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

  1. 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—.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.

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