mencionábamos, se emplean como diluyentes de agentes extractantes, siendo su interacción con los solutos extraídos mínima. Los más empleados son el n-hexano y el ciclohexano, o bien, mezclas denominadas éter de petróleo, ligroína y queroseno, siendo éste último muy empleado para presentar buenas características y ser relativamente barato, aunque se debe tener especial cuidado en su empleo, ya que, desprende vapores combustibles capaces de provocar un incendio con facilidad. Los aromáticos más utilizados son el benceno, tolueno y xileno. Según el segundo criterio para su clasificación, la capacidad de solvatación de un disolvente se fundamenta en la facilidad de interacción del mismo con moléculas de soluto ácidas o básicas. Estos disolventes suelen denominarse anfiprótidos, es decir, que se pueden comportar como ácidos o como básicos, incrementándose la capacidad de solvatación con la basicidad del mismo. Las cetonas, por ejemplo, presentan una gran capacidad de solvatación, generada por el carácter básico de su átomo de oxígeno, poseyendo además, una gran estabilidad química y baja solubilidad en agua. La más utilizada en los procesos de extracción líquido-líquido es la metilisobutilcetona (MIBK), empleándose para la extracción de haluros, nitratos y otras sales metálicas, y como diluyente, para extractantes de especies metálicas por formación de quelatos. En ocasiones, originan la formación de aductos con los quelatos extraídos en la fase orgánica o favorecen considerablemente el proceso de distribución mediante un efecto sinérgico. Con el empleo de diluyentes alifáticos se nos puede presentar un fenómeno que está relacionado con el tipo de disolvente empleado. Éste es el llamado fenómeno de la “tercera fase”.

5.3.2. Fenómeno de la tercera fase. Forma de evitarlo Como ya hemos dicho, el fenómeno de la tercera fase está relacionado con el tipo de disolvente empleado en el proceso. Ocurre en algunos sistemas de extracción en los que el agente de extracción cargado con el metal a extraer, o complejo metálico, se separa en una segunda fase orgánica perfectamente diferenciada de la correspondiente a la fase diluyente-agente de extracción, por lo que se puede decir que se forman tres fases: 66

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Acuosa estéril.

Diluyente y agente de extracción-ión metálico.

Diluyente-agente de extracción.

Este fenómeno se puede explicar por la baja solubilidad del complejo metálico en la fase orgánica, y se suele presentar frecuentemente cuando empleamos aminas con diluyentes alifáticos, y en menor proporción, cuando se emplean agentes de extracción por solvatación con los diluyentes alifáticos. Este fenómeno puede evitarse añadiendo al sistema una pequeña cantidad en volumen de un tercer componente, denominado “modificador” que se verá a continuación.

5.4. Modificadores Cuando en sistemas de extracción que utilizan aminas, como las comerciales PRIMENE, LA-1, LA-2, se emplean diluyentes alifáticos, o también, cuando se utilizan estos diluyentes alifáticos con agentes de extracción por solvatación, puede surgir el ya mencionado “fenómeno de la tercera fase”. Para evitar éste se utilizan unas sustancias denominadas modificadores, siendo utilizadas estas en un dos o un tres por ciento en volumen de la disolución… Estos, aparte de impedir la formación de tercera fase, facilitan también la separación de fases y aumentan la selectividad. Las sustancias que actúan como modificadores permanecen como reactivos invariables en el sistema. En ciertos casos, su adición trae consigo un gran incremento del poder de extracción debido a un “efecto sinérgico”. Este se define como un aumento anormal de la extracción cuando se utilizan conjuntamente dos reactivos extractantes, lo que quiere decir que el factor de recuperación de la extracción conjunta es mucho mayor que la suma de los factores de recuperación si se hiciese la extracción por separado. Los modificadores, generalmente, son alcoholes de cadena larga de ocho a diez carbonos, como es el caso del isodecanol. Sin embargo, estas pueden presentar ciertos inconvenientes ya que poseen una cierta solubilidad en la fase acuosa. Esto origina pérdidas, lo que redunda en la economía del proceso. Aunque éste problema sea un inconveniente, a la hora de seleccionar un modificador, los beneficios que originan en lo referente a la separación de fases, cinética y equilibrio de extracción, hacen aconsejable su utilización. Precisamente, muchos de los datos sobre la solubilidad de los modificadores son relativos al PROCESO DAPEX, en el cual, el Uranio es extraído de una solución ácida de sulfato con ácido 2-dietilhexilfosfórico, utilizando como modificador fos67

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

fato de tributilo, mĂĄs comĂşnmente conocido como TBP, en una proporciĂłn de 10 a 15 p.p.m. AdemĂĄs de los alcoholes de cadena larga, podemos utilizar, como hemos visto, el TBP como modificador. Su utilizaciĂłn es aconsejable en algunos casos, porque puede presentar tambiĂŠn propiedades sinĂŠrgicas sobre ĂĄcidos alquilfosfĂłricos. Probablemente, el mejor ejemplo de sinergismo es el sistema: UO2+ 2 â&#x2C6;&#x2019; DEHPA â&#x2C6;&#x2019; TBP.

5.5. FenĂłmeno del sinergismo Cuando en un sistema de extracciĂłn utilizamos conjuntamente dos reactivos extractantes puede suceder que aumente excepcionalmente la extracciĂłn. Este fenĂłmeno se define como sinergismo. Supongamos un sistema en el que tenemos dos extractantes a los que vamos a designar por d1 y d2. Podemos establecer la siguiente relaciĂłn:

(đ?&#x2018;&#x2026;%)đ?&#x2018;Ą = đ?&#x2018;&#x2026;% đ?&#x2018;&#x2018;1 + đ?&#x2018;&#x2026;% đ?&#x2018;&#x2018;2 + â&#x2C6;&#x2020; đ?&#x2018;&#x2026;%

siendo (đ?&#x2018;&#x2026;%)đ?&#x2018;Ą : factor de recuperaciĂłn global del proceso. â&#x2C6;&#x2020; đ?&#x2018;&#x2026;% : magnitud que determina el aumento sinergĂŠtico de la extracciĂłn.

Podemos definir el factor sinĂŠrgico como el nĂşmero por el cual se multiplica el rendimiento de la extracciĂłn normal para obtener el rendimiento prĂĄctico. Aunque los mecanismos por los que transcurre el fenĂłmeno del sinergismo no siempre son los mismos, se sabe que el fenĂłmeno ocurre esencialmente en la fase orgĂĄnica, debido principalmente a dos factores:

La capacidad de extracciĂłn de los agentes extractantes se modifica por la presencia mutua de los mismos.

La composiciĂłn de las especies extraĂdas en la fase orgĂĄnica no es la misma cuando se utiliza uno solo de los extractantes. 68

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Podemos establecer cuatro diferentes tipos de combinaciones sinérgicas: dos de éstas hacen uso de un extractante ácido y otro neutro, estando las otras dos formadas por dos extractantes que pueden ser neutros o quelatantes. En el primer caso, se hace uso de un agente quelatante ácido y un disolvente solvatante neutro. Estos sistemas se comportan generalmente como ideales, pudiéndose interpretar los datos experimentales mediante una ecuación de acción de masas. En el segundo caso, se utilizan generalmente ácidos alquilfosfóricos, o también ácidos carboxílicos y sulfónicos, teniendo estos últimos un efecto sinérgico menor. La principal diferencia con el caso anterior estriba en la composición y estabilidad del aducto formado. En los demás casos, el aumento de extracción debido al fenómeno de sinergismo es menor.

5.6. Ensayos Una vez que el reactivo o reactivos se han seleccionados, se pasará a realizar ensayos discontinuos bien sobre soluciones sintéticas que tiendan al líquido real, o bien directamente con éste. Para continuar con posteridad con ensayos continuos, y finalmente se puede seguir con pruebas a nivel semiindustrial en planta piloto.

5.6.1. Ensayos discontinuos Con ellos se pretende determinar el coeficiente de distribución, la capacidad de saturación, el diagrama de equilibrio, la cinética aproximada de extracción, facilitad de separación de fases y a veces las pérdidas de disolventes por solubilidad. Los ensayos se realizan simplemente agitando cantidades determinadas de las dos fases, bien manualmente o mecánicamente (figura 18) y dejando separar las fases a continuación, analizando los dos líquidos.

