procesamiento de minerales“n es la disolución preferente de uno o más componentes de una mezcla...
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LIXIVIACIÓN
Es la disolución preferente de uno o más componentes de una mezcla sólida por contacto con un disolvente líquido.
Es la eliminación de una fracción soluble, en forma de solución, a partir de una fase sólida permeable e insoluble a la cual está asociada.
EXTRACCIÓN SÓLIDO - LÍQUIDO
Se le llama también:
Lixiviación.
Lavado.
Percolación
Infusión.
Decantación por sedimentación
LIXIVIACIÓN La separación implica
la disolución selectiva del soluto por un líquido con el que es miscible.
El constituyente soluble puede ser sólido y estar incorporado, combinado químicamente o adsorbido o bien mantenido mecánicamente en la estructura porosa del material insoluble.
APLICACIONES DE LA LIXIVIACIÓN
Producción de aceites vegetales a partir de semillas de algodón y otros.
Producción de productos farmaceúticos.
Producción de azúcar a partir de la remolacha.
APLICACIONES DE LA LIXIVIACIÓN
Producción de sabores y esencias a partir de raíces y hojas de plantas.
Lixiviación de oro a partir de sus minerales.
Lixiviación de cobre a partir de sus minerales con ácido sulfúrico.
MATERIALES ANIMALES Y VEGETALES
Los materiales biológicos tienen estructura celular y los constituyentes solubles suelen estar dentro de las células.
Es poco práctico moler los materiales biológicos a tamaños pequeños para lixiviarlos.
MATERIALES INORGÁNICOS Y ORGÁNICOS
Los metales útiles suelen encontrarse en mezclas con grandes cantidades de constituyentes indeseables y la lixiviación permite extraerlos en forma de sales solubles.
Los minerales de cobre se lixivian con soluciones de ácido sulfúrico.
MÉTODO DE PREPARACIÓN
Depende de:
Alto grado de la proporción del constituyente soluble presente.
Su distribución en el material sólido original.
La naturaleza del sólido, que puede estar constituido por células vegetales o el material soluble está totalmente rodeado por una matriz de materia insoluble.
Del tamaño de partícula original.
PREPARACIÓN DE MATERIALES INORGÁNICOS Y ORGÁNICOS
Sobre todo en el caso de minerales se procede a una trituración y molienda previa para aumentar la velocidad de lixiviación, ya que los solutos quedan más accesibles a la acción del disolvente.
PREPARACIÓN DE MATERIALES BIOLÓGICOS
Para hojas, tallos y raíces son secados previamente lo cual ayuda a romper las paredes celulares.
El disolvente ataca directamente al soluto.
ETAPAS DE LIXIVIACIÓN
1)Transferencia del solvente de la solución a la superficie del sólido.
2)Difusión del solvente en los poros del sólido.
3)Disolución del soluto en el disolvente.
4)Difusión del soluto a la superficie de la partícula.
5)Transferencia del soluto fuera de la superficie de la partícula.
REACTIVO LIXIVIANTE
SOLUCION
LIXIVIADA
SOLUTO IMPORTANTE
1
2
3 4 5
MECANISMO
Cualquiera de las cinco etapas puede ser responsable de limitar la velocidad de extracción.
Suelen ser rápidas la transferencia de solvente a la partícula y la disolución del soluto en el disolvente.
REACTIVO LIXIVIANTE
SOLUCION
LIXIVIADA
SOLUTO IMPORTANTE
1
2
3 4 5
MECANISMO
REACTIVO LIXIVIANTE
SOLUCION
LIXIVIADA
SOLUTO IMPORTANTE
1
2
3 4 5
La velocidad de difusión del soluto a través del sólido y la del disolvente hasta la superficie del sólido suelen ser la resistencia que controla el proceso global de la lixiviación.
MECANISMO
El proceso de extracción se subdivide en dos categorías de acuerdo al mecanismo responsable por la etapa de disolución:
1) Aquellas operaciones que ocurren debido a la solubilidad del soluto con el solvente. En este caso la velocidad de extracción es controlada por el fenómeno de difusión. Ej: extracción del azúcar de la remolacha.
