Separación níquel-cobalto por solventes: el flujograma completo
La separación níquel-cobalto por extracción por solventes es el paso decisivo de toda refinería moderna de metales para baterías: un circuito de 4–8 etapas que convierte un licor mixto de níquel y cobalto en sulfatos grado batería, pasando el cobalto —con zinc y manganeso— a la fase orgánica mientras el níquel queda en el refinado. Toda alimentación —MHP, MSP, licor HPAL o lixiviado de baterías— desemboca en la misma columna vertebral, y la economía del proyecto depende de cuán limpia se ingenierice.
Puntos clave
- El corte Ni/Co se hace en 4–8 etapas de mezclador-decantador con extractantes fosfónicos.
- La secuencia es fija: preparación, impurezas a granel, corte Ni/Co, pulido de cobalto, cristalización.
- D2EHPA retira manganeso, zinc y calcio; Cyanex 272 ejecuta el corte.
- La química de la alimentación, no el reactivo, fija el número de etapas: Mg, Ca, Cl y orgánicos añaden circuitos y costo.
- El grado batería lo definen los compradores: diseñe a su pliego de impurezas, no a límites genéricos.
Qué es y qué significan sus términos
Es un paso de refino hidrometalúrgico que transfiere selectivamente el cobalto de un licor mixto de sulfato de níquel y cobalto a una fase orgánica, dejando el níquel en el refinado acuoso, típicamente en 4–8 etapas en contracorriente. Se ubica cerca del final de la cadena, tras la remoción de impurezas y antes de la cristalización. El factor de separación expresa cuánto mejor se distribuye un metal en la fase orgánica que otro en las mismas condiciones: 50–500 para el corte cobalto-sobre-níquel con Cyanex 272 en medio sulfato a pH 5.0–5.5. Un número alto significa menos etapas para la misma pureza. El MHP es el precipitado mixto de hidróxido que captura níquel y cobalto de licores ácidos, con 30–45% de Ni+Co y manganeso, magnesio, calcio y hierro como ganga dominante; es la forma comercial dominante de la producción HPAL indonesia porque es barato de embarcar y fácil de redisolver, pero la redisolución carga al circuito con todas las impurezas. El sulfato grado batería es una clase de especificación que fija el techo de impurezas: cobalto bajo decenas de ppm en sulfato de níquel y níquel bajo 50–100 ppm en sulfato de cobalto, con Mg, Ca, Cu, Zn y Fe limitados individualmente. No hay estándar universal: cada productor de precursor publica su pliego.
El flujograma, etapa por etapa
- Preparación y redisolución. MHP o MSP se repulpa y disuelve en ácido sulfúrico, a menudo con aire o peróxido para oxidar Fe(II) a Fe(III). Controles clave: pH terminal y potencial redox —el cobalto subdisuelto es metal varado en el residuo, mientras el ácido excesivamente caliente arrastra manganeso y magnesio—.
- Remoción de hierro y aluminio. Precipitación como hidróxidos a pH 3.0–4.5 para evitar que coextraigan con el cobalto; un pH demasiado alto arrastra níquel o cobalto al residuo.
- Extracción de impurezas a granel con D2EHPA. En 2–4 etapas a pH 3.5–4.5 retira manganeso, zinc, cobre y calcio residual antes del corte. D2EHPA coextrae cobalto sobre níquel, y ese cobalto se recupera en un circuito de reextracción secundario en lugar de perderse.
- El corte níquel-cobalto. Cyanex 272 (o PC-88A) en 4–8 etapas a pH 5.0–5.5 lleva el cobalto al orgánico y deja el níquel en el refinado. Controles: pH por etapa —el factor de separación es muy sensible al pH—, relación O/A y temperatura. El número de etapas lo fija la isoterma: un factor de unos cientos cierra en cinco etapas; un reactivo degradado o un circuito frío pueden exigir ocho.