Fig. 18.- Ensayos discontinuos de extracción

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La comparación de los coeficientes de distribución entre dos o varios disolventes es muy útil cuando se trata de soluciones diluidas. Sin embargo, el valor del mismo puede depender de la concentración de metal en la fase acuosa, como es corriente en el caso de la extracción por cambio de ión. En este último caso también es muy importante saber cuánto es el máximo de metal que puede recibir la fase orgánica o sea la capacidad de saturación, que depende fundamentalmente de la concentración de la misma en reactivo orgánico y de las características de la alimentación acuosa, la capacidad de saturación es decisiva en el establecimiento de los flujos de fase orgánica y acuosa que entran en el sistema con el fin de lograr una buena recuperación y selectividad. Normalmente, la operación de extracción se realiza en varias etapas con contracorriente. Para obtener información sobre la misma, se determina en el laboratorio un ensayo que permite obtener el diagrama de equilibrio entre distintas fases, desde las más concentradas a las más diluidas. El ensayo consiste en repetir los ensayos de determinación del coeficiente de distribución con cantidades variables de ambas fases. Analizadas ambas se representan los resultados de acuosa en abscisas y orgánica en ordenadas (figura 19). Un buen agente de extracción debe tener un diagrama que generalmente tiene tres partes, una muy próxima al eje de las Y con una subida brusca de la concentración en orgánica para pequeña variación de la concentración de acuosa, una media en que el coeficiente de distribución cambia mucho con el aumento de la concentración de acuosa y una tercera plana en la que el disolvente está completamente cargado (saturado) y no admite más metal, indicándonos cuál es la cantidad mínima de fase orgánica a emplear. A partir del diagrama de equilibrio y para una determinada relación de flujos orgánicos y acuosos se determina el número de pisos teóricos necesarios.

Fig. 19.- Determinación del diagrama de equilibrio

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Con ensayos discontinuos se puede tener también una idea del tiempo de mezcla necesario en los sistemas en que estos tiempos son largos, haciendo ensayos con diferente duración. También se puede lograr, por ensayos discontinuos, una idea de la facilidad de separación de las fases mezcladas y por consiguiente obtener información sobre las necesidades del decantador. La separación de las fases tiene lugar en dos tiempos: uno primero de rotura de la emulsión (rotura primaria) y otro en que las gotitas finas que quedan se van agrupando en otras mayores y en la masa total. Los ensayos de laboratorio pueden dar una idea de las dificultades que se pueden encontrar sobre todo si se comparan con el comportamiento de otros sistemas conocidos. No obstante hay que señalar que la validez es limitada, pues hay factores como continuidad de la fase orgánica y otros cuya influencia se debe considerar en el diagrama real. Las pruebas para esta magnitud se hacen por ensayos estáticos, considerando distintos tiempos de agitación y sedimentación, o dinámicos mediante un dispositivo que tenga un mezclador y un sedimentador a los cuales se alimentan flujos variables y se mide la anchura de la banda de dispersión en función del área unitaria disponible (figura 20).

Fig. 20.- Mezclador y sedimentador

Las pérdidas por solubilidad del agente de extracción se miden de forma aproximada determinando su concentración en la fase acuosa, o en la fase orgánica después de haber pasado, en este último caso, unas 100 ó 200 veces su volumen de líquido acuoso.

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Mediante los ensayos discontinuos se puede hacer una elección de los disolventes, tener idea de las posibilidades de operación, condiciones en que se debe trabajar y resultados a esperar, especialmente si se hacen ensayos en contracorriente que semejen la marcha continua. En reextracción se pueden determinar discontinuamente los diagramas de equilibrio para diferentes sistemas de reextracción.

5.6.2. Ensayos continuos Un paso ulterior en la experimentación es la realización de ensayos continuos, en pequeño equipo con 50-100 ml/min. de alimentación, semejando el diagrama de extracción-reextracción, y lavado o acondicionamiento. Aquí se pueden probar condiciones próximas a las óptimas de los ensayos discontinuos. Los resultados pueden ser definitivos desde el punto de vista químico (consumo de reactivos, rendimientos, calidad de los productos) y también se ponen de manifiesto los efectos debidos al reciclado del disolvente y acumulación de pequeños efectos. Con este equipo pequeño de vasos de poca altura se suele quedar falto de información por lo que respecta al comportamiento físico. Puede ocurrir que un sistema que experimentalmente no funcione por crecimiento de la emulsión estable de la interfase e inundación del equipo completo, pudiera ser realizable en la práctica en que se tienen mayores alturas de decantadores, por ello conviene hacer también ensayos continuos a pequeña escala pero teniendo alturas industriales.

5.6.3. Ensayos en planta piloto semiindustrial Con las pruebas indicadas anteriormente se tiene un conocimiento casi completo del problema, y si los resultados son prometedores se puede iniciar los contactos con una casa especializada o seguir la propia investigación con el fin de determinar las pérdidas por arrastre (de gran repercusión económica) e incluso probar un modelo del equipo cuyo empleo se considere. Esto conviene hacerlo a una escala bastante grande 25-50 m3/d pues las pérdidas son pequeñas 0,2-1 l/m3, dependen del líquido en tratamiento, del equipo empleado y de la habilidad del personal. Esta instalación puede servir además para el entrenamiento de personal que sea necesario en la futura instalación comercial. A la vista de la experiencia obtenida se puede asegurar que es una inversión rentable.

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5.7. Elección y diseño del equipo En extracción se utilizan fundamentalmente columnas, extractores centrífugos y mezcladores sedimentadores. Estos últimos son los más utilizados en metalurgia extractiva, pues parece que son los más adecuados para el trabajo con líquidos algo turbios, requieren menos coste de capital, son fáciles de manejar, tienen gran capacidad sin riesgos de inundación, se pueden observar, controlar y desmuestrar fácilmente todos los flujos sin dificultades ni control especial y el paso de escala es sencillo. Tienen el inconveniente de que necesitan más espacio que las columnas, sobre todo en sistemas con muchas etapas teóricas. Como para conseguir la extracción completa de un soluto en una sola etapa, es preciso emplear gran cantidad de disolvente, a la hora de realizar esta operación a nivel industrial se hace necesario el empleo de varias etapas que trabajen de forma continua. La extracción con disolvente en varias etapas la podemos realizar empleado los flujos en contracorriente o en con-corriente, aunque es la primera de ellas la que generalmente se suele emplear. Los diferentes tipos de equipos existentes para la aplicación de estas técnicas en la industria se congregan en dos grandes grupos:

Contactores diferenciales, donde se incluyen las columnas de extracción de contacto continuo.

Contactores por etapas, formadas por los mezcladores-sedimentadores.

Aunque de menor importancia, entre los contactores diferenciales se encuentran los extractores centrífugos, que se utilizan en casos en que los tiempos de contacto son muy cortos. Los del primer grupo se caracterizan por ser más compactos y de menor volumen que los del segundo grupo, ocupan menos espacio horizontal, y retener menor volumen de líquidos. Generalmente se suelen utilizar cuando se necesitan muchos pisos o etapas teóricas. En las columnas de extracción (figura 21) el movimiento de las fases tiene lugar por diferencia de densidades, por lo que el modo de realizar la operación es introduciendo la fase ligera por la parte inferior y la fase pesada por la parte superior de la columna, produciéndose un flujo en contracorriente de las dos fases a través de la columna de extracción, ya que, mientras que la fase ligera tiende a ascender, la fase pesada desciende, dando lugar a un contacto continuo entre estas. 73

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Fig. 21.- Columna de extracción

Con el fin de facilitar la separación de fases tras el contacto, las columnas poseen unas extensiones en las zonas superior e inferior. La zona de la interfase podrá situarse en la parte superior o en la inferior de la columna, según los casos. Como ya decíamos, el contacto de las fases es continuo, teniendo lugar el fenómeno de transferencia de materia a lo largo de toda la columna, debido a un gradiente continuo de diferencia de concentraciones, siendo la altura de columna el parámetro a considerar a la hora de diseñarla. En definitiva, una vez fijado el problema a estudio, definido el flujo o caudal de los componentes, la relación de caudales entre las fases, y elegido el tipo de columna a utilizar, se debe dimensionar ésta.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Para dimensionar una columna de extracción se han de tener en cuenta:

Altura de la columna.

Diámetro de la columna.

La altura vendrá definida por el número de contactos necesarios para producir una determinada extracción, purificación, o separación de especies, lo cual, viene definido por el número de pisos teóricos o de unidades de transferencia, y la altura equivalente a un piso teórico o HETP, o la altura de una unidad de transferencia o HTU, según el esquema de cálculo que se adopte. En cuanto al diámetro, vendrá definido por el caudal de las fases, previamente fijado por las necesidades del proyecto y por características propias del sistema y tipo de columna empleado. Desde el punto de vista de la operación, lo ideal es que los fluidos se muevan a lo largo de la columna según un esquema de flujos de émbolo, o dicho de otra manera, con un frente plano en toda la sección de la columna. Sin embargo, en la práctica esto no sucede así y se presentan dificultades en la operación, tales como el llamado fenómeno de “mezcla axial”, que ocurre cuando unas partes de fluido van más deprisa o más despacio que el resto de la masa, e inclusive moverse en sentido contrario a la dirección del flujo del líquido. En este fenómeno se podrían incluir los arrastres de una fase por otra. También se pueden presentar los llamados “efectos de pared” y variaciones en la distribuciones del tamaño de gota. Esto hace que para este tipo de equipos se deba tener especial cuidado a la hora de diseñarlos, teniendo en consideración estas variables, ya que, provocan variaciones entre los resultados de laboratorio y los de planta industrial. Además existen factores de operación adicionales que dificultan aún más su aplicación industrial, como son la presencia de impurezas en la alimentación, aparición de insolubles en la interfase, y composición y caudal de alimentación variables. Pese a que los fenómenos mencionados anteriormente también se presentan en los equipos del segundo grupo (contactores por etapas), estos son más asimilables, como lo demuestra el caso de la fácil eliminación de insolubles en las fases, lo que hace que estos equipos presenten una ventaja sobre los demás, que consiste en que los resultados obtenidos en laboratorio y planta piloto suelen ser muy parecidos a los de planta industrial, lo que facilita los cálculos para su diseño. Esto hace que los mezcladoressedimentadores (figura 22) sean actualmente el equipo que presenta mejores garantías de funcionamiento dentro de una planta industrial de extracción con disolventes. 75