SOLUTO IMPORTANTE
PARTÍCULA SÓLIDA
POROS
MECANISMO
2) Extracciones donde el solvente reacciona con un constituyente del material sólido para producir un compuesto soluble en el solvente. En este caso la cinética de la reacción que produce el soluto juega un papel preponderante. Ej. Extracción de metales.
SOLUTO IMPORTANTE
PARTÍCULA SÓLIDA
POROS
VELOCIDAD DE LIXIVIACIÓN
Si el sólido está constituido por una estructura inerte porosa, con el soluto y el disolvente localizados en los poros del sólido, la difusión a través del sólido poroso se puede describir como una difusividad efectiva.
SOLUTO IMPORTANTE
PARTÍCULA SÓLIDA
POROS O INTERSTICIOS
TRANSFERENCIA DE MASA
Las velocidades de extracción para partículas individuales son díficiles de aseverar debido a la imposibilidad de definir las formas de los poros o canales a través de los cuales ocurre la transferencia de masa.
Sin embargo la naturaleza del proceso difusional en un sólido poroso puede ser ilustrada por considerar la difusión del soluto a través de un poro.
REACTIVO LIXIVIANTE
SOLUCION
LIXIVIADA
SOLUTO IMPORTANTE
1
2
3 4 5
RAPIDEZ DE LIXIVIACIÓN
Cuando un material se disuelve de un sólido a la solución de disolvente la velocidad de transferencia de masa desde la superficie sólida al líquido suele ser el factor que controla el proceso.
En esencia no hay resistencia en la fase sólida por lo que se puede obtener la siguiente ecuación:
AASLA cck
A
N
RAPIDEZ DE LIXIVIACIÓN
NA son los kmoles de A que se disuelven en la solución por segundo.
A es el área superficial de las partículas en m2.
Donde kL es el coeficiente de transferencia de masa en m/s.
cAS es la concentración de saturación del soluto A en la solución.
cA es la concentración de A en la solución en el tiempo t
AASLA cck
A
N
RAPIDEZ DE LIXIVIACIÓN
AASLAA ccAkN
dt
Vdc
tV
Ak
AoAS
AASL
ecc
cc
Por balance de materia igualamos la rapidez de acumulación con la velocidad de transferencia de masa:
Se integra y se tiene la siguiente ecuación:
La solución tiende de manera exponencial a condiciones de saturación.
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE LIXIVIACIÓN
Tamaño de partícula
Solvente.
Temperatura.
Agitación
TAMAÑO DE PARTÍCULA
Cuando más pequeño sea el tamaño de partícula, mayor es el área interfasial entre el sólido y el solvente y por lo tanto más alta la transferencia de masa y más pequeña la distancia entre el soluto a difundirse y el sólido que lo contiene.
SOLVENTE
El solvente debe ser muy selectivo del soluto a extraer y su viscosidad debe ser suficientemente baja para que pueda circular libremente.
TEMPERATURA
En muchos casos la solubilidad del soluto a extraer se incrementa con la temperatura dando una alta velocidad de extracción.
AGITACIÓN
La agitación del solvente es importante debido a que incrementa la difusión turbulenta por lo tanto incrementa la transferencia del soluto desde la superficie de las partículas a la solución en sí.
LIXIVIACIÓN BACTERIANA
Las bacterias son organismos unicelulares con un tamaño del orden de 1 micrón que constituye una de las formas de vida más arcaicas y primarias.
La lixiviación bacteriana se está utilizando para extraer metales como el cobre, zinc, el oro y el uranio.
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO
Los datos de equilibrio se pueden graficar en un diagrama rectangular como fracciones de peso de
los tres componentes:
A : disolvente
B: sólido inerte o insoluble.
C: soluto.
Las dos fases son:
Derrame o líquido
Flujo inferior o suspensión.
