El objetivo primordial del presente trabajo es presentar una serie de datos, basados en la bibliografía existente, sobre los polvos de fundición de cobre y sus posibles tratamientos.
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty
uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd
fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx
cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq
wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui
opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg
hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc
vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq
wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui
opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg
hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc
vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq
wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui
opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg
hjklzxcvbnmrtyuiopasdfghjklzxcvbn
mqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwert
yuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas
dfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklz
POLVOS DE FUNDICIÓN DE COBRE
[Datos Bibliográficos]
05/12/2013
Antonio Ros Moreno
1
INDICE
1.- OBJETIVO
2.- POLVOS DE FUNDICIÓN DE COBRE
3.- GÉNESIS DE LOS POLVOS DE FUNDICIÓN DE COBRE
4.- CARACTERIZACIÓN DE LOS POLVOS DE FUNDICIÓN
5.- MUESTRAS DE POLVOS DE FUNDICIÓN DE COBRE
6.- ENSAYOS SOBRE LOS POLVOS DE FUNDICIÓN DE COBRE
6.1.- Reactividad de los polvos de fundición de cobre
6.2.- Separación magnética de los polvos de fundición de cobre
6.3.- Hidrociclonado de los polvos de fundición de cobre
7.- TRATAMIENTO DE LAS DISOLUCIONES DE LIXIVIACIÓN
7.1.- Intercambio iónico
7.2.- Adsorción
7.3.- Procesos de membrana
7.4.- Coagulación y floculación
7.5.- Tratamiento electroquímico
7.6.- Extracción con disolventes
7.7.- Precipitación química
7.8.- Sedimentación
7.9.- Cristalización
7.10.- Análisis de las técnicas
8.- PROCESOS DE TRATAMIENTO DE LOS POLVOS DE FUNDICIÓN
9.- BIBLIOGRAFÍA
2
1.- OBJETIVO
Los polvos de fundición de cobre presentan contenidos muy variados de elementos
químicos, siendo los más representativos el Cu, el Fe y el As. Dadas las características
extremadamente tóxicas del As, se plantea el dilema de recuperar elementos valiosos
(Cu principalmente) y precipitar y confinar el As de una manera segura.
Los procesos propuestos por diversos autores están diseñados genéricamente para el
tratamiento específico de algún tipo de polvos de fundición, en función de las
características químicas y físicas del polvo.
El objetivo primordial del presente trabajo es presentar una serie de datos, basados en la
bibliografía existente, sobre los polvos de fundición de cobre y sus posibles
tratamientos.
2.- POLVOS DE FUNDICIÓN DE COBRE
Durante el procesamiento de los concentrados sulfurosos de cobre para la obtención de
cobre catódico, se generan diferentes desechos tales como: gases de combustión con
altas concentraciones de dióxido de azufre, polvos del horno instantáneo y polvos de
horno eléctrico. Con respecto a estos últimos, además de ser partículas muy finas y que
como consecuencia provocan problemas serios para su manejo, son químicamente muy
complejos pues contienen una gran variedad de elementos químicos, algunos de gran
valor económico como el zinc, cobre y bismuto, y otros como el arsénico, plomo y
cadmio que lo hacen tóxico y difícil de disponer al medio ambiente por estar en contra
de las legislaciones ambientales actuales.
Es decir, se entiende por polvos de fundición de cobre a todo material particulado de
tamaño fino, que ha sido arrastrado por los diferentes flujos gaseosos del proceso
pirometalúrgico de las menas sulfuradas de cobre o que se han formado durante dicho
arrastre.
Figura 1. Imagen por microscopía electrónica de barrido (MEB)
3
3.- GÉNESIS DE LOS POLVOS DE FUNDICIÓN DE COBRE
El origen del cobre tiene dos fuentes; el cobre primario proviene de la producción de
mina y el cobre secundario es el recuperado desde chatarra de cobre y/o aleaciones. La
producción de cobre primario es entre 6 a 10 veces la producción de cobre secundario.
Los recursos mineros de la producción de mina corresponden a dos tipos de menas, las
oxidadas y las sulfuradas; las menas sulfuradas son el principal recurso primario de
cobre, pues la producción de cobre primario desde éstas sobrepasa en 4 veces la
producción de cobre desde las menas oxidadas.