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Fig. 22.- Mezclador-sedimentador

En este tipo de equipos la operación se realiza por etapas discontinuas en las que las fases se mezclan y separan en unidades independientes. Los mezcladores consisten generalmente en tanques con dispositivos apropiados de agitación, debiendo producir suficiente superficie de contacto durante un tiempo adecuado para que se produzca la transferencia de materia. Dicha superficie se consigue por medio de la dispersión de una fase en la otra, dependiendo, por tanto, del número de gotas formadas por unidad de volumen de fase continua y del tamaño de dichas gotas, y requiere la aplicación de trabajo mecánico por medio de la agitación. La separación de fases se efectúa por sedimentación en equipos denominados sedimentadores, debiendo tener un tamaño adecuado para que el tiempo de residencia en ellos de la masa sea el mínimo necesario para que las fases se separen. Debe procurarse que tengan una sección recta adecuada, al objeto de evitar turbulencias que impidan u obstaculicen la separación. Hay varios tipos de mezcladores sedimentadores, siendo lo más corrientes los internos (tipo Winchester) y los externos en que las cámaras de mezcla y sedimentación están separadas. El diseño de los mezcladores sedimentadores externos ha sufrido una amplia evolución, desde los primeros en que todos los flujos (orgánica y acuosa) entre etapas, o en cada etapa (reciclado de orgánica) se hacían con bombas, a los últimos tipos en que todos los flujos se manejan con el mismo agitador, estando todos los pisos al mismo nivel; un tipo intermedio tenía las distintas etapas a diferente nivel y una de las fases fluía por gravedad mientras que la otra se manejaba con bomba. Los puntos clave del diseño del equipo de extracción se refieren al sistema de agitación del mezclador y al dimensionado del sedimentador. En el mezclador se tiene 76

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

que lograr una dispersión conveniente de las dos fases orgánica y acuosa, para tener una buena transferencia de materia, sin embargo no interesa pasarse con el fin de evitar los problemas de separación de fases. En función del sistema de agitación se determina la potencia a instalar; para uranio y vanadio se ha visto que el paso de escala se puede realizar manteniendo la potencia por unidad de volumen, medida en recipientes pequeños (100 l.) que dé mezclas semejantes y que tengan semejanza geométrica con el equipo que se vaya a emplear industrialmente, sin embargo esto no es general y para un sistema desconocido hay que estudiar el paso de escala. En el dimensionado del sedimentador las magnitudes a definir son: el área unitaria y el tiempo de residencia. El área unitaria se puede determinar en el laboratorio por el ensayo hidrometalúrgico dinámico realizado considerando diferentes escalas, tomando el valor del flujo máximo para anchuras de interfases de 10-15 cm. Para el uranio y vanadio los valores corrientes son de 1 galón/min. pie cuadrado en otros sistemas pueden ser muy diferentes. La profundidad del sedimentador depende de consideraciones de hidráulica y de inventarios de fases. Debe ser suficiente para que en los cambios de nivel de la interfase no pase una de las fases en las conducciones de la otra. También se tiende a tener poca profundidad de fase orgánica y reducir la inversión debida a la misma, en sistemas en que el metal en cuestión es caro se tiende por el contrario a tener poca fase acuosa y reducir el inventario debido al retenido de metal. Las alturas que se encuentran en aplicaciones hidrometalúrgicas están comprendidas entre 10 y 60 cm. para orgánica y entre 60 cm. y 2 m. para acuosa. En las necesidades de área y volumen del sedimentador influyen mucho la temperatura, naturaleza de las fases líquidas, intensidad de mezcla y dispersión, y sobre todo la continuidad de esta. Las dispersiones de líquido acuoso en un medio orgánico continuo son las más fácilmente separables; para lograr esta continuidad se recicla a veces orgánica del sedimentador al mezclador del propio piso. En casos en los que los tiempos de contacto son muy cortos, se utilizan los menos conocidos “extractores centrífugos” (figura 23), pertenecientes al grupo de los contactores diferenciales. Este tipo de equipos son muy poco utilizados, y su uso se reduce a la industria farmacéutica para la producción de antibióticos, en el que el producto se puede descomponer y es preciso realizar una operación rápida. Otro caso lo tenemos en la extracción del Uranio en las soluciones de ácido fosfórico procedentes de la descomposición de los fosfatos minerales con ácido sulfúrico para la producción de fertilizantes. La causa por la que se recurrió a estos equipos se debía al uso del ácido octilpirofosfórico (OPPA) con un gran poder de extracción para el Uranio en muy pequeñas concentraciones, pero con el inconveniente de que se descomponía en presencia de ácidos, por lo que los tiempos de contacto debían ser muy cortos.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Figura 23.- Extractor centrífugo

El diseño de estos aparatos es muy especializado y no existe mucha información publicada sobre ellos, siendo, además, de un precio muy elevado. En la tabla 3, podemos ver diferentes tipos de equipos utilizados industrialmente en la extracción con disolventes. TABLA 3 Tipo de contacto por dispersión de las fases Contacto por etapas discontinuas

Tipo de agitación Sin agitación

Mezcladores en línea estáticos

Columnas de relleno Contacto continuo Columnas

Columnas de pulverización Columnas de platos perforados

Agitación por dispositivo rotatorio Mezcladores decantadores de varios tipos Mezcladores decantadores con bomba mezcladora Contactor de disco rotatorio (RDC)

Columnas pulsantes de platos perforados

Columnas de Scheibel

Columna pulsante de relleno

Columna de estadios múltiples (Oldshue-Rushton) Columnas de discos rotatorios asimétricos (ARD)

Agitación por dispositivo pulsante Mezcladores decantadores pulsantes

Columna de platos pulsantes

Contactor horizontal de Graesser

Extractores centrífugos

Podbielniak Wesfalia Luwesta De Laval Quadronie

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Dada la gran amplitud de material disponible, se hace difícil poder realizar una elección clara del equipo sin realizar previamente una evaluación comparativa entre sus características y las deseables en la operación a realizar. Se deben tener en cuenta una serie de factores, de entre los cuales podemos destacar:

Número de etapas.

Capacidad de flujo.

Tiempo de residencia.

Relación de flujo de fases.

Propiedades físicas.

Sentido de la transferencia de materia.

Dispersión de las fases y volumen de retención.

Cinética de extracción.

Presencia de sólidos.

Como conclusión, se debe conocer la eficiencia de los equipos para poder evaluarlos, dimensionarlos y fijar sus condiciones de operación. Existe un índice de efectividad definido por la relación de caudal de flujo máximo y el volumen de una etapa teórica. En el caso de columnas, la relación usada es entre el caudal de inundación y la altura de una unidad de transferencia (HTU), que representa la eficiencia de transferencia por unidad de contactor. De esta forma, se pueden comparar los diferentes contactores. Cuando mayor es este índice, mejor es su funcionamiento, siempre y cuando, para realizar la comparación, se utilicen los mismos sistemas de extracción. Además de los criterios técnicos descritos, han de tenerse en consideración los factores económicos, que son los que en última instancia van a decidir el problema. Como resumen de lo dicho, podemos emplear en el estudio primario del problema de la selección del equipo, el siguiente diagrama de la figura 24.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

PROCESO

Si el tiempo mínimo de contacto es esencial SI Contactor centrífugo NO

Malas características de sedimentación Hay peligro de formación de emulsiones estables

Contactor centrífugo o de Graesser

Se requieren pocas etapas

Poco espacio disponible

NO SI

Poco espacio disponible

Columna simple de gravedad

Poca altura disponible

Mezcladores sedimentadores

SI Caudal grande NO

Poca altura disponible

Columnas agitadas mecánicamente

NO Columnas pulsantes

Mezcladores-sedimentadores o Contactor de Graesser FIGURA 24

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6. ASPECTOS ECONÓMICOS DE LA EXTRACCIÓN 6.1. Introducción Aunque los aspectos económicos sean los argumentos más persuasivos para la elección de cualquier proceso, no se ha prestado excesiva atención a dichos temas en la literatura técnica de la extracción con disolventes. La extracción como casi todas las operaciones unitarias integradas en un proceso dependen de los pasos anteriores y de los que le siguen: la consideración económica que define la viabilidad del tratamiento no se debe hacer de forma aislada sino en el conjunto total y a la vista de los fines buscados. El costo total de tratamiento para el caso de la extracción con disolventes se puede basar principalmente en dos costos:

a. Capital – costo de equipo y de inventario de fase orgánica inicial.

b. Operación – coste de energía empleada en los contactos, coste de recuperación de disolvente, coste de reposición de fase orgánica, coste de otras materias primas auxiliares y servicios, coste de mano de obra, coste de materia prima, etc.

