Extracción por solventes en hidrometalurgia: proceso y equipos
Una etapa de extracción bien diseñada transfiere 90–95 % del metal objetivo del acuoso en una sola pasada, y el inventario orgánico suele ir de 0.6 a 1.0 m³ de orgánico por cada m³/h de acuoso tratado: una línea de capital comparable a la de los contactores. Ambas son cifras típicas de circuitos de cobre; los valores exactos pertenecen al trabajo de ensayo.
Puntos clave
- Purifica y concentra el metal entre lixiviación y electroobtención; una recuperación de 90–95 % por etapa es normal.
- El extractante se elige por química: oximas para cobre, D2EHPA y Cyanex 272 para Ni-Co-Zn, aminas para U y V.
- El mezclador-decantador es la opción por defecto sobre unos 50 m³/h; la centrífuga compra tiempo de residencia y la columna pulsada confinamiento.
- El desempeño lo fijan relación O/A, residencia en el mezclador, flujo del decantador y arrastre.
- El inventario orgánico es capital; el arrastre, no la solubilidad, domina las pérdidas continuas.
Qué es y dónde se ubica
Es una operación líquido-líquido que transfiere un ion metálico disuelto desde un licor acuoso a una fase orgánica inmiscible y luego a una segunda fase acuosa, de modo que el metal sale más puro y más concentrado. En una planta de cobre va entre lixiviación y electroobtención: el orgánico elige el cobre del PLS, rechaza hierro y cloruro y entrega electrolito limpio a la nave. La misma arquitectura sirve a níquel, cobalto, zinc, uranio, vanadio y tierras raras con otros reactivos.
Mezclador-decantador: dispositivo compartimentado que mezcla las dos fases durante un tiempo controlado y las libera en un decantador en reposo donde se separan por gravedad; uno equivale a una etapa teórica menos la pérdida de eficiencia. Diluyente: hidrocarburo purificado, normalmente un corte de queroseno, que disuelve el extractante y fija viscosidad, densidad y punto de inflamación del orgánico; casi no hace química pero gobierna la separación de fases. Crud: emulsión gomosa estable de finos, orgánico y acuoso atrapado que se acumula en la interfase y, si se ignora, migra a todos los tanques.
La economía de la etapa es atípica: casi no hay carga térmica —se opera a 30–45 °C en la mayoría de los circuitos—, así que el costo lo dominan las pérdidas de reactivo y el bombeo más que la energía; el capital lo dominan el área del decantador y la carga orgánica. Y aquí se fabrica realmente la pureza: un circuito de lixiviación puede tolerar un perfil de impurezas sucio si el reactivo lo rechaza. Sobre la frontera con intercambio iónico: las resinas cumplen la misma función y por debajo de unas decenas de m³/h suelen ser más baratas, porque no necesitan área de decantador ni pierden orgánico por arrastre; sobre 30–50 m³/h la comparación se invierte por costo de reactivo por kilogramo, escala de equipo y tolerancia a sólidos suspendidos.
Qué familia de extractante corresponde
La selectividad vive en la molécula, no en el equipo. Tres familias cubren casi todo el servicio metalúrgico, y dentro de cada una la elección es un compromiso de pH y reextracción.
Oximas para cobre. Aldoximas modificadas y cetoximas extraen Cu²⁺ de ácido sulfúrico diluido con selectividad cobre-hierro suficiente para producir cátodo de grado EW. Reextraen limpiamente en electrolito gastado a 150–180 g/L de H2SO4, lo que cierra el lazo con la nave. La concentración típica es 7–12 % v/v en diluyente; más extractante sube la carga de cobre pero frena la separación de fases y aumenta pérdidas.
Organofosforados ácidos para zinc, níquel y cobalto. El D2EHPA extrae con fuerza zinc e impurezas trivalentes y es la base del SX de zinc y de la remoción masiva de impurezas. El Cyanex 272 (ácido fosfínico) sacrifica fuerza por una separación cobalto-níquel mucho más limpia cerca de pH 5.0–5.5: como regla de preselección, D2EHPA para zinc y remoción masiva, Cyanex 272 cuando la separación Co-Ni es el producto mismo. Aminas para uranio y vanadio. Las aminas terciarias extraen complejos sulfato aniónicos de U(VI) y V(V) de licores ácidos y reextraen en medio carbonato o cloruro; las cuaternarias amplían el rango a sistemas más débiles. Los circuitos de amina exigen alimentación limpia, porque es la familia más propensa a crud.