Las menas sulfuradas de cobre son mezclas de minerales sulfurados de cobre, hierro y
otros elementos. El proceso de producción de cobre desde estas menas es a alta
temperatura, es un proceso pirometalúrgico. La Figura 2 representa un esquema general
del proceso pirometalúrgico del cobre.
Las menas sulfuradas tienen concentraciones de cobre o leyes que oscilan entre 0,5 a
2%; estas leyes de cobre exigen, por consideraciones económicas, una etapa de
concentración previa al proceso pirometalúrgico para aumentar el contenido de cobre a
niveles de 30 a 40% (concentración por flotación) en el flujo a fundir.
Los concentrados de las menas sulfuradas de cobre contienen otros elementos, además
del cobre y del hierro, que pueden ser valiosos o impurezas contaminantes; estos
elementos, como Mo, Zn, Re, Ag, Au, As, Bi, etc., se distribuyen en los distintos flujos
del proceso pirometalúrgico. Este proceso consiste, en resumen, en una primera etapa de
fusión, en una segunda etapa de conversión y por último en una etapa de afino al fuego.
El proceso pirometalúrgico produce cobre metálico con un nivel de pureza inadecuado
para las necesidades y exigencias del mercado; por esta razón el cobre producido en este
proceso debe ser afinado electrolíticamente. El producto final de este proceso es el
cobre comercial de alta pureza.
Los gases de salida son producto de las reacciones de oxidación, que ocurren en los
reactores, más el nitrógeno y el oxígeno de los gases comburentes alimentado a los
hornos. En la fusión estos flujos de gases de salida arrastran partículas de concentrados
y fundentes sin reaccionar, gotas de mata/escoria y elementos volatilizados, y que
solidifican, tales como As, Sb, Bi y Pb; adicionalmente, tienen lugar reacciones entre
dichos componentes y los gases de salida. La concentración de los polvos de la fusión
de concentrados, en los gases de salida, varía en un rango de 0,1 a 0,25 kg/Nm3.
Estos materiales dentro de los gases de salida de las etapas de fusión y de conversión
del proceso pirometalúrgico, constituyen los llamados polvos de fundición de cobre.
En el caso de los polvos de fundición de cobre sus elementos constituyentes, y sus
concentraciones, dependen de las características de las menas sulfuradas que se
4
procesan, de las especies mineralógicas presentes y de sus concentraciones, de los tipos
de reactores utilizados en las etapas y de las condiciones en que se han operado las
distintas etapas del proceso. Todos estos factores, que influyen en las características
químicas de los polvos de fundición, explican la variabilidad de elementos, y
concentraciones, presentes en estos flujos.
Figura 2. Esquema del proceso pirometalúrgico para el tratamiento de las menas
sulfuradas de Cu.
4.- CARACTERIZACIÓN DE LOS POLVOS DE FUNDICIÓN
Entre los diversos estudios realizados en la caracterización de los polvos de fundición
de cobre, podemos considerar los siguientes:
5
a) Algunos autores se han aproximado al conocimiento de la naturaleza de los polvos
al determinar sus características de formación.
• Krivenko y Parfent'ev, 1989, caracterizaron las acreciones formadas en los conductos
de salida de los gases del horno de Vanyukov y determinaron que estaban formadas por
tres capas. La primera, formada principalmente por condensación, desde la fase gas, en
la que los componentes mayoritarios son sulfatos, óxidos y sulfuros de Cu, Ni y Fe; las
otras dos capas formadas por el material arrastrado por los gases y que estaban
compuestas mayoritariamente por ferritos.
• Samuelsson y Bjoerkman, 1998, estudiaron termodinámicamente los mecanismos de
formación de los polvos generados en la etapa de conversión, obteniendo un modelo
termodinámico que permitía predecir la generación química de los polvos según la
temperatura y el flujo de aire. También establecieron que es posible condensar
selectivamente compuestos de Pb, Zn y As a distintas temperaturas.
• Swinbourne, Simak y Yazawa, 2002, analizaron termodinámicamente la condensación
de los polvos, en la fusión a mata de Cu, y la formación de acreciones; sus resultados
muestran que la naturaleza química de los polvos varían mucho según la temperatura y
la cantidad de O2 presente en el enfriamiento.