Alguno de estos componentes tiene una escasa contribución desde el punto de vista económico. Normalmente el factor de mayor influencia es el costo de capital. Existen otros aspectos que pueden hacer cambiar totalmente la economía del proceso. El primero es la capacidad de tratamiento; existe una capacidad mínima de tratamiento por debajo de la cual el proceso no presenta ningún atractivo económico. El segundo factor es el precio del metal que sin duda puede afectar a la viabilidad económica del proceso. Y el tercer aspecto es la concentración del metal en la alimentación; por ejemplo un proceso de extracción con disolventes de zinc puede ser viable para una concentración de alimentación de 30 g/l y no serlo para 10 g/l. Por otra parte esta técnica, que en los últimos años ha presentado un notable desarrollo en el campo hidrometalúrgico; en algunos casos no es una alternativa de proceso, sino la única posibilidad de tratamiento viable técnica y económicamente.

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Haciendo un poco de historia, la extracción con disolventes era una técnica de especial aplicación en la química analítica y la industria del petróleo. La segunda guerra mundial produjo un desarrollo importante de esta operación, aplicándola al campo de la hidrometalurgia. El enfoque principal fue la obtención de productos nucleares de alta pureza. Posteriormente se intensifica la investigación y desarrollo en este campo, produciéndose nuevos agentes de extracción, más inmiscibles, más selectivos y con mejores propiedades de extracción, lo que amplió el campo de aplicación a una gran cantidad de metales. Paralelamente se perfeccionaron los equipos de extracción, lo cual produjo una serie de ventajas económicas en las posibles aplicaciones de esta técnica. Sin duda alguna, la extracción con disolventes será en un futuro cercano, una de las técnicas de mayor aplicación en el tratamiento secundario de los procesos hidrometalúrgicos. En el actual estado de desarrollo de la extracción con disolventes para la recuperación de metales, existen cuatro campos principales de aplicación:

a. Recuperación de metales de disoluciones diluidas, especialmente en el caso de líquidos de bajo precio de costo, p.e. efluentes de plantas, aguas de mina, disoluciones de lixiviación en montones, etc. b. Separación de metales de disoluciones concentradas, obtenidas en procesos hidrometalúrgicos de tratamiento de minerales complejos, concentrados, matas y chatarras. c. Purificación de electrolitos que contengan una gran variedad de metales, los cuales se recuperan parcialmente por procesos convencionales. d. Separación y purificación de disoluciones que contengan lantánidos y actínidos.

6.2. Factores que afectan al costo de capital Los principales factores que afectan al costo de inversión de una planta de extracción con disolventes son los siguientes:

a. Número de etapas necesarias y tipo de equipo. Este factor afecta notablemente al valor final de la inversión de la planta; el número de etapas viene determinado por las isotermas de extracción, lavado (si es necesario) y reextracción, y por sus rectas de operación (diagrama de McCabeThiele). Dentro de la selección del tipo de equipo, y teniendo en cuenta el 82

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

aspecto económico, existen otros factores para la selección, que son los siguientes:

Equipo estable y de fácil manejo.

Gran capacidad y escaso riesgo de inundación.

Grado de dispersión óptimo en la zona de mezcla.

Alta eficiencia por piso.

Empleo del menor volumen posible de disolvente.

Bajo consumo energético.

Mínimo espacio de implantación.

Baja altura.

Construcción simple.

Salto de escala fiable a partir de otros datos.

Posibilidad de incorporar pisos adicionales.

Casi todos los factores están a favor del empleo de mezcladores-sedimentadores. Las columnas tienen ventaja solo en cuanto a ocupación de espacio, empleo de menor volumen de disolvente y consumo energético más pequeño.

b. Tamaño del equipo de mezcla. Este factor está íntimamente relacionado con la cinética del proceso. En general, los tiempos de residencia en estos procesos presentan unos valores bastantes bajos, por lo que se pueden utilizar grandes caudales de alimentación a los equipos. c. Necesidades de sedimentación. Este último factor está fundamentado en las velocidades de coalescencia de los disolventes empleados. En base a dichas necesidades se requiere un área de sedimentación mínima y un inventario de fase orgánica en la instalación. 83

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

d. Arrastre de fase orgánica. Este factor afecta a la inversión, en mayor o menor grado, dependiendo de las necesidades de recuperación de fase orgánica (sección de recuperación de disolvente). e. Caudales y relaciones de flujos. Este aspecto afecta desde el punto de vista de tamaño de los equipos. f. Necesidades de obra civil. El tipo y tamaño de los equipos influye notoriamente en las necesidades de obra civil. Sin embargo, dependiendo del área donde vaya a ubicarse la planta, dichas necesidades pueden minimizarse en gran manera. g. Necesidades de equipo auxiliar. Este factor es dependiente del número de etapas que componen el proceso y de la complejidad del esquema de tratamiento. Si se necesitan etapas previas de preparación y ajuste, o de recuperación de disolvente, sin duda implica la existencia de mayor número de bombas, agitadores, tuberías, etc. h. Vertidos de acuerdo con la legislación vigente. Es posible que este aspecto introduzca un aumento de equipo principal y auxiliar con el fin de conseguir un efluente que se encuadre dentro de las normas de vertido en el área de ubicación de la planta. i. Ingeniería de diseño. Este factor tiene un grado de incidencia muy notable, debido principalmente al criterio que se emplea en el diseño de la planta. Dependiendo del tipo de equipo que se emplee, del grado de automatización, de la distribución de los equipos, etc., se pueden obtener variaciones en la inversión de la planta muy importantes. j. Localización de la planta. Este último aspecto también presenta un cierto peso específico en el valor del capital final. La ubicación de la planta en zonas más o menos desarrolladas afecta notablemente al coste de la construcción.

Warner realizó una revisión de costos de distintos procesos de extracción con disolventes existentes en Gran Bretaña, obteniendo unos rangos de magnitud de los costos de capital, reflejados en función de la tonelada de metal procesado (las cifras precisas dependen de la escala de la planta, de la concentración de metal en la eliminación a tratar, del metal recuperado, del grado de complejidad del proceso empleado, y del tipo de 84

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

equipo). El rango obtenido y actualizado oscila entre 65 a 1.560 € por tonelada de metal procesado.

6.3. Factores que afectan a los costos de operación Los factores que afectan a los costos operativos de un proceso de extracción con disolventes se pueden agrupar en los siguientes apartados:

a. Concentración y caudal de la alimentación (lejía). Sin duda es uno de los factores de mayor importancia en el global de los costes operativos. En la figura 25 se puede apreciar el efecto de la concentración de la alimentación en los costes operativos. En todos los casos, el aumento de la concentración en alimentación, a igualdad de caudal, alcanza un valor óptimo a partir del cual aunque aumenten las concentraciones de metales en la lejía no se produce una disminución de costo operativo. El efecto del caudal queda recogido en la figura 26, en la que también se puede ver el efecto de la capacidad de producción en los costes operativos.

Fig. 25.- Influencia de la concentración de alimentación en los costes operativos

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Fig. 26.- Efecto del caudal de alimentación y la capacidad de producción en los costes operativos

b. Preparación de la alimentación (lejía). Existen muchos casos en los que es necesario realizar una preparación y ajuste de la lejía que hay que alimentar a la planta. Entre estos ajustes está la neutralización hasta un determinado pH, la adición de acomplejantes para formar con el metal un compuesto aniónico, la precipitación previa de ciertos metales y su posterior filtración, etc. c. Preequilibración del disolvente. En algunos sistemas el costo de preequilibración es mínimo o puede ser nulo, p.e. en la extracción del uranio de disoluciones en medio sulfato, empleando aminas terciarias, el costo del ácido sulfúrico que se emplea para la preequilibración del disolvente, antes de la extracción, es del orden de 0,10 € por Kg de U3O8 producido. Sin embargo, en el sistema TBP-HNO3 para la recuperación de zirconio, los costos de preequilibración, usando ácido nítrico, son del orden de 2,07 € por Kg de zirconio producido. d. Lavado de fase orgánica. En algunos sistemas es necesario lavar el extracto orgánico de las etapas de extracción (orgánica cargada), con el fin de eliminar elementos coextraidos no deseables. Este es el caso de las etapas de lavado existentes en el segundo ciclo del proceso Zincex, en el que se emplea una disolución con ligera acidez sulfúrica para eliminar de la fase orgánica el calcio coextraido en las etapas de extracción. e. Reextracción de la fase orgánica. Los costes de reextracción varían considerablemente de unos procesos a otros. La elección del medio de reextracción representa a menudo el mayor coste diferencial, siendo la 86

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

definición final del producto a obtener. El agente de reextracción en el sistema TBP-HNO3 es el agua, por lo que el coste es muy bajo. Es el mismo caso que la reextracción del primer ciclo del proceso Zincex. Sin embargo el costo es más alto en el caso de la recuperación de uranio mediante aminas, en el que se emplea una disolución de carbono sódico que puede costar de 0,10 a 0,20 € por Kg de U3O8 producido. En el caso de emplear electrolitos agotados para reextraer, las pérdidas de ácido constituyen otro coste de operación. f. Regeneración de la fase orgánica. En ciertos sistemas, la fase orgánica reextraída mantiene un nivel de contaminación de un determinado elemento que no se elimina del sistema en ninguna de las etapas existentes, tendiendo a crecer a medida que va circulando la fase orgánica. Es el caso del catión férrico en el segundo ciclo del proceso Zincex; dicho catión se extrae parcialmente en las condiciones de operación de la extracción y no se elimina ni en las etapas de lavado ni en la reextracción; para evitar que aumente su concentración en la fase orgánica se trata parte del flujo orgánico con una disolución de ácido clorhídrico. g. Pérdidas de disolvente. Este factor es de gran importancia en todos los procesos de extracción con disolventes. Las pérdidas de disolvente pueden tener cuatro procedencias: -

Pérdidas por solubilidad del agente de extracción.