- Reextracción y pulido del cobalto. El orgánico cargado se reextrae con ácido sulfúrico diluido en 2–3 etapas y el licor se pule con ácido Versatic o nafténico para expulsar calcio y magnesio residuales, a veces con una segunda pasada pequeña de D2EHPA para zinc.
- Terminación del refinado de níquel. Se captura cobalto residual, se recortan calcio y magnesio donde la especificación lo exige y se retira orgánico arrastrado con carbón o flotación, porque el orgánico emulsionado ensucia el cristalizador.
- Cristalización. Ambos licores se concentran por evaporación y cristalizan como NiSO₄·6H₂O o CoSO₄·7H₂O; el licor limpio entrante es el objetivo de las etapas 1–6, porque la cristalización concentra todo lo que quede.
| Etapa | Propósito | Reactivo | Etapas típicas | Control clave | Resultado |
|---|---|---|---|---|---|
| Preparación / redisolución | Ni+Co en solución sulfato limpia | H₂SO₄, oxidante | 1–2 unidades | pH terminal, ORP | PLS claro, Ni+Co >95% disuelto |
| Remoción Fe/Al | Precipitar hierro y aluminio | Caliza/cal, aire | 1–2 | pH 3.0–4.5 | Licor clase Fe <10 mg/L |
| Impurezas a granel | Retirar Mn, Zn, Cu, Ca | D2EHPA | 2–4 de extracción | pH por etapa, O/A | Mn/Zn a mg/L bajos |
| Corte Ni/Co | Extraer Co, rechazar Ni | Cyanex 272 o PC-88A | 4–8 | pH por etapa, temperatura | Refinado clase Co <50 mg/L |
| Reextracción + pulido Co | Licor de cobalto limpio | H₂SO₄; Versatic/nafténico | 2–3 + 2 | Acidez de reextracción, pH de pulido | Licor dentro del pliego |
| Terminación Ni | Pulir licor de níquel | Captador Cyanex, carbón | 1–3 | Co residual, arrastre | Licor apto para cristalizador |
| Cristalización | Sulfato comercializable | Evaporador/cristalizador | Según diseño | Ley, calidad de cristal | NiSO₄·6H₂O / CoSO₄·7H₂O grado batería |
Tipos de alimentación y cómo cambian el flujograma
| Alimentación | Relación Ni/Co típica | Impurezas dominantes | Etapa extra requerida |
|---|---|---|---|
| MHP redisuelto | 10:1 a 50:1 | Mn, Mg, Ca, Fe, Zn, Cu | Frente D2EHPA completo; pulido de Mg/Ca en ambas líneas |
| MSP redisuelto | 5:1 a 20:1 | Fe, Cu, Zn, Cl, As en algunas fuentes | Lavado/gestión de cloruro y remoción agresiva de Cu y Fe |
| Licor HPAL de laterita | 5:1 a 20:1 | Mn, Mg, Ca, Al, Fe, Cr | Alimentación directa a extracción a granel; el magnesio es el criterio de diseño |
| Lixiviado de baterías recicladas | 1:1 a 10:1 | Cu, Mn, Al, Fe, F, orgánicos, Zn | Control de fluoruro, remoción de cobre y limpieza de orgánicos |
Cuatro lecturas para un jefe de proyecto. Primera: el MHP es el caso de referencia y el magnesio es el impuesto silencioso; ni Mg ni Ca extraen con Cyanex 272 de forma problemática, así que el corte no se afecta, pero ambos se acumulan en el refinado de níquel y cristalizarían en el producto sin pulido: por eso existe la etapa con ácido Versatic o nafténico. Segunda: el MSP traslada el problema aguas arriba, con cobre, hierro, a veces arsénico y cloruro, que ataca el acero inoxidable y degrada la selectividad. Tercera: el licor HPAL evita la redisolución pero hereda todo el resto, incluida la gestión de incrustación del licor de presión. Cuarta: el lixiviado de baterías trae baja relación Ni:Co y especies exóticas —fluoruro y orgánicos— que exigen captura de fluoruro y limpieza orgánica antes del tren SX.