• Kyllo, Richards y Verhelst, 1996, determinaron que la composición de los polvos de
la conversión varían con la distancia entre su punto de muestreo y el horno, y que los
componentes mayoritarios son gotas solidificadas de material eyectado en la etapa de
soplado del convertidor, fundentes sin reaccionar y partículas condensadas, las que
contenían la mayoría del Pb, del Zn y de las impurezas volátiles.
b) Otros autores se han orientado a determinar las características físico-químicas de
los polvos por diversas técnicas analíticas.
• Samuelsson y Carlsson, 2001, Samuelsson, Caisa y Bjoerkmany, 1998, caracterizaron
polvos de tostación (etapa previa a la fusión en algunos procesos pirometalúrgicos), de
fusión, de conversión y muestras de las calderas recuperadoras de calor de los gases de
salida; las técnicas usadas fueron análisis químico, difracción de rayos X, microanálisis
por energía dispersiva de rayos X y análisis por microsonda electrónica. Sus resultados
señalan que el polvo está compuesto de partículas pequeñas sólidas y/o líquidas
transportadas: es la porción de arrastre mecánico (mata, escoria y SiO2), y por
condensaciones de compuestos vaporizados: es la porción de formación química
(compuestos de Pb, Zn, As y Bi); la proporción de una a otra depende de la etapa del
proceso y el polvo químico tiene un tamaño menor al de la porción correspondiente al
arrastre mecánico.
• Markova, Boyanov, Pironkov y Shopov, 2000, analizaron polvos del horno de fusión
instantánea y de las calderas recuperadoras de calor de los gases de salida; usaron las
técnicas difracción de rayos X, análisis térmico-diferencial y análisis
6
termogravimétrico. Los polvos presentan un alto grado de sulfatación, que tiene lugar
principalmente en las calderas. La presencia de Fe2O3 cataliza la oxidación del SO2 a
SO3 y las fases predominantes son Fe2O3, CuSO4 y Cu2S entre los sulfuros.
• D. J. Eatough, N. L. Eatough, Hill, Mangelson, Ryder, Hansen, Meisenheimer y
Fischer, 1979, usaron técnicas de análisis químico por volumetría, espectroscopia
fotoelectrónica de rayos X, difracción de rayos X y fluorescencia de rayos X, para
determinar compuestos químicos en los polvos procedentes de hornos de fusión. Los
componentes identificados son sulfatos, sulfitos, azufre, arseniatos, fosfatos, fluoruros y
cloruros.
• Lastra-Quintero, Rowlands, Rao y Finch, 1987, caracterizaron polvos de la fundición
de cobre Kidd Creek determinando contenidos mayoritarios de Zn, Pb, Cu, As, Sn y Cd
y minoritarios de Bi, Co e In, mientras que las fases predominantes fueron PbSO4, ZnO,
ZnO∙Fe2O3, ZnS, Cu2O, CuO∙Fe2O3, y Cu3As; el polvo era 88 % menor a 8 μm.
• Peuraniemi, Ranki-Kilpinen y Saarikosk, 2001, Ranki-Kilpinen, Peuraniemi y
Jokilaakso, 2000, evaluaron la sulfatación de partículas oxidadas de polvos de fundición
de un horno de fusión instantánea y de partículas sintéticas de Cu2O, en un reactor de
lecho fluidizado. El material resultante lo caracterizaron mediante análisis químico,
microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y análisis por energía dispersiva
de rayos X. Los resultados señalan que la sulfatación de las partículas sintéticas es
menor que la sulfatación de las partículas del polvo y que la presión de O2 influye
favorablemente en la sulfatación y expande el rango de temperatura de la misma.
Según lo informado se puede establecer que los polvos de fundición de cobre, tanto de
la fusión a mata como de la etapa de conversión, tienen un origen mixto: mecánico y
químico. Las partículas de origen mecánico (arrastres de sólidos y líquidos) son de
mayor tamaño que las de origen químico (condensados de material volatilizado) y sus
componentes principales son los ferritos. El polvo de origen químico está formado por
compuestos que se han volatilizado en la etapa de fusión y/o conversión; los elementos
predominantes en estos compuestos son el Pb, Zn, As, Bi y Sb.