Tabla 1 — Familias principales de extractantes
| Sistema | Familia (ejemplo) | Concentración (%v/v) | Reextractante típico | Nota de separación |
|---|---|---|---|---|
| Cu de PLS sulfúrico diluido | Aldoxima modificada / cetoxima | 7–12 | Electrolito gastado, 150–180 g/L H2SO4 | Selectividad Cu/Fe muy alta |
| Zn; remoción de Co, Cd, Fe | D2EHPA | 5–20 | H2SO4, 10–180 g/L según servicio | Extracción fuerte de Zn y Fe; reextracción de Fe difícil |
| Separación Co/Ni | Cyanex 272 | 5–15 | H2SO4 diluido, 10–40 g/L | Co sobre Ni a pH 5.0–5.5 |
| U(VI) y V(V) de licor ácido | Amina terciaria (tipo Alamine 336) | 3–8 | Na2CO3, NaCl o carbonato de amonio | Extrae complejos sulfato aniónicos |
Dos notas de práctica: el hierro férrico es el antagonista silencioso de todo extractante ácido —carga fuerte, reextrae mal y oxida el reactivo—, así que su control es un problema de química de alimentación antes que de reactivo; y la concentración de extractante es variable de separación de fases, no solo de capacidad, porque subirla por encima de lo que pide la isoterma se manifiesta en semanas como sedimentación más lenta y mayor arrastre.
Qué contactor elegir
La decisión es de tiempo de residencia, caudal y limpieza, y se resuelve cuando esos tres están definidos.
Mezclador-decantador es la opción por defecto sobre unos 50 m³/h de acuoso, en circuitos con sólidos o exposición a crud y en químicas que necesitan minutos de residencia, que es todo el servicio de oximas de cobre: menor CAPEX por etapa, inspeccionable a la vista y con fallas evidentes para el operador que camina la plataforma. Extractor centrífugo compra residencia y limpieza: cuando la extracción es rápida pero el sistema hidroliza fácil, o cuando la corriente es pequeña y de alto valor —tierras raras, niobio, sangrados de refinería—, una máquina que contacta y separa en segundos dentro de un bol funde el problema de huella, arrastre e inventario; el precio es equipo rotativo con sellos, rodamientos y una destreza de mantenimiento que un parque de tanques no requiere. Columna pulsada compra confinamiento y caudal en un solo vaso: sin partes móviles internas, una columna reemplaza muchas etapas, y por eso domina donde importan la exposición del operador o el control de criticidad —uranio refinado— y donde la alimentación es clara y el caudal grande; se inunda, es difícil de muestrear etapa por etapa y no se adapta barato a un layout de decantadores.
Tabla 2 — Comparación de contactores
| Parámetro | Mezclador-decantador | Centrífugo | Columna pulsada |
|---|---|---|---|
| Residencia de contacto (min) | 1.5–3.0 | 0.2–1.0 | 2–8 por sección |
| Eficiencia por etapa (%) | 90–98 | 85–95 | HETP 0.6–1.5 m |
| Área de separación para 100 m³/h (m²) | 12–25 | <1 (bol) | n/a (sección) |
| Arrastre acuoso en orgánico (ppm) | 50–200 | <20 | <30 |
| Arrastre orgánico en acuoso (ppm) | 20–80 | <10 | <20 |
| CAPEX relativo por etapa (=1.0) | 1.0 | 2.5–4.0 | 1.5–2.5 |
| Tolerancia a sólidos | Buena | Pobre a moderada | Pobre |
| Rango de regulación (%) | 50–100 | 30–100 | 40–100 |
Como regla: química probada con caudales grandes y sucios, mezclador-decantador; cinética rápida con corrientes pequeñas, limpias y valiosas, centrífuga; confinamiento o caudal masivo con alimentación clara, columna. Los arreglos híbridos son legítimos: una columna pulsada antes de las etapas de reextracción en decantadores es un esquema común en uranio.
Parámetros de diseño y número de etapas
Cinco números definen el diagrama y cuatro se cierran en el laboratorio antes de cortar una plancha. Relación O/A: la fija la isoterma, no la preferencia; es la que alcanza la ley de refino objetivo con el número de etapas elegido. La extracción de cobre va cerca de 1:1 y la reextracción a 2:1–5:1, porque el orgánico cargado solo lleva 40–60 g/L de cobre; una O/A lejos de 1:1 en extracción avisa que la isoterma o la concentración están mal. Residencia en el mezclador: las oximas llegan cerca del equilibrio en 1.5–3 minutos; químicas lentas y orgánicos viscosos pueden necesitar hasta 5, y la residencia corta aparece como eficiencia en caída, que se diagnostica como mal reactivo mucho más de lo que se mide. Flujo del decantador: 4–8 m³/(m²·h) de fases totales es el rango típico de SX de cobre, con decantadores modernos bien deflectados llegando a 10 con separación probada; el flujo se mide, no se consulta en tabla. Arrastre: objetivos bajo unos 50 ppm acuoso-en-orgánico y bajo 10–20 ppm orgánico-en-acuoso antes de electroobtención. Concentración y diluyente: la concentración sigue la isoterma y el diluyente se elige por velocidad de separación y seguridad.