Pérdidas por degradación debidas a una alta acidez o alcalinidad.

Pérdidas en sólidos que se formen en las etapas.

Pérdidas por arrastre físico del disolvente.

h. Mano de obra y mantenimiento. Este factor debe tener poco peso en el global de los costos operativos. Sin embargo, si el circuito está mal diseñado y se requieren operaciones manuales adicionales, el coste de mano de obra asciende notablemente. i. Energía. Este concepto es totalmente dependiente del tipo de equipo y diseño empleados. j. Tratamiento de efluentes. Si el refinado de la extracción contiene cantidades apreciables del metal a recuperar, además de producir una disminución del rendimiento de recuperación, puede requerir el ser tratado con el fin de que el efluente cumpla la reglamentación de vertidos en el área donde esté instalada la planta. Dicho tratamiento produce un costo adicional de operación. 87

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

6.4. Comparación de costos de varios sistemas En la tabla 4 se pueden ver los costes de producción de distintos sistemas de extracción, para la recuperación de un metal o para la separación de varios metales de una disolución compleja. El caudal considerado en todos los casos es de 24 m3/h. Los datos demuestran las grandes variaciones de costes que se producen de un caso a otro. En general, se ha considerado que una alimentación con mayor concentración de metal produce unos costos operativos menores. Esto es verdad si se comparan los casos 4 y 6, y los casos 2 y 3, sin embargo no parece cierto en los casos 5 y 6. También es verdad que no se está comparando en igualdad de condiciones ya que el caso 6 tiene preparación y ajuste de alimentación (2,59 €/Kg), mientras que el caso 5 no presenta dicho tratamiento; por otra parte el caso 6 tiene un costo de tratamiento de disolvente muy alto (3,22 €/Kg).

TABLA 4.- ESTUDIO COMPARATIVO CASOS METAL

COSTOS DE OPERACIÓN (€/Kg metal)

DATOS ÚTILES

CONCENTRAC. ALIMENTACIÓN (g/l) SISTEMAS ACUOSOS AGENTE EXTRACCIÓN

1 Co-Ni Co-10 Ni-10 H2SO4 pH 5-6 D2EHPA 20 %

RELACIÓN O/A

1/1

TIPO DE EQUIPO

Columnas

PREP. & AJUSTE ALIMENTAC. EQUIPO & INSTALACIÓN (2) TRATAMIENT. DISOLV. LAVADO REEXTRACCIÓN PÉRDIDAS DISOLV. (3) MANO OBRA & MANTENIMIENTO TOTAL COSTOS OPERATIVOS

(1) (2) (3)

0,23 0,49 0,02 0,28 0,10 0,20 1,32

2 Cu

3 Cu

4 T.R. & Y (1)

5 U

Cu-2

Cu-15

Y-0,1

U-2

H2SO4 pH 2

H2SO4 pH 0,5-1,5

H2SO4 pH 1,5-2,0

H2SO4 pH 1,5-2,0 ADOGEN 364 ó LIX 64N KELEX 100 D2EHPA ALAMINE 336 10 % 20 % 3,3 % 5% 1/2 1/1 1/20 1/2,5 Mezclador- Mezclador- Centrifugo + MezcladorSedimentad. Sedimentad. Columnas Sedimentad. 2,90 0,54 0,05 0,10 0,41 0,07 0,23 0,23 4,90 0,18 0,23 0,15 1,14 0,49 0,10 0,18 4,05 0,41 1,10 0,61 13,09 1,56

6 Zr-Hf Zr-95 Hf-1,5 HNO3 7,5 N

7 Hf-Zr Zr-100 Hf-2 HCl-HCNS (1M) (3M)

TBP 50 %

MIBK

3/1

2/1

Columnas

2,59 0,02 3,22 0,64 0,12 0,01 6,60

0,96 0,75 0,46 0,62 0,83 0,62 4,85 9,09

Separación de tierras raras e itrio. 10 años de depreciación lineal. Coste de extractante, diluyente y modificador.

En general, se pueden sacar las siguientes conclusiones:

a. La preparación y ajuste de alimentación presenta un gran peso económico en los sistemas que lo necesitan. b. El coste de amortización de equipo e instalación no pasa en ningún caso de ser el 26 % de los costes totales.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

c. El tratamiento del disolvente de algunos sistemas, representa uno de los costes de mayor peso específico. d. El lavado y la reextracción, a excepción de un caso (el nº 4), no tienen excesiva trascendencia económica. e. Las pérdidas de disolvente es un costo con una transcendencia similar al de amortización de equipo e instalaciones, nunca suele sobrepasar el 31 % del costo operativo total. f. La mano de obra y mantenimiento tiene un peso económico muy variable, ya que en el caso 5 no llega al 0,5 % del costo operativo total y sin embargo en el caso 2 representa más de un 50 %.

La inversión de la planta está íntimamente ligada al tipo de contactor a emplear en el tratamiento. En la tabla 5 se pueden comparar los costes de construcción de una planta que emplee mezcladores-sedimentadores, columnas pulsantes o contactores centrífugos, para procesar uranio con una capacidad de 5 Tm U/día, en el ciclo final de procesamiento de combustibles irradiados. Los costes de inversión están actualizados y el emplazamiento de la planta es en Francia.

TABLA 5.- COMPARACIÓN DE INVERSIONES TIPO INSTALACIÓN →

COSTES CONSTRUCTIVOS (Millones €) Mezcladores Columnas Contactores CONCEPTO ↓ Sedimentadores Pulsantes Centrífugos Equipo de proceso 3,76 4,04 4,99 Obra civil 3,61 3,98 3,05 Tubería 1,46 1,53 1,10 Instrumentación 1,39 1,52 1,27 Electricidad 0,89 0,96 0,69 Protecciones y recubrim. 2,70 1,28 1,97 Ingeniería 0,94 1,01 1,07 TOTAL 14,75 14,32 14,14 TOTAL SIN PROTECCIONES 12,05 13,04 12,17

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

Los mezcladores-sedimentadores son mĂĄs econĂłmicos desde el punto de vista de equipo de proceso. En el caso de la obra civil lo mĂĄs econĂłmico son los contactores centrĂfugos. En tuberĂa, instrumentaciĂłn y electricidad son tambiĂŠn mĂĄs econĂłmicos los contactores centrĂfugos. En cuanto a protecciones y recubrimientos (radioactividad) los mĂĄs econĂłmicos son las columnas pulsantes. En ingenierĂa el coste menor estĂĄ a favor de los mezcladores-sedimentadores. En cuanto al total la instalaciĂłn mĂĄs barata, aunque con escasas diferencias, es la de contactores centrĂfugos. Si se tratara de otro tipo de instalaciĂłn (no radiactiva), y se eliminara en su mayor parte los costes de protecciones y recubrimientos, sin duda la instalaciĂłn mĂĄs barata serĂa la de los mezcladoressedimentadores.

6.5. OptimizaciĂłn de procesos de extracciĂłn con disolventes En una gran mayorĂa de casos la optimizaciĂłn de las plantas de extracciĂłn con disolventes se realiza en pruebas de planta piloto. Los aspectos que reciben mayor atenciĂłn en la investigaciĂłn son la dependencia de la dispersiĂłn y las caracterĂsticas de coalescencia, y sus efectos en la extracciĂłn y en la separaciĂłn de fases. Otras variables que se suelen estudiar son la concentraciĂłn de metal, el pH de equilibrio, la concentraciĂłn salina, la concentraciĂłn del disolvente (extractante, diluyente y modificador) y la temperatura; estas Ăşltimas variables se suelen estudiar con el fin de determinar sus efectos en la transferencia de materia de la extracciĂłn. Aunque muchas de estas variables se pueden probar en planta piloto, algunos circuitos pueden no quedar optimizados hasta la operaciĂłn de la planta industrial. Robinson desarrollĂł un procedimiento de optimizaciĂłn aplicado a la recuperaciĂłn de cobre, con LIX 64N, empleando unos tĂŠrminos suma de costes de operaciĂłn y costes de capital. Los costes de operaciĂłn se obtienen a partir de las pĂŠrdidas de cobre y disolvente:

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donde, A = caudal de alimentaciĂłn acuosa. Cc = precio del cobre.