Además, los autores señalan que los factores principales que influyen en la formación y
composición de los polvos son el origen de la mena, la presión de O2, la temperatura, la
etapa del proceso (fusión o conversión) y el punto donde son captados los polvos
(filtros, precipitadores electrostáticos, calderas de recuperación de calor, etc.).
5.- MUESTRAS DE POLVOS DE FUNDICIÓN DE COBRE
Para tener un buen conocimiento de los materiales es necesaria una buena
caracterización de los mismos, tanto desde el punto de vista químico como mineralógico
y también de su tamaño de partícula.
7
La diversidad de origen de estas muestras de polvos de fundición de cobre está basada
en la diversidad de la mena, provenientes de minas y de momentos de extracción
diferentes, y en diferencias de los reactores en su diseño y funcionamiento; las muestras
1 y 2 proceden de hornos de fusión instantánea (hornos flash), mientras que la muestra 3
procede de un horno de fusión continua.
Tabla 1
Análisis de las muestras de polvo (% en peso) Muestra 1
Na --- Ge ---
Al 0,3 As 3,8
Si 1,3 Mo 0,4
S 6,5 Cd 0,12
K 0,63 Sb ---
Ca 0,24 Ir ---
Fe 14 Pb 0,43
Cu 37 Bi 0,13
Zn 4,7 H2O 0,17
Muestra 2
Na --- Ge 0,11
Al 0,52 As 13
Si 1,7 Mo 0,54
S 5,7 Cd 0,16
K 1,6 Sb ---
Ca 0,52 Ir ---
Fe 11 Pb 1,5
Cu 27 Bi 0,21
Zn 5,8 H2O 0,41
Muestra 3
Na 0,49 Ge ---
Al 0,49 As 8,2
Si 1,1 Mo 0,64
S 5,6 Cd 0,66
K 2,5 Sb 0,55
Ca 0,26 Ir 0,13
Fe 14 Pb 5,1
Cu 26 Bi 1,1
Zn 4,5 H2O 0,56
Las especies más importantes detectadas en la muestra 1 han sido ferritos, con
composiciones desde la magnetita hasta el ferrito de cobre y con cinc en cantidades
variables en la posición del metal divalente; los ferritos se encuentran embebidos en
muchos casos en una matriz vítrea de silicato. Se ha detectado sulfato de cobre anhidro,
sulfato básico de cobre y sulfato de cinc. Como componentes minoritarios se han
8
detectado óxidos de cobre y óxidos de arsénico. Los tamaños de partícula se encuentran
desde décimas hasta decenas de micrómetro.
En la muestra 2 se han detectado como componentes mayoritarios los ferritos, en las
mismas condiciones que las observadas en las muestra 1, sulfato básico de cobre,
sulfato de cobre anhidro, sulfato de cinc y óxido de arsénico. Los tamaños de partícula
detectados van desde decenas de micrómetros hasta partículas de tamaño inferior al
micrómetro.
En la muestra 3 los componentes mayoritarios son ferritos, de composiciones variables
como en las muestras 1 y 2, en contacto con fases vítreas de silicatos; se han detectado
también sulfato de cobre anhidro, sulfato de cinc, sulfato de plomo y óxidos de
arsénico; asimismo, se han detectado los sulfuros de cobre/sulfuros de cobre y hierro
junto con algunas partículas de un sulfuro de hierro. Como componentes minoritarios
aparecen óxidos de cobre. Las partículas de decenas de micrómetro de diámetro, están
constituidas esencialmente por los sulfuros citados y algunos ferritos; las demás
partículas son de tamaño inferior a los 10 μm.
Resumiendo, los polvos 1, 2 y 3 son materiales realmente complejos; éstos están
constituidos por numerosas fases, oxidadas en 1 y 2 y oxidadas y con sulfuros en 3. En
todos los materiales la morfología de la mayoría de partículas es esférica si bien se ha
observado la presencia de partículas de morfología irregular.