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO
Se utilizará las siguientes coordenadas:
soluciónkg
sólidokg
CdekgAdekg
BdekgN
.
.
....
..
soluciónkg
solutokg
CdekgAdekg
Cdekgx
.
.
....
..
soluciónkg
solutokg
CdekgAdekg
Cdekgy
.
.
....
..
En el líquido de derrame:
En la suspensión o flujo inferior
Si se lixivia el sólido con suficiente disolvente y se proporciona tiempo de contacto adecuado entonces todo el soluto se disuelve y si se logra una separación perfecta del sólido y líquido tendríamos una separación del 100 %.
En la práctica la eficiencia es bastante menor que 100% debido a tiempo insuficiente de contacto o no lograr la separación perfecta entre el sólido y el líquido.
EFICIENCIA DE LAS ETAPAS
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
N
0 1
Flujo inferior
N vs y
Derrame
N vs x
.x,y
C es infinitamente soluble en el disolvente
El sólido B es parcialmente soluble en el disolvente o se ha separado un líquido incompletamente sedimentado
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
N
0 1
N vs y
N vs x
.x,y
Flujo inferior constante
La solución lixiviada no contiene B ni disuelta ni suspendida
DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO
N
0 1
N vs y
N vs x
.x,y
Línea de
unión
Soluto C tiene una solubilidad limitada en el disolvente A
N
0 1
Flujo inferior
N vs y
Derrame
N vs x
.x,y
Línea de unión
Las líneas de unión no son verticales debido si el tiempo de contacto es insuficiente, si hay adsorción preferente del soluto o si el soluto es soluble en B.
LIXIVIACIÓN EN UNA SOLA ETAPA
1 Solución lixiviada
R1 masa(A+C)
X1 masa C/(masa(A+C)
Sólido lixiviado
B masa insoluble
E1 masa(A+C)
y1 masa C/(masa(A+C)
N1 masa B/masa(A+C)
Sólido a lixiviar
B masa insoluble
F masa(A+C)
yF masa C/(masa(A+C)
NF masa B/masa (A+C)
Disolvente
R0 masa(A+C)
x0 masa C/(masa(A+C)
LIXIVIACIÓN EN UNA SOLA ETAPA
Balance de soluto C:
F yF + R0 x0 =M yM
Balance de solución (soluto + disolvente):
F + R0 = M
M
B
RF
BNM
0
0
00
RF
xRFyy F
M
LIXIVIACIÓN EN UNA SOLA ETAPA
Para la mayoría de los fines el sólido B es insoluble en el disolvente y dado que se obtiene una solución de lixiviación líquida clara, el sólido B descargado en los sólidos lixiviados se tomará como el mismo que
en los sólidos por lixiviar.
B = NF F = E1 N1
Resolviendo finalmente:
M1 = E1 + R1
EJEMPLO
500 kg de un mineral de cobre, de composición 12% en peso de CuSO4, 3 % de agua y 85 % de inertes, se somete a un proceso de extracción de una sola etapa con 3000 kg de agua. La cantidad de disolución retenida por los sólidos es de 0.8 kg/kg de inerte. Calcular las composiciones y flujos del flujo superior o extracto y flujo inferior o refinado.
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO
25.18.0
1
.
..
soluciónkg
inertesólidokgN
kgxB .42550085.0
A : agua
B: sólido inerte o insoluble.