EXTRACCIĂ&#x201C;N CON DISOLVENTES

Xc = concentraciĂłn de cobre en el refinado. S1 = pĂŠrdidas de disolvente por litro. X1 = concentraciĂłn en volumen de LIX 64N. Cx1 = precio del LIX 64N. Cso1 = precio del diluyente. Los costos de capital dependen del nĂşmero de etapas de extracciĂłn y reextracciĂłn, de la concentraciĂłn de LIX 64 N, del tamaĂąo de las etapas y de la relaciĂłn de flujos. La expresiĂłn que a continuaciĂłn se indica estĂĄ basada en el nĂşmero y tamaĂąo de las etapas y en el inventario de fase orgĂĄnica.

đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x2122; = đ?&#x2018; . đ??ž.

đ??´ . đ?&#x2018;? + đ?&#x2018; . đ?&#x2018;&#x2030;. đ?&#x2018;&#x2039;1 . đ??śđ?&#x2018;Ľ1 + 1 â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2039;1 . đ??śđ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x153;1 đ?&#x2018;&#x2020;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;Ľ

siendo, N = nĂşmero de etapas. Sex = velocidad de sedimentaciĂłn de diseĂąo. V = volumen de fase orgĂĄnica en cada tanque. K = factor que relaciona velocidad de sedimentaciĂłn a costo. b = otro factor de costo. Esta expresiĂłn es aplicable tanto al proceso de extracciĂłn como a los procesos de lavado y reextracciĂłn. Por tanto, el coste total (T) viene dado por la expresiĂłn:

đ?&#x2018;&#x2021; = đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x2019; . + đ?&#x2018;&#x2026;. đ??śđ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;? .

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

siendo, R = factor de amortización del capital. En la figura 27 se muestra el efecto de la variación de la concentración de LIX 64N en la fase orgánica, resultando un óptimo de concentración del 14 %. El uso de una concentración del 10 % incurre en el mínimo costo. En la misma figura 27 se puede ver el efecto de la variación de relación de fases, donde el óptimo es 1.

Fig. 27.- Influencia de la concentración de LIX 64N y relación de fases en los costes

Aunque parece deseable el uso de una concentración de disolvente lo más alta posible, esto en la realidad es prácticamente imposible. Por otra parte, la relación de carga de la fase orgánica con respecto a la concentración del extractante no es lineal. Además, en algunos sistemas, el aumento de la concentración del disolvente incrementa las pérdidas por arrastre en fase acuosa, al aumentar la viscosidad de la fase orgánica (incluso a temperaturas elevadas). Por último, cuando aumenta la viscosidad de la fase orgánica, una agitación excesiva puede producir emulsiones estables, que hacen al proceso inoperable. Por tanto hay que llegar a un compromiso entre una concentración de disolvente razonable y una buena operación con el equipo que se ha seleccionado. El número óptimo de etapas de extracción es función de la concentración del agente de extracción, de la relación de flujos, del valor del metal que queda sin extraer en el refinado y del pH; el interés del capital invertido es otro factor a tener en cuenta.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Otras variables que pueden afectar a las eficacias de extracción y por tanto a los costos son: la viscosidad de la fase orgánica en función del diluyente empleado, el efecto de la velocidad de agitación en las etapas de extracción y reextracción, y el efecto de la continuidad de la fase orgánica. Por último, las necesidades de mano de obra pueden variar notablemente de una planta a otra. Esta variación se puede atribuir a un pobre o impropio sistema de automatización. Normalmente se requieren uno a tres hombres por turno para operar una planta de extracción con disolventes, adecuadamente diseñada y automatizada.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

7. APLICACIÓN DE LA EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES 7.1. Aplicación a la separación y recuperación de metales El mayor empleo de la extracción con disolventes en la hidrometalurgia ha sido en el tratamiento, separación y purificación de los materiales de interés nuclear. Operaciones hidrometalúrgicas con extracción por disolventes de gran interés son las referentes a:

a. Uranio, hay varias fábricas que lo recuperan por extracción a partir de líquidos diluidos utilizando aminas o ácidos alquilfosfóricos. b. Vanadio, tiene una trayectoria semejante a la del uranio. c. Molibdeno, extraído con aminas en circuitos de uranio. d. Torio, además de la recuperación y separación de soluciones ricas obtenidas a partir de concentrados, se recupera de los líquidos estériles de algunas fábricas de uranio. e. Tierras raras y escandio, a partir de soluciones nítricas y clorhídricas utilizando TBP y D2EHPA. f. Cobre, mediante oxinas, ácidos nafténicos o α-halogenados. Es uno de los metales que más interés está ofreciendo. Y aparte de los ensayos piloto, existen varias experiencias a nivel industrial. g. Cinc, con TBP o D2EHPA para separación del cadmio, cobre, cobalto, níquel, cloro, flúor, etc., y tener soluciones puras de este metal. h. Cobre-níquel-cobalto, mediante aminas terciarias, sales de amonio cuaternario, jabones grasos, sulfonatos o TBP. i. Niobio-Tántalo, con metilisobutil acetona, TBP o metil. j. Zirconio-hafnio, con TBP, aminas terciarias o metilisobutil cetona. k. Berilio, a partir de minerales pobres, utilizando fosfatos orgánicos o metilisobutil cetona.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

l. Wolframio, a partir de concentrados de wolframita, con sales de amonio cuaternario. m. Renio, a partir de concentrados de molibdenita con sales de amonio cuaternario. n. Cesio, a partir de pollucita con el 4-sec-butil-2 (-metil-bencil) fenol. o. Boro, a partir de salmueras de baja ley, con polialcoholes aromáticos o alifáticos disueltos en queroseno, esta última aplicación es digna de notar, pues se refiere a un producto final tan barato como el ácido bórico.

Por ser el cobre un metal básico de gran importancia, cuya recuperación por extracción con disolventes orgánicos está muy desarrollada, vamos a ampliar más su estudio en el siguiente apartado.

7.2. Aplicación a la recuperación y purificación del cobre La recuperación del cobre por extracción con disolventes ha constituido un notable avance en las aplicaciones de esta técnica a la Hidrometalurgia y ha sido, después de la recuperación del uranio, donde mayores realizaciones se han conseguido. Actualmente, existen varias plantas industriales de recuperación de cobre, que utilizan la extracción con disolventes de soluciones de lixiviación en montón o lixiviación estática, seguido de electrolisis para la recuperación del metal. Este método va sustituyendo progresivamente a la cementación del cobre por chatarras y fusión posterior. Debido al bajo coste de operación, el sistema de lixiviación en montón puede competir como alternativa con el clásico proceso de flotación, que hace necesaria una molienda previa muy fina, además del uso que puede darse a minerales oxidados que no se pueden flotar. El complemento de la lixiviación en montón es la extracción por disolventes, que también se caracteriza por el bajo coste de la operación. Una de las causas fundamentales que han contribuido a este avance ha sido la introducción del grupo de reactivos denominados LIX, manufacturados por General Mills, y que presentan la característica de extraer selectivamente el cobre frente a otros metales, principalmente el hierro en su forma férrica, y permiten concentrar el cobre de las soluciones diluidas de lixiviación hasta un valor que, después de la reextracción, produce un electrolito apto para efectuar la electrolisis del cobre directamente. En la figura 28, se representa esquemáticamente un circuito de extracción por disolventes y electrolisis del cobre aplicado a un proceso de lixiviación en montón de minerales y supone la existencia de circuitos cerrados en tres ciclos que permiten la recuperación de reactivos. 95

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Aportación de H2SO4

Mineral Solución de lixiviación

Lixiviación en montón

Solución diluida de H2SO4

Fase Orgánica cargada

Extracción

Electrolito cargado

Reextracción

Fase Orgánica reextraida

Electrolisis

Electrolito agotado

Cobre electrolítico

Fig. 28.- Recuperación del cobre mostrando los ciclos de lixiviación en montón, extracción con disolventes y electrólisis, que operan en circuito cerrado

El cobre se extrae con la mayor parte de los reactivos usados para extraer otros metales, los cuales presentan el inconveniente de su falta de selectividad, siendo además imposible aplicarlos a las soluciones de lixiviación de minerales de cobre que tienen un pH más ácido que el requerido para la extracción. En cambio, los reactivos derivados de las oximas son específicos para el cobre y lo extraen en soluciones ácidas. Existen varios de estos reactivos, conocidos por el nombre comercial de reactivos LIX, habiendo sido el primero de ellos el LIX 63, que es una α-hidroxioxima alifática y aunque extrae el cobre, su selectividad no es todavía muy grande y su rango de aplicación queda limitado a soluciones con un pH poco ácido. Posteriormente se introdujeron otros reactivos derivados de una β-hidroxibenzofenonaoxima, que mejora el pH de extracción y la selectividad de extracción del cobre frente al hierro. Estos reactivos son el LIX 64, LIX 65N y LIX 64N, siendo el último el mismo LIX 65N adicionando una pequeña proporción del LIX 63 (1-2 %), que favorece la cinética de extracción y es también el LIX 64N el agente de extracción que más se utilizó. Posteriormente se han propuesto otros reactivos de esta serie, como el LIX 70, el LIX 71 y el LIX 73, cuyas estructuras se dan en la tabla 6. La figura 29 muestra una comparación del comportamiento de estos reactivos.