6.- ENSAYOS SOBRE LOS POLVOS DE FUNDICIÓN DE COBRE
En mi opinión, los ensayos realizados sobre las tres muestras anteriores no son
totalmente exhaustivos en cuanto a la variación de la temperatura, acidez, agitación,
etc.; lo que proporciona una visión limitada de los resultados obtenidos.
6.1.- Reactividad de los polvos de fundición de cobre
• La lixiviación con agua a temperatura inicial ambiente de todos los materiales da
lugar a la solubilización de sulfato de cobre, sulfato de cinc, sulfato básico de cobre y,
parcialmente, de los óxidos de arsénico. El residuo obtenido después de la lixiviación
varía desde el 46% en la muestra 2, hasta el 61% en la muestra 3. En las disoluciones
obtenidas se encuentra un 64% del cobre inicial en la muestra 1, un 32% en la muestra 3
y un 72% en la muestra 2; asimismo, se encuentra un 40% del cinc inicial en la muestra
1, un 90% en la muestra 3 y un 60% en la muestra 2. En relación al arsénico, se
encuentra en disolución un 18% en la muestra 1, un 70% en la muestra 3 y un 34% en la
muestra 2.
9
El hierro contenido en los polvos de fundición de cobre tiende a no disolverse,
permanecer en la fase sólida y constituir parte de los residuos; la explicación de este
comportamiento se debe a que este metal forma parte principal de los ferritos, insolubles
en agua.
El cobre ha experimentado la disolución de algunas de las especies solubles presentes
como la dolerofanita y la chalcocianita, permaneciendo el resto de cobre insoluble en
forma de ferritos y de óxidos de cobre.
La mayor o menor solubilidad del cinc en la lixiviación con agua depende de su mayor
o menor presencia en forma de ferritos y de sulfato de cinc en los polvos de fundición
de cobre. Así el material que contiene menor proporción de cinc en forma de sulfato es
el de la muestra 1 y el que presenta una mayor proporción de sulfato es el de la muestra
3; en este material no hay prácticamente cinc en forma de ferrito.
Para el caso del arsénico se observa una tendencia a permanecer en los residuos en las
muestras 1 y 2, resultando su mayor solubilidad, para el material de la muestra3. Las
cantidades de arsénico y hierro que aparecen en disolución vienen alteradas debido a la
continua formación de precipitados en los líquidos de lixiviación que, como se ha
comprobado, son esencialmente jarositas en la muestra 1 y arseniato de hierro amorfo
en las muestras 2 y 3.
Además de los elementos citados, el azufre se disuelve en gran extensión en las
muestras 1 y 2, puesto que la mayor parte de este elemento en estos materiales se
encuentra en especies base sulfato solubles en agua o agua acidulada; en cambio el
contenido de azufre en la muestra 3 aumenta desde el 5,6% en la muestra original hasta
el 8% en el residuo; este azufre insoluble se corresponde con los sulfuros de cobre y
sulfuros de cobre y hierro detectados en este material.
• Las lixiviaciones en medio ácido (nítrico, sulfúrico y clorhídrico) de los residuos de la
lixiviación con agua conducen a una disolución parcial del cobre contenido
(esencialmente el que se encuentra en forma de óxidos) y parte de los óxidos de
arsénico; estos óxidos se disuelven de forma parcial o prácticamente total en los
distintos medios utilizados.
Considerando la lixiviación previa con agua a los polvos de fundición de cobre,
juntamente con la lixiviación posterior con ácido nítrico; de los elementos con
concentración inalterada, el hierro es el más abundante y la explicación de su
comportamiento ante la lixiviación con ácido nítrico se basa sobre las características de
los ferritos, compuesto mayoritario del hierro, los cuales son insolubles en estas
condiciones.
Para el cobre, en las muestras 1 y 2, se explica la variación de sus concentraciones por
ser constituyentes de los ferritos y de compuestos oxidados de los cuales sólo los
segundos son solubles ante el ácido nítrico; probablemente se han disuelto cantidades
10
remanentes de sulfatos básicos de cobre; la disolución de cobre en la muestra 3 es
mínima. El arsénico disminuye su concentración en todas las muestras; su presencia en
los residuos finales es mínima.