C: CuSO4
kgxA .1550003.0
kgxC .6050012.0
El flujo inferior es constante por lo que:
1 Solución lixiviada
R1 masa(A+C)
x1 masa C/(masa(A+C)
Sólido lixiviado
B masa insoluble
E1 masa(A+C)
y1 masa C/(masa(A+C)
N1 masa B/masa(A+C)
Sólido a lixiviar
B =425 kg
F (A+C) =75 kg
yF (C/(A+C)) = 60 / 75 = 0.80
NF (B/(A+C))= 425 /75 = 5.667
Disolvente
R0 (A+C) = 3000 kg
x0 (C/(A+C)) = 0.0
N
S 1 .x,y
1.25
F (0.8,5.67)
M
yM
1382.0753000
425
0
RF
BNM
0195.0300075
30000758.0
0
00
xx
RF
xRFyy F
M
NM
LIXIVIACIÓN EN VARIAS ETAPAS EN CORRIENTE CRUZADA
1 3
Sólido a
lixiviar
Disolvente de lixiviación
F
Ro1
R2 R3
Soluciones lixiviadas
Sólido lixiviado
E3,y3
R03
B
x3
yF 2
R1
E1,y1 E2,y2
Ro2
B B
x1 x2
xo1 xo2 xo3
Balance de soluto C en la etapa n:
En-1 yn-1 + Ron xon =Mn yMn= Enyn + Rnxn
Balance de solución (soluto + disolvente) en la etapa n:
En-1 + Ron = Mn = En + Rn
non
MM
B
RE
BN
n
1
on
oonnM
RE
xREyy
n
1
11
Balance de soluto C en la etapa 1:
F yF + R0 x0 =M1 yM1
Balance de solución (soluto + disolvente) en la primera etapa:
F + R0 = M1
101 M
B
RF
BNM
0
00
1 RF
xRFyy F
M
N
.x ,y 0 1
NF
R0
xF x0 R1
E1
M1 M2
R2
E2
Líneas de unión M3
F
032
030322
3 RE
xREyyM
30323 M
B
RE
BNM
LIXIVIACIÓN EN VARIAS ETAPAS EN CORRIENTE CRUZADA
Para la mayoría de los fines el sólido B es insoluble en el disolvente y dado que se obtiene una solución de lixiviación líquida clara, el sólido B descargado en los sólidos lixiviados se tomará
como el mismo que en los sólidos por lixiviar.
B = NF F = E1 N1 =En Nn
Donde n es la etapa en la cual se hace el cálculo.
Luego se determina Rn :
Mn = En + Rn
1 3
Sólido a
lixiviar
Disolvente de lixiviación
F
Ro1
R2 R3
Soluciones lixiviadas
Sólido lixiviado
E3,y3
R03
B
x3
yF 2
R1
E1,y1 E2,y2
Ro2
B B
x1 x2
xo1 xo2 xo3
100% 332211 xFy
RxRxRxónrecuperaci
F
EJEMPLO
500 kg de un mineral de cobre, de composición 12% en peso de CuSO4, 3 % de agua y 85 % de inertes, se somete a un proceso de extracción de dos etapas en un proceso a corriente cruzada con 1000 kg de agua pura. La cantidad de disolución retenida por los sólidos es de 0.8 kg/kg de inerte. Calcular el porcentaje de recuperación del sulfato de cobre.
25.18.0
1
.
..
soluciónkg
inertesólidokgN
kgxB .42550085.0
A : agua
B: sólido inerte o insoluble.
C: CuSO4
kgxA .1550003.0
kgxC .6050012.0
El flujo inferior es constante por lo que:
1 3
Ro1 =1000 kg
R2 R3
E3,y3
R03 = 1000 kg
B
x3
2
R1
E1,y1 E2,y2
Ro2 = 1000 kg
B B
x1 x2
Xo1 = 0 Xo2 = 0 Xo3 = 0
B =425 kg
F (A+C) =75 kg
yF (C/(A+C)) = 60 / 75 = 0.80
NF (B/(A+C))= 425 /75 = 5.667
N
S 1 .x,y
1.25
F (0.8,5.67)
M1
yM1 =0.06
395.0100075
425
01
1
RF
BNM
06.0100075
10000758.0
01
01011
xx
RF
xRFyy F
M
NM1
N
S 1 .x,y
1.25
F (0.8,5.67)
M1
R1
NM2
E1
2 E1,y1
E2,y2
Ro2 B
x2
xo2
R2
yM2
015.01000340
)1000)(0()340)(06.0(
021
020211
2
RE
xREyyM
31.01000340
425
0212
RE
BNM