Fig. 29.- Extracción del cobre por diversos agentes de extracción: LIX 63, LIX 64, LIX 64N, LIX 70 y Kelex 100 en xileno.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

TABLA 6.- Reactivos de extracción del cobre

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

En 1977 Henkel KGaA compra General Mills y en 1999 anuncia una nueva compañía independiente “Cognis”, desarrollando a lo largo de este tiempo las series LIX 600 sobre la base de aldoximas, la LIX 860 basados en mezclas de reactivos aldoxima y ketoxima (evitan el uso de modificadores) y en 1994 introduce su línea de reactivos de mayor éxito, la LIX Serie 900. Existen otras compañías que han propuesto otros reactivos parecidos para la extracción del cobre. Una de estas compañías es la Ashland Chemical Co., que han introducido los reactivos conocidos con el nombre de Kelex, cuya base es una 8hidroxiquinolina. Se conocen dos de estos reactivos con los nombres de Kelex 100 y Kelex 120, cuyas propiedades y aplicaciones son análogas a las de los reactivos LIX. El reactivo Kelex 120 es realmente el Kelex 100 diluido en nonilfenol, que actúa como inhibidor en la formación de una tercera fase. Según se ha publicado, los reactivos Kelex compiten favorablemente con los LIX y aún les mejoran en la recuperación de cobre de soluciones con contenidos altos en cobre. Se han propuesto aún algunos otros reactivos con propiedades comparables a los anteriores. La Shell Chemicals Co., ha propuesto el reactivo SME-529 y también se ha propuesto otro reactivo llamado Acorga P-50 y posteriormente otros que llevan las denominaciones P-5100 y P-5300. Sus estructuras también se muestran en la tabla 6. Los modernos reactivos extractantes de cobre son predominantemente hidroxioximas, las que funcionan como agentes quelantes de los cationes de cobre de la solución, formando un compuesto de cobre orgánico soluble en parafina. Tienen una amplia utilización en la extracción de cobre desde soluciones de lixiviación con ácido sulfúrico. Este tipo de extractantes realiza una quelación, es decir forman estructura de anillos que envuelven a la molécula de extractante como una ligazón selectiva para el ión metálico, dejando los restantes cationes en solución. Por tanto, los extractantes tipo quelantes son capaces de formar un compuesto orgánico con el metal de interés. Corresponden a esta clase los siguientes reactivos: LIX, ZENECA, ACORGA M5640, SME de Shell Chemicals y MOC, en el último tiempo. De la reacción de extracción-reextracción con este tipo de extractantes, puede deducirse que se produce un intercambio de iones en los que la molécula extractora orgánica entrega dos protones a cambio de un catión de cobre. Así, la reacción de extracción genera ácido, por lo que el refino queda lo suficientemente ácido para ser devuelto a la etapa de lixiviación.

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

En la tabla 7, se presenta una lista de los reactivos que actualmente están en uso industrial

TABLA 7

La cinética de extracción de estos reactivos es más lenta que la de las aminas o la de los ácidos alquilfosfóricos. Son necesarios 2 ó 3 minutos para realizarse. Existe una diferencia de cinética entre el cobre y el hierro (III) con estos reactivos, que es la base de su selectividad para el cobre, el cual se extrae más rápidamente que el hierro, como se muestra en la figura 30. Con un tiempo de contacto de unos dos minutos en un proceso en contracorriente existe muy poca contaminación por hierro. Sin embargo, si se deja al hierro suficiente tiempo para alcanzar el equilibrio, las cantidades extraídas serían mucho mayores.

Fig. 30.- Extracción del cobre y del hierro (III) por Kelex 100: ensayo cinético – Fase orgánica: 10 % de Kelex 100 en Shell Sol R/isodecanol. Fase acuosa: Sulfato de cobre o alumbre férrico conteniendo 2 g/l de metal

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

7.2.1. Aplicaciones industriales Normalmente los reactivos mencionados, LIX o análogos, se aplican a soluciones de lixiviación con ácido sulfúrico de minerales oxidados pobres de cobre, existiendo construidas varias plantas industriales que procesan el cobre de esta forma. Las primeras plantas comerciales que utilizaron los reactivos LIX fueron las de Ranchers Bluebird Mine (1968) y Bagdad Copper Mine, ambas en Arizona (EE.UU), que utilizaron el LIX 64N. En la década de los 70 se construyó una planta mayor en Zambia (Nchanga Consolidated Corporation, 1974), que también utilizaba el LIX 64N, aunque en uno de sus circuitos se ha usado el agente SME 529. Se utilizan distintos diluyentes para el reactivo LIX 64N, entre ellos Napoleum 470, Escaid 100, Cnevron Diluent, etc., todos ellos son mezclas de hidrocarburos, siendo los equipos utilizados en estas plantas baterías de mezcladores decantadores. En estas plantas se utiliza el sistema de lixiviación en montón, en el que grandes tonelajes de minerales pobres se dejan durante cierto tiempo a la acción de soluciones muy diluidas de ácido sulfúrico, que percolan a través de montones de mineral y se colecta en el fondo el líquido de lixiviación. El tiempo de lixiviación es de varios días y, por ejemplo, en la planta de Ranchers Bluebird, antes citada, la duración de la lixiviación es de quince días. El líquido fértil se recoge en tanques de donde se filtra a través de lechos de tierra de diatomeas para eliminar los sólidos en suspensión. La concentración del cobre suele ser de unos 2 a 3 g/l. Esta solución a unos 25 ºC se trata por extracción con disolventes a una relación de caudales aproximada Vor/Vaq = 1/2,5 en la alimentación, siendo el disolvente utilizado en sus primeros años el LIX 64N, aproximadamente al 9,5 % en Napoleum 470, en una batería de tres mezcladores decantadores para la etapa de extracción y de dos para la de reextracción. Esta última se realiza por ácido sulfúrico procedente del electrolito agotado de la electrolisis del cobre (aproximadamente 140 g/l de H2SO4 y 30 g/l de Cu). La relación de caudales es Vor/Vaq = 1/4. La solución reextraída de cobre, de 34 g/l, pasa a través de unas células de flotación, que utiliza Dowfroth 250, para separar el disolvente arrastrado, que se recicla luego y el electrolito se envía a la fase de electrolisis del cobre. El refinado de la extracción contiene aproximadamente 0,4 g/l de Cu. La figura 31 muestra el diagrama de flujo de esta planta. La planta de Bagdad usa un proceso similar al descrito, utilizando una solución de alimentación con 1,5 g/l de Cu y 4 etapas de extracción con LIX 64N en Napoleum 470, se reextrae en tres etapas, originando un electrolito con 50 g/l de cobre. El capital invertido fue de cinco millones de dólares y se dice que fue amortizado en un solo año de operación. El coste de operación final es de 40 centavos/libra de cobre producido, de los cuales sólo 15 cents/lb corresponden a los gastos de extracción con disolventes. La mayor planta de la década de los 70 es la Nchanga Consolidated Copper Mines en Zambia, construida por Davy Powergas, cuya capacidad fue diez veces mayor que la de Bagdad Copper Mines. La solución de alimentación tiene 2-3 g/l de Cu y tiene 100

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

tres etapas de extracción utilizando LIX 64N al 20 % en Escaid 100. La reextracción se verifica en dos etapas utilizando electrolito gastado (180 g/l de H2SO4 y 30 g/l de Cu) y se obtiene un electrolito de 50 g/l de Cu. El proceso se realiza en cuatro circuitos en paralelo y la capacidad de la planta en sus inicios fue de 60.000 t/año de cobre electrolítico. En uno de estos cuatro circuitos se utilizó el reactivo SME 529 de la Shell.

Fig. 31.- Diagrama de la planta de Ranchers Bluebird Solución de lixiviación A lixiviación Tanque de almacenamiento Filtro Tanque Tanque de 100.000 gal.

Bombas

Tanque de alimentación de ácido

Cambiador de calor

Mezclador M5

REEXTRACCIÓN Orgánica

EXTRACCIÓN

Refinado Electrolito agotado

Tanque de 50.000 gal.