El cinc de todos los residuos de lixiviación con agua parece estar en una gran mayoría
asociado a los ferritos en disolución sólida y en la posición de metal divalente; en la
lixiviación con ácido nítrico se ha disuelto poco cinc.
Para la distribución global o la de la masa de los polvos de fundición de cobre, se
visualiza que el cambio de masa es más importante en la lixiviación con agua y que, por
consiguiente, las masas de los residuos finales (después de la lixiviación con ácido
nítrico), son algo menores a los residuos de la lixiviación con agua.
En el proceso de lixiviación con ácido sulfúrico de los residuos de la lixiviación previa
con agua, únicamente se observa una disolución significativa en las muestras 1 (14% de
sólido disuelto) y 2 (20% de sólido disuelto), mientras que el material de la muestra 3
presenta una relativa baja disolución (8%). Se observa en todos los casos una menor
disolución que en la lixiviación con ácido nítrico. Los elementos que presentan una
disolución significativa son el cobre y el arsénico aunque menor que en ácido nítrico.
En el proceso de lixiviación con ácido clorhídrico de los residuos de la lixiviación
previa con agua, únicamente se observa una disolución poco significativa en las
muestras 1 y 3 (6% de sólido disuelto), mientras que en el material de la muestra 2 se
presenta una disolución más elevada (12%). Los elementos con mayor solubilidad en
ácido sulfúrico (cobre y arsénico) presentan una disminución de ésta en la lixiviación
con ácido clorhídrico; se solubilizan parcialmente los óxidos de cobre y de arsénico. Se
observa en todos los casos una menor disolución que en la lixiviación con los ácidos
sulfúrico y nítrico.
• Las lixiviaciones en medio alcalino, utilizando hidróxido de sodio o hidróxido de
amonio de los residuos de la lixiviación con agua, conducen a un nivel de solubilización
de la masa de sólidos entre el 6 y 12% en medio NaOH y un nivel inferior al 5% en
hidróxido de amonio, por lo que estos sistemas han sido descartados para ser utilizados
en un posible tratamiento de los polvos de fundición.
6.2.- Separación magnética de los polvos de fundición de cobre
• No se aprecia una separación importante de los elementos según los distintos flujos
para esta separación magnética. Los experimentos de separación magnética aplicada al
material de la muestra 1 y a la fracción fina del material de la muestra 3 ponen de
manifiesto la no separación de especies del tipo ferrito en la fracción magnética ni de
los óxidos de arsénico en la fracción no magnética. Este tipo de procesos ha sido
descartado para su aplicabilidad a los polvos de fundición de cobre.
11
6.3.- Hidrociclonado de los polvos de fundición de cobre
• El hidrociclonado del material de la muestra 3 da lugar a la obtención de muy buenos
resultados de concentración: la fracción gruesa (de tamaño superior a 12 μm) reúne la
mayor parte de las especies base sulfuro y una parte importante de los ferritos (el
contenido de cobre es del 46% y el de arsénico de 0,06%), mientras que la práctica
totalidad (99%) de las especies de arsénico (con una ley del 11% As) se encuentran en
la fracción de tamaño inferior a 12 μm. En esta fracción el contenido de cobre es de sólo
17%.
• El hidrociclonado del material de la muestra 1 confirma una importante concentración
de arsénico en la fracción < 23 μm, con una ley del 11% As, mientras que la fracción
gruesa contiene un 4,5% As. El 42% del arsénico se concentra en la fracción fina,
mientras que aproximadamente el 80% de cobre y de hierro se encuentra en la fracción
> 23 μm.
• El hidrociclonado del material de la muestra 2 confirma, asimismo, una importante
concentración de arsénico en la fracción inferior a 12 μm, con una ley del 25% As,
mientras que la fracción gruesa contiene un 15% As. El 77% del arsénico se concentra
en la fracción fina, al igual que los elementos cobre y hierro, aunque en una menor
proporción (≈ 65%).
7.- TRATAMIENTO DE LAS DISOLUCIONES DE LIXIVIACIÓN
La recuperación de metales de estas disoluciones de lixiviación se podría abordar de
diversas formas: precipitación química, extracción, coagulación-flotación, intercambio
iónico, filtración por membrana, etc., pero el empleo de la cementación o la extracción
con disolventes parece que son las más eficaces para la recuperación de estos metales.
