Optimización de Procesos Hidrometalúrgicos: Lixiviación y Extracción por Solvente

Proceso de Lixiviación de Metales

El proceso de lixiviación de metales es un proceso no selectivo que genera una amplia carga de impurezas, por lo que se deben purificar y concentrar las soluciones.

Procesos Hidrometalúrgicos

Los procesos hidrometalúrgicos son aquellos que extraen elementos metálicos disolviéndolos desde el mineral o concentrados (fase sólida) mediante el empleo de una fase líquida, para recuperarlos reduciéndolos a su estado metálico.

Lixiviación

La lixiviación consiste en disolver cobre (Cu) desde materiales donde forma parte constituyente (mineral, concentrado y otras fuentes), obteniéndose una solución acuosa (PLS).

Impacto de Impurezas en EW (Electroobtención)

• El hierro (alto costo de energía) reduce la eficiencia de corriente, aumenta el consumo de energía y provoca reoxidación por oxígeno.
• Los cloruros (alto costo por oxidación) son altamente corrosivos, afectando las planchas madre de acero inoxidable y los materiales de planta.
• El manganeso (alto costo por corrosión de ánodos de plomo) es un contaminante asociado a altos potenciales redox.
• El cobre (baja concentración) resultará en un Cu muy rugoso con alta probabilidad de contaminación por azufre.

Extracción por Solvente

1. Separar y purificar: Uno o más metales del PLS, altamente impuro, extrayendo el/los metales deseados, o extrayendo impurezas dejando metales de interés.
2. Concentración: De los metales disueltos con el objetivo de disminuir los volúmenes a procesar y así hacer viable el proceso siguiente (EW).
3. Cambio de medio: Transferencia de metales disueltos, desde una solución acuosa a otra acuosa diferente.

Conceptos Clave en Extracción por Solvente

Solución Rica (PLS): Solución rica en cobre proveniente de lixiviación, que contiene otros elementos contaminantes.

Refino: Solución pobre en cobre saliente de la planta de SX, de mayor acidez que el PLS.

Orgánico Cargado: Mezcla de extractante y diluyente, con alto contenido de Cu.

Orgánico Descargado: Lo mismo pero con bajo contenido de Cu.

Electrolito Rico: Solución rica en Cu y ácido sulfúrico.

Electrolito Pobre: Lo contrario al electrolito rico.

Agua de Lavado: Solución de 6 a 10 g/L de ácido de concentración.

Etapas del Proceso

Extracción

El extractante de fase orgánica es un componente químicamente activo que extrae el cobre (Cu²⁺) de la solución rica de lixiviación (PLS) mediante la reacción: 2RH(Orgánico Descargado) + Cu2+ (PLS bajo contenido de ácido) → R2Cu(Orgánico Cargado) + 2H+(Refino).

Reextracción

La reextracción se produce mediante la reacción: R2Cu (Orgánico Cargado) + 2H+ (Electrolito Pobre, alto contenido de ácido) → 2RH(Orgánico Descargado) + Cu2+(Electrolito Rico).

Miscibilidad

Propiedad de algunos líquidos para mezclarse en cualquier proporción, formando una mezcla.

Razón de Distribución

La extracción se mide por esta razón (D), que es la relación entre las concentraciones de equilibrio de la fase orgánica y la fase acuosa. Cuanto mayor sea D, más eficiente será la transferencia. Para la reextracción, la relación se invierte, ya que la fase receptora es la fase acuosa. Al graficar la razón de extracción vs. pH, se observa que al variar el pH, la razón aumenta, produciendo un punto de inflexión al alcanzar un valor de D=1, donde el 50% del metal se encuentra en cada fase (pH50). A pH > pH50 se produce extracción; a pH < pH50 se produce descarga.

Diagrama de McCabe

El Diagrama de McCabe proporciona parámetros clave en el diseño de la extracción por solvente (SX):

• Número de etapas.
• Concentraciones de las soluciones resultantes.
• Eficiencia por etapa y recuperación global de la especie valiosa.
• Carga máxima del reactivo orgánico.

Isoterma de Extracción

Para un determinado porcentaje de extractante, la isoterma de extracción define la capacidad que tiene un orgánico para extraer el Cu en una planta de SX, por cada razón O/A. Se utiliza para evaluar cuán eficiente está operando el proceso de SX o cómo podría operar bajo diferentes condiciones.

Isoterma de Reextracción

Para un determinado porcentaje de extractante, la isoterma de reextracción define la capacidad que tiene un orgánico para reextraer el Cu en una planta de SX, por cada razón O/A.

Selectividad Cu/Fe

La selectividad Cu/Fe es importante debido a los costos asociados a la electroobtención (EW) por la presencia de hierro (Fe) en los electrolitos.

Costos Asociados a la Presencia de Hierro

• Consumo de energía.
• Purga.
• Pérdidas de sulfato de cobalto (Co).
• Pérdida de reactivos catódicos.
• Pérdidas de ácido y Cu.
• Mayores consumos de extractante y diluyentes.
• Mayores consumos de agua tratada.

Factores que Influyen en la Selectividad

• Concentración de Fe.
• pH del PLS.
• Tipos de extractante.
• Balance de planta (Cu en PLS, % de extractante, O/A, y todo lo que aumente la eficiencia de extracción).

Eficiencia de Acercamiento al Equilibrio (EAE)

La eficiencia de acercamiento al equilibrio (EAE) por etapa proporciona una indicación sobre la forma en que se están mezclando las soluciones y su acercamiento al equilibrio. La ventaja de monitorear la EAE es poder actuar a tiempo y mitigar los efectos de condiciones operacionales adversas como el descenso de temperatura (T°), el nivel de agitación, el aumento de impurezas, etc. Si se puede actuar sobre ellas e incrementar la EAE, se mantendrá la meta de producción, se lograrán menores costos por consumo de extractante y una menor contaminación del electrolito.