Flotación

Celdas de electrolisis

Electrolito cargado

101

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Otra de las grandes plantas de recuperación de cobre por extracción con disolventes es la de Anamax Co., también en Arizona (EE. UU), que fue construida inicialmente para una producción de 30.000 toneladas/año de cobre. Se usa una solución entre 2 y 3 g/l de cobre, con cuatro etapas de extracción y dos de reextracción en dos circuitos paralelos, siendo el disolvente empleado en sus comienzos el LIX 64N al 12-14 % en Chevron Diluent, que contiene un 15 % de aromáticos. El refinado deja 0,4 g/l de cobre. En la tabla 8 se presentan algunas plantas de extracción por solventes de cobre y en la tabla 9 las plantas de cobre Chilenas.

Tabla 8. Plantas de extracción por solventes de cobre fuera de Chile Compañía

Ranchers Bluebird

Localización

Produc. Tpo Cu

Características

Extractante

(Mineral+lixiv)

Arizona, U.S.A

18-19

Ox.Cu, H2SO4

Lix 64 N

Bagdad Copper Mine Arizona, U.S.A

18-19

Ox.Cu, H2SO4

Lix 64 N

Cyprus Mine

13-14

Ox.Cu, H2SO4

Lix 64 N

182

Ox.Cu, H2SO4

Lix 64 N/SME 529

Nchanga ConsolidatZambia ed

Ox.Cu, H2SO4

Lix 64 N

Minero Perú

Cerro Verde, Perú

Ox.Cu, H2SO4

Lix 64 N

Duval Corp.

Nevada, U.S.A

140

Ox.Cu, H2SO4

Lix 64 N

Soc. Min. Tenke

Zaire

250

Ox.Cu, H2SO4

Lix 64 N

Arizona, U.S.A

Nchanga Consolidat- Zambia ed

Fungamare

102

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Anaconda

Nevada, U.S.A

Sulfuros Cu,

Lix 65 N

Amoniacal Anamax

Arizona, U.S.A

Ox.Cu, H2SO4

Lix 64 N

SEC Corp.El paso

Texas, U.S.A

18-20

Eletrólitos agota-

Lix 64 N

dos (Cu, Ni, H+) Cities Service

Arizona, U.S.A

13-14

Aguas de mina

Lix 64 N

Capital Wire & Cable Arizona, U.S.A

13-14

Cobre secundário Lix 64 N

Sulfatos Cu, Ni

Johnson Mathay Mathey Refiners

Londres, G Bretaña

Lix 64 N Acorga P-5100

Rustenberg,

103

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Tabla 9. Plantas Chilenas

104

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Tabla 9. Plantas Chilenas. Continuación…

105

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Tabla 9.- Plantas Chilenas. Continuación…

106

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Tabla 9. Plantas Chilenas. Continuación

107

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

La construcción de esas plantas es una indicación de que el proceso es rentable y se puede decir que, en general, el proceso de extracción con disolventes y electrolisis del cobre (SX-EW) va desplazando al clásico de cementación y fusión para la recuperación del cobre. Al considera la construcción de la planta de Nchanga se hicieron estudios económicos de la viabilidad del proceso de extracción con disolventes frente a otros procesos, entre ellos el de cementación y cuyos resultados han sido publicados. Entre las conclusiones que se han alcanzado se indica que los gastos de operación estimados para el caso de la extracción con disolventes son tan sólo el 55 % de los estimados para la cementación, ya que se consigue un gran ahorro en el consumo de reactivos al reciclar el disolvente, con sólo unas pérdidas mínimas, mientras que en el proceso de cementación existe un gran consumo de chatarra de hierro, y en cuanto al consumo de ácido también es inferior en un 30 %. Sin embargo la inversión necesaria es inferior en un 20 % para el proceso de cementación. En la tabla 10 se muestra una indicación comparativa de estos datos. TABLA 10 Comparación entre los procesos de extracción con disolventes y cementación

Proceso (1)

SX-EW Cementación(1) SX-EW(2) Cementación(2)

Gastos de operación

Inversión

12,30 cents($)/lb Cu refinado 22,65 cents($)/lb Cu refinado 53,15 cents($)/lb Cu refinado 97,89 cents($)/lb Cu refinado

48,070 x 106 $ 39,371 x 106 $ 207,755 x 106 $ 170,159 x 106 $

(1) Precios estimados y referidos al año 1971 y para una planta de producción de 4.500 t Cu/mes a partir de minerales pobres. (2) Precios estimados y referidos al año 2009 y para una planta de producción de 4.500 t Cu/mes a partir de minerales pobres.

En la tabla 11 se presentan una serie de gráficos y tablas en las que se observa la producción total de Cu y la parte correspondiente a la producción mundial obtenida por medio del proceso SX-EW. TABLA 11

108

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Hoy en día alrededor del 25% de cobre del mundo se recupera mediante la extracción por solvente y la extracción por solvente se considera la ruta de más bajos costos de operación para la producción de cátodo de calidad. 109

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

El alcance de la extracción por solvente de cobre sólo está limitado por la disponibilidad de mineral lixiviable en ácido y no es de extrañar que una considerable atención esté dirigida hacia el desarrollo de adecuadas técnicas de lixiviación de calcopirita, el más numeroso de todos los minerales de cobre. Existen además otros procesos en los que se aplica la extracción con disolventes a las soluciones de lixiviación, en medios distintos al ácido sulfúrico. Así en el proceso Minimet se lixivian minerales del tipo calcopirita, calcocita y covelita, utilizando como lixiviante el cloruro cúprico a pH ≈ 1, formándose cloruro cuproso, cloruro ferroso y azufre elemental durante la lixiviación. Esta solución se divide en dos partes, una en la que se precipita y se elimina el hierro como goetita, reciclándose la solución de cloruro cúprico, y otra parte que se trata por extracción con disolventes con el reactivo LIX 65N al 30 % en Escaid 100 en una sola etapa a 50 ºC, con tiempos de residencia de 10 a 15 minutos y concentraciones altas en cobre. El cobre se extrae como ión cúprico, oxidándose el ión cuproso durante la extracción por inyección de aire y separándose del hierro, que queda como ión ferroso en el refinado. Este se recicla para aprovechar el ión cúprico sin extraer y se vuelve a utilizar en la lixiviación, no existiendo por tanto prácticamente consumo de reactivos. Para evitar la acumulación de otros metales se hace un drenaje del refinado, en el que se retira una parte del mismo y donde se eliminan Zn, Pb, Cu y Ag. En la figura 32 se presenta un diagrama de flujo de este proceso.

Fig. 32.- Diagrama de flujo del proceso Minimet CuS mineral ó concentrado

CuCl2

CuCl2 FeCl2 NaCl Aire

CuCl2

Lixiviación Ganga + S

Aire

Precipitación de goetita

Extracción con disolvente del Cu

FeOOH

Drenaje

Recuperación de otros metales

Zn, Pb, Cu, Metales preciosos

Reextracción del Cu

Electrolisis del Cu

Cu electrolítico

110

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

Si la extracción con disolventes del cobre se aplica a sistemas en medios ligeramente alcalinos con mezclas amoniacales, la cinética es mucho más rápida y puede alcanzarse el 95 % de la extracción en sólo 5 segundos. En el proceso Anaconda Arbiter se utiliza el LIX 65N y se aplica en una planta con una capacidad inicial de producción de 100 t/día de cobre electrolítico. Se realiza una lixiviación en medio amoniacal con inyección de oxígeno a baja presión y técnicas especiales de agitación. Después de extraer el cobre con el LIX 65N se recupera el amoniaco del refino con caliza y destilando con corriente de vapor. En la figura 33 se muestra un diagrama de esta planta.

Fig. 33.- Diagrama de flujo del proceso Anaconda Arbiter O2 Concentrado de Cu

Caliza NH3

NH3

Lixiviación amoniacal

Recuperación NH3

SO4Ca (desechado)

Refinado

H2 O

Lavado y Filtración

Solución de Cu

Vapor

Extracción del Cu Fase orgánica

Residuo (desechado ó tratamiento por flotación de residuos)

Reextracción Cu

Electrolito ácido

Electrolisis del Cu

Cu metálico

111

EXTRACCIÓN CON DISOLVENTES

En la planta de Capital Wire para la recuperación del cobre de chatarra de latón, radiadores de coches, cobre de cementación, etc., se utiliza también la lixiviación amoniacal y la solución obtenida de unos 30 g/l de cobre se diluye con el propio refinado de la extracción del cobre, a un valor aproximado de 15 g/l. Se usa LIX 64N, que en dos etapas extrae totalmente el cobre y también en dos etapas se reextrae con el electrolito agotado, seguido de electrolisis del cobre.

“Con la viabilidad ya probada industrialmente para diversos materiales primarios y secundarios, el proceso de extracción con disolventes se presenta como una vía alternativa en la hidrometalurgia para la obtención de gran cantidad de metales y ser aplicado de una forma rentable, eficiente y respetuoso con el medioambiente, logrando productos de alta calidad y subproductos reciclables con ausencia de los principales tóxicos y peligrosos de los residuos.”

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