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. MECANISMO DE LIXIVIACIÓN PARTÍCULA SÓLIDA POROS O INTERSTICIOS SOLUTO IMPORTANTE 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 1 2 5 4 3 SOLUCION LIXIVIADA SOLUTO IMPORTANTE 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 1 2 5 4 3 SOLUCION LIXIVIADA SOLUTO IMPORTANTE MECANISMO REACTIVO LIXIVIANTE 1 2 5 4 3 SOLUCION LIXIVIADA SOLUTO IMPORTANTE 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 PARTÍCULA mecanismo responsable SÓLIDA por la etapa de disolución: 1) Aquellas operaciones que ocurren debido a la solubilidad del soluto con POROS el solvente. En este caso la velocidad de extracción es controlada por el fenómeno de difusión. Ej: extracción del azúcar de SOLUTO IMPORTANTE la remolacha. 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. PARTÍCULA SÓLIDA POROS SOLUTO IMPORTANTE VELOCIDAD DE LIXIVIACIÓN Si el sólido está PARTÍCULA constituido por una SÓLIDA estructura inerte porosa, con el soluto y el disolvente localizados en los POROS O poros del sólido, la difusión a través INTERSTICIOS del sólido poroso se puede describir como una SOLUTO IMPORTANTE difusividad efectiva. TRANSFERENCIA DE MASA REACTIVO LIXIVIANTE Las velocidades de extracción para 1 partículas individuales son díficiles de 2 aseverar debido a la imposibilidad de definir las formas de los poros 3 o canales a través de 5 4 los cuales ocurre la transferencia de masa. SOLUCION LIXIVIADA Sin embargo la naturaleza del proceso difusional en un sólido poroso puede ser SOLUTO IMPORTANTE ilustrada por considerar la difusión del soluto a través de un poro. 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: NA k L c AS c A A RAPIDEZ DE LIXIVIACIÓN NA k L c AS c A A 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 RAPIDEZ DE LIXIVIACIÓN Por balance de materia igualamos la rapidez de acumulación con la velocidad de transferencia de masa: Vdc A N A Ak L c AS c A dt Se integra y se tiene la siguiente ecuación: k A L V t c AS c A e c AS c Ao 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. EXTRACCIÓN SÓLIDO - LÍQUIDO 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: kg.de.B kg.sólido N kg.de. A kg.de.C kg.solución En el líquido de derrame: kg.de.C kg.soluto x kg.de. A kg.de.C kg.solución En la suspensión o flujo inferior kg.de.C kg.soluto y kg.de. A kg.de.C kg.solución CONCENTRACIONES N E1 NE1 E2 NM1 M1 M2 R2 0 R1 .x,y 1 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO Flujo inferior N vs y N Línea de unión Derrame N vs x 0 .x,y 1 EFICIENCIA DE LAS ETAPAS 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. DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO Flujo inferior N vs y N El sólido B es parcialmente soluble en el disolvente o se ha separado un líquido incompletament e sedimentado 0 C es infinitamente soluble en el disolvente Derrame N vs x .x,y 1 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO Flujo inferior constante N vs y N La solución lixiviada no contiene B ni disuelta ni suspendida 0 N vs x .x,y 1 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO N vs y N Soluto C tiene una solubilidad limitada en el disolvente A Línea de unión N vs x 0 .x,y 1 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. Flujo inferior N vs y N Línea de unión Derrame N vs x 0 .x,y 1 LIXIVIACIÓN EN UNA SOLA ETAPA Sólido lixiviado Sólido a lixiviar B masa insoluble B masa insoluble E1 masa(A+C) F masa(A+C) y1 masa C/(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) 1 N1 masa B/masa(A+C) Solución lixiviada R1 masa(A+C) X1 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): NM yM F + R0 = M B B F R0 M y F F R0 x0 F R0 LIXIVIACIÓN EN UNA SOLA ETAPA NF N vs y E1 N M Línea de unión N vs x R0 x0 0 R1 xF 1 .x ,y 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 A : agua A 0.03x500 15.kg B: sólido inerte o insoluble. B 0.85x500 425.kg C: CuSO4 C 0.12 x500 60.kg El flujo inferior es constante por lo que: kg.sólido.inerte 1 N 1.25 kg.solución 0.8 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO N Flujo inferior constante 1.25 Línea de unión vertical 0 1 .x,y Sólido a lixiviar B =425 kg Sólido lixiviado F (A+C) =75 kg B masa insoluble yF (C/(A+C)) = 60 / 75 = 0.80 E1 masa(A+C) NF (B/(A+C))= 425 /75 = 5.667 y1 masa C/(masa(A+C) N1 masa B/masa(A+C) 1 Disolvente R0 (A+C) = 3000 kg x0 (C/(A+C)) = 0.0 Solución lixiviada R1 masa(A+C) x1 masa C/(masa(A+C) B 425 NM 0.1382 F R0 3000 75 F (0.8,5.67) yF F R0 x0 0.8 x75 0 x3000 yM 0.0195 F R0 75 3000 N 1.25 NM S M yM 1 .x,y F (0.8,5.67) N 1.25 E1 M S R1 1 .x,y RESULTADOS Sale y1 = x1 = 0.0195 B 425 E1 340kg N1 1.25 M1 3075 E1 R1 340 R1 R1 3075 340 2735kg LIXIVIACIÓN EN VARIAS ETAPAS EN CORRIENTE CRUZADA Soluciones lixiviadas Sólido a lixiviar F yF R2 x2 R1 x1 1 E1,y1 2 B Ro1 xo1 Ro2 xo2 R3 x3 E2,y2 3 B R03 xo3 Disolvente de lixiviación Sólido lixiviado E3,y3 B 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 yM n NMn yn 1 En 1 Ro xo En 1 Ro B B En 1 Ro Mn 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 yM1 y F F R0 x0 F R0 N M1 B B F R0 M1 LIXIVIACIÓN EN VARIAS ETAPAS EN CORRIENTE CRUZADA N N vs y NF F N vs x R0 0 x0 xF 1 .x ,y yM1 N yF F R0 x0 F R0 N M1 B B F R0 M 1 N vs y NF F NM1 M1 N vs x R0 0 x0 yM1 xF 1 .x ,y N F NF E1 M1 Líneas de unión R0 0 x0 R1 xF 1 .x ,y R2 E1, y1 N NF 2 x2 B Ro2 xo2 E2, y2 F E1 M1 Líneas de unión R0 0 x0 R1 xF 1 .x ,y yM 2 N y1 E1 R02 x02 E1 R02 NM2 B B E1 R02 M 2 F NF E1 M2 M1 Líneas de unión R0 0 x0 R1 xF 1 .x ,y N F NF E2 M2 E1 M1 Líneas de unión R0 0 x0 R2 R1 xF 1 .x ,y R3 E2,y2 N x3 E3,y3 3 B Ro3 xo3 NF E2 M2 F E1 M1 Líneas de unión R0 0 x0 R2 R1 xF 1 .x ,y yM 3 y2 E2 R03 x03 E2 R03 N NM3 B B E2 R03 M 3 F NF E2 M3 M2 E1 M1 Líneas de unión R0 0 x0 R2 R1 xF 1 .x ,y N F NF E3 M3 E2 M2 E1 M1 Líneas de unión R0 0 x0 R3 R2 R1 xF 1 .x ,y 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 x1 R1 x2 R2 x3 R3 %recuperaci ón x100 yF F Soluciones lixiviadas Sólido a lixiviar F yF R2 x2 R1 x1 1 E1,y1 2 B Ro1 xo1 Ro2 xo2 R3 x3 E2,y2 3 B R03 xo3 Disolvente de lixiviación Sólido lixiviado E3,y3 B 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. A : agua B: sólido inerte o insoluble. C: CuSO4 A 0.03x500 15.kg B 0.85x500 425.kg C 0.12 x500 60.kg El flujo inferior es constante por lo que: kg.sólido.inerte 1 N 1.25 kg.solución 0.8 B =425 kg F (A+C) =75 kg R1 yF (C/(A+C)) = 60 / 75 = 0.80 x1 NF (B/(A+C))= 425 /75 = 5.667 1 R3 R2 x2 E1,y1 E2,y2 2 B Ro1 =1000 kg Xo1 = 0 x3 3 B Ro2 = 1000 kg Xo2 = 0 E3,y3 B R03 = 1000 kg Xo3 = 0 NM1 yM 1 B 425 0.395 F R01 75 1000 F (0.8,5.67) yF F R01x01 0.8 x75 0 x1000 0.06 F R01 75 1000 N 1.25 NM1 S M1 yM1 =0.06 1 .x,y F (0.8,5.67) N 1.25 E1 M1 S R1 1 .x,y PRIMERA ETAPA Sale y1 = x1 = 0.06 B 425 E1 340kg N1 1.25 M1 1075 E1 R1 340 R1 R1 1075 340 735kg R2 E1, y1 2 x2 F (0.8,5.67) E2, y2 B Ro2 xo2 N 1.25 E1 yM 2 NM2 M1 S yM2 R1 y1E1 R02 x02 (0.06)(340) (0)(1000) 0.015 E1 R02 340 1000 NM2 B 425 0.31 E1 R02 340 1000 1 .x,y R2 E1, y1 2 x2 F (0.8,5.67) E2, y2 B Ro2 xo2 N E2 1.25 E1 M2 M1 S R2 R1 1 .x,y SEGUNDA ETAPA Sale y2 = x2 = 0.015 B 425 E2 340kg N 2 1.25 M 2 1340 E2 R2 340 R2 R2 1340 340 1000kg x1R1 x2 R2 %recuperaci ón x100 yF F N 1.25 F (0.8,5.67) (0.06)(735) (0.015)(1000) %recuperación x100 98.50 (0.8)(75) E2 E1 M2 M1 S R2 R1 1 .x,y