Parámetros operativos y límites de grado batería
| Parámetro | Unidad | Rango típico | Nota |
|---|---|---|---|
| pH de extracción, etapa D2EHPA | pH | 3.0–4.5 | Bajo ~3 la extracción de Mn/Zn colapsa; sobre ~4.5 crece la coextracción |
| pH de extracción, corte Cyanex 272 | pH | 5.0–5.5 | El factor de separación es muy sensible al pH |
| Acidez de reextracción (Co) | g/L H₂SO₄ | 20–60 | Fija la ley del licor y alimenta al cristalizador |
| Relación O/A en extracción | – | 1:1 a 2:1 | Fijada por ley de alimentación y capacidad del orgánico |
| Relación O/A en reextracción | – | 2:1 a 4:1 | Ajustada para no sobrerreextraer |
| Temperatura | °C | 30–50 | Mejora separación de fases y selectividad, pero acelera la degradación |
| Concentración de extractante | % v/v | 10–30 (D2EHPA); 15–25 (Cyanex 272) | En diluyente alifático; TBP 3–5% como modificador |
| Eficiencia de etapa (Murphree) | % | 80–95 | Aquí vive el margen de diseño |
| Cloruro en alimentación a SX | mg/L | Específico; a menudo <100 | Corrosión y selectividad |
| Consumo de orgánico | kg/t Ni+Co contenido | 1–5 (indicativo) | Pérdidas, degradación y arrastre |
| Recuperación de Ni en SX | % | 97–99.5 | Pérdidas a residuo y arrastre |
| Recuperación de Co en SX | % | 95–99 | Coextracción y residuales en refinado |
Tres parámetros merecen más que una fila. El pH por etapa es la instrumentación de mayor palanca: el factor de separación sube con el pH, pero también el riesgo de coextraer níquel al acercarse a la ventana de hidrólisis; las plantas que controlan cada etapa por separado logran el techo de cobalto en sulfato de níquel con una etapa menos. La temperatura es un compromiso: mejora el desprendimiento pero los extractantes fosfónicos se degradan más rápido en caliente. Y el consumo de orgánico es donde se esconde el OPEX: 1–5 kg por tonelada de metal contenido suena pequeño hasta multiplicarlo por 50,000 t/año.
Los límites de grado batería —cobalto bajo ~50 ppm en sulfato de níquel, níquel bajo ~50–100 ppm en sulfato de cobalto, y Mg, Ca, Cu, Zn, Fe, Mn en la banda de unidades a decenas de ppm— son normas comerciales indicativas que deben confirmarse contra el pliego del comprador. El manganeso obliga siempre a la etapa D2EHPA; el zinc y el cobre exigen captura; el magnesio y el calcio son los caros precisamente por su buen comportamiento químico: no coextraen, se acumulan y cristalizan o incrustan. El cloruro no es un límite de impureza sino una restricción de flujograma, y el fluoruro y los orgánicos son específicos del lixiviado de baterías.
Preguntas frecuentes
¿Cuántas etapas necesita realmente la separación Ni/Co?
El corte en sí corre 4–8 etapas de extracción según el factor de separación, que fijan pH, temperatura y estado del reactivo. Súmese la extracción a granel (2–4 etapas) y los circuitos de reextracción y pulido de ambas líneas: una refinería grado batería completa suele llevar 15–25 cajas de mezclador-decantador. El número lo fija la isoterma, no una regla empírica.
¿Por qué Cyanex 272 y no D2EHPA para el corte?
D2EHPA extrae níquel y cobalto muy cerca, así que el corte exigiría muchas más etapas y arriesga contaminación con níquel. La estructura estérica del Cyanex 272 da un factor de separación cobalto-sobre-níquel mucho mayor en medio sulfato, y por eso es el reactivo estándar (junto con PC-88A). D2EHPA sigue usándose aguas arriba, donde su comportamiento es una ventaja.