La Figura 3 ilustra los diferentes métodos disponibles para tratar soluciones de
lixiviación concentradas y diluidas. Las técnicas disponibles para recuperar el metal
primario desde soluciones de lixiviación son las listadas a continuación, aquellas
técnicas marcadas con un * se utilizan también para la precipitación química de
impurezas.
A) Precipitación de compuestos por cristalización
B) Precipitación de compuestos metálicos por precipitación iónica*
C) Precipitación de metales o compuestos metálicos por reducción con gas*
D) Precipitación de metales por reducción electroquímica (cementación)*
E) Precipitación de metales por reducción electrolítica (electroobtención)
12
Figura 3. Métodos para tratar soluciones de lixiviación concentradas y diluidas.
Como se puede ver en esta Figura 3 las técnicas de extracción por solvente, intercambio
iónico y adsorción con carbón son capaces de transferir la especie metálica de interés
desde una solución de lixiviación diluida e impura a una solución acuosa concentrada y
pura del metal de interés desde donde se puede recuperar económicamente este metal
con un alto grado de pureza.
En general, las diferentes técnicas de separación son competitivas y cada una de ellas
tiene su propio rango de aplicabilidad según múltiples aspectos: tecnológicos,
económicos, ecológicos, etc. Entre los diversos parámetros que determinan el rango de
aplicabilidad de un proceso, destacan principalmente la concentración de metal y el
caudal del efluente a tratar. En la Fig. 4 se muestra un esquema del rango de
aplicabilidad de los procesos de separación más comunes, representando el logaritmo
de la concentración de metal frente al caudal del efluente a tratar.
Figura 4. Rango de aplicabilidad de las diferentes técnicas de separación:
intercambio iónico IX, extracción con disolvente SX, membrana líquida
tensioactiva MLT y membrana líquida soportada MLS [Noguerol, 1996].
13
A continuación, presentamos una serie de fundamentos teóricos de las principales
alternativas a considerar para la eliminación y/o recuperación de metales en
disoluciones.
7.1.- Intercambio iónico
Es una operación en la que se utilizan resinas de intercambio iónico capaces de retener
selectivamente sobre su superficie los iones disueltos en el agua. Los mantiene
temporalmente unidos a su superficie, y los cede frente a una disolución con un fuerte
regenerante.
La aplicación habitual de estos sistemas, es por ejemplo, la eliminación de sales cuando
se encuentran en bajas concentraciones, siendo típica la aplicación para la
desmineralización y el ablandamiento de aguas, así como la retención de ciertos
productos químicos y la desmineralización de jarabes de azúcar.
Las propiedades que rigen el proceso de intercambio iónico y que a la vez determinan
sus características principales son una elevada selectividad con valores de afinidad
superiores a 15, reversibilidad y electroneutralidad.
El intercambio se detiene cuando se alcanza el equilibrio entre la concentración del ión
de interés en la disolución a tratar y la concentración en la resina de intercambio. A
partir de este punto de saturación, la concentración del ión en el efluente aumenta
drásticamente. La resina puede de nuevo regenerarse invirtiendo el proceso, en general
mediante tratamiento con ácidos o bases débiles. La saturación o equilibrio entre la
resina y la disolución es función de la mayor o menor afinidad del ión por la resina.
Normalmente, una mayor carga eléctrica en el ión supone una mayor capacidad de ser
retenido por la resina (Alyüz; Veli, 2009).
Los intercambiadores de cationes más comunes son resinas fuertemente ácidas con
grupos de ácido sulfónico (HSO3) y resinas débilmente ácidas con grupos de ácido
carboxílico (HCO2). Los iones de hidrógeno pueden servir como iones intercambiables
con cationes metálicos. A medida que la solución que contiene metal pesado pasa a
través de la columna de cationes, se intercambian iones metálicos por los iones de
hidrógeno en la resina con el siguiente proceso de intercambio iónico:
La captación de iones de metales pesados por resinas de intercambio iónico está
condicionada por ciertas variables como pH, temperatura, concentración de metal inicial
y tiempo de contacto (Gode; Pehlivan, 2006). La carga iónica también juega un papel
importante en el proceso de intercambio iónico. La influencia de la carga iónica sobre la
14
eliminación de Ce4+
, Fe3+
y Pb2+
de sistemas acuosos de resina de intercambio catiónico
Purolite C100 fue estudiado por Abo-Farha (2009). Ellos encontraron que la secuencia
de adsorción de los iones de metal se puede dar como Ce4+
> Fe3+
> Pb2+
.