Tabla 3 — Envolvente de diseño para circuitos de mezclador-decantador
| Parámetro | Rango típico | Lo fija | Se confirma con |
|---|---|---|---|
| O/A en extracción | 1:1 a 2:1 | Isoterma de extracción | Ensayos por lotes |
| O/A en reextracción (Cu) | 2:1 a 5:1 | Ley del orgánico cargado | Ensayos por lotes |
| Residencia en mezclador | 1.5–3 min (hasta 5) | Cinética de extracción | Curvas cinéticas |
| Flujo del decantador (fases totales) | 4–8 m³/(m²·h) | Separación de fases | Ensayo de separación |
| Eficiencia por etapa | 90–98 % | Residencia y agitación | Corrida piloto |
| Concentración de extractante | 3–20 % v/v según sistema | Isoterma y selectividad | Serie de isotermas |
| Arrastre O-en-A / A-en-O | <10–20 / <50 ppm | Diseño del decantador y pulidores | Balance de masa en planta |
El conteo de etapas es gráfico y el diagrama vale la pena aunque exista software, porque expone los supuestos. Ejemplo típico de cobre con oxima modificada: alimentación 6 g/L, refino objetivo bajo 0.3 g/L (≥95 % de extracción global), O/A 1:1 a 1.2:1, dos etapas de extracción y una o dos de reextracción, con 40–60 g/L de cobre en el orgánico cargado. El procedimiento es estándar: medir la isoterma por lotes en licor real a la temperatura y concentración de diseño, trazar la línea de operación con pendiente menos A/O y escalonar etapas de equilibrio; luego dividir por la eficiencia —una etapa al 95 % convierte dos teóricas en algo más de dos reales, mientras una etapa de amina al 80 % convierte cuatro teóricas en cinco— y añadir margen por desplazamiento de la isoterma, porque ley, acidez y temperatura mueven la curva durante la vida del yacimiento.
Crud y costos
La formación de crud es un síntoma de calidad de alimentación disfrazado de química. Los iniciadores son finos que llegan a la interfase —sílice coloidal y arcillas de la sedimentación aguas arriba, hierro, aluminio o manganeso precipitados, material húmico— a veces ayudados por bacterias en el diluyente y por energía de agitación excesiva. El tratamiento sigue una secuencia fija: caracterizar el crud (cenizas y pérdida por calcinación: inorgánico apunta a clarificación, orgánico a degradación del diluyente o crecimiento biológico); eliminar los sólidos de alimentación con filtración pulidora hasta unos 10–20 mg/L de sólidos suspendidos, que es donde se resuelve el 80 % del problema; ajustar la química con recuento de concentración, aromaticidad del diluyente y biocida en almacenamiento; recuperar el orgánico con centrífuga o lavado ácido, donde una recuperación de 40–70 % paga rápido la unidad; y gestionar la interfase con control real de nivel y succiones de bombeo alejadas de ella. Trátelo como métrica vigilada —espesor de la banda interfacial— y no como tarea de aseo.
Tres líneas de costo se comportan distinto. El inventario orgánico es capital: a 0.6–1.0 m³ por m³/h, una planta de 500 m³/h carga 300–500 m³ de diluyente y extractante en la puesta en marcha, cifra que rivaliza con el costo de los contactores, se financia el día uno y se repone para siempre. Las pérdidas operativas las domina el arrastre: a 100 m³/h de refino, cada 10 ppm de orgánico en acuoso son cerca de 1 L/h, del orden de 8 m³ al año; por eso los objetivos de arrastre van en la especificación de equipo y los pulidores suelen pagarse en un año, con una reposición total típica de 2–8 L por tonelada de cátodo. La energía es modesta: la agitación consume 0.4–0.8 kW por m³ de licor mezclado y el total de la planta de SX queda un orden de magnitud por debajo de la electroobtención, salvo en servicio centrífugo, donde la potencia del bol sube la cifra y pertenece a la comparación de contactores.
Preguntas frecuentes
¿Qué causa el crud y cómo se trata?
Normalmente finos que llegan a la interfase acuoso-orgánico —sílice coloidal, arcillas, hierro, aluminio o manganeso precipitados, materia húmica o bacterias en el diluyente— y una agitación excesiva que emulsiona todo en una capa estable que endurece en semanas. La cura empieza aguas arriba: clarificar la alimentación y luego controlar el nivel de interfase y la energía de agitación.
¿Cuántas etapas necesita un circuito de cobre?
Dos etapas de extracción y una o dos de reextracción son típicas y entregan más de 90 % de extracción global con oximas modificadas. El número sale de escalonar etapas sobre la isoterma por lotes en un diagrama McCabe-Thiele a la O/A de diseño y dividir por la eficiencia; las isotermas planas, comunes en cobalto y níquel, pueden llevar la extracción a cuatro o cinco etapas.
Si la isoterma, el flujo del decantador o el riesgo de crud siguen abiertos, envíe el análisis del licor y la especificación objetivo; una campaña de laboratorio de cuatro semanas fija O/A, número de etapas y objetivos de arrastre antes de que se fundan en acero. Criterios en la base de conocimiento y definiciones en el glosario.