Además de las resinas sintéticas, las zeolitas naturales han sido ampliamente utilizadas
para eliminar metales pesados debido a su bajo coste y abundancia. La clinoptilolita es
una de las zeolitas más estudiada debido a su selectividad para metales pesados.
Actualmente las resinas tienen altas capacidades de tratamiento, resultando compactas y
económicas y son muy estables químicamente, de larga duración y fácil regeneración.
Los inconvenientes de estos procesos convencionales de eliminación de metales
pesados son la generación de importantes volúmenes de lodos o de disoluciones de
regeneración contaminados con metales pesados, el consumo de reactivos químicos y
los elevados tiempos de contacto.
7.2.- Adsorción
La adsorción es un método eficaz y económico para el tratamiento de aguas residuales
de metales pesados. El proceso de adsorción ofrece flexibilidad en el diseño y el
funcionamiento, y al ser un proceso reversible los adsorbentes pueden ser regenerados
por un proceso de desorción adecuado.
El proceso consiste en la captación de sustancias solubles en la superficie de un sólido.
Un parámetro fundamental será la superficie específica del sólido, dado que el
compuesto soluble a eliminar se ha de concentrar en la superficie del mismo. Se
considera un tratamiento de refino, y por lo tanto aplicado al final de los sistemas de
tratamientos más usuales, especialmente con posterioridad a un tratamiento biológico.
Entre los factores que afectan a la adsorción, se encuentran la solubilidad, la estructura y
el peso molecular del adsorbato, siendo mejor la adsorción cuanto mayor y más
ramificada sea la molécula a adsorber, fenómenos de difusión, polaridad y grado de
saturación. La adsorción se verá favorecida cuanto menor sea la solubilidad, más peso y
más ramificada se encuentre la molécula y tenga una menor polaridad.
El carbón activo es el sólido adsorbente más empleado, aunque recientemente se están
desarrollando diversos materiales sólidos que mejoran, en ciertas aplicaciones, las
propiedades del carbón activo.
Hay dos formas clásicas de utilización de carbón activo, con propiedades diferentes y
utilizadas en diferentes aplicaciones:
Carbón activado granular (GAC): Se suele utilizar una columna como medio de
contacto entre el agua a tratar y el carbón activado, en la que el agua entra por la
15
parte inferior y asciende hacia la superior. El tamaño de partícula en este caso es
mayor que en el otro. Se suele utilizar para eliminar elementos traza,
especialmente orgánicos, que pueden estar presentes en el agua, y que
habitualmente han resistido un tratamiento biológico. Son elementos que, a
pesar de su pequeña concentración, en muchas ocasiones proporcionan mal olor,
color o sabor al agua.
Carbón activo en polvo (CAP). Este tipo de carbón se suele utilizar en procesos
biológicos, cuando el agua contiene elementos orgánicos que pueden resultar
tóxicos. También se suele añadir al agua a tratar, y pasado un tiempo de
contacto, normalmente con agitación, se deja sedimentar las partículas para su
separación. Suelen ser operaciones llevadas a cabo en discontinuo.
La viabilidad económica de este proceso depende de la existencia de un medio eficaz de
regeneración del sólido una vez agotada su capacidad de adsorción. El GAC se regenera
fácilmente por oxidación de la materia orgánica y posterior eliminación de la superficie
del sólido en un horno. Las propiedades del carbón activo se deterioran, por lo que es
necesario reponer parte del mismo por carbón virgen en cada ciclo. Por otro lado el
CAP es más difícil de regenerar, pero más fácil de producir.
Los adsorbentes de carbón activado (AC) son ampliamente utilizados en la eliminación
de contaminantes de metales pesados. Su utilidad se deriva principalmente de su gran
volumen de microporos y mesoporos y la elevada área superficial resultante. Un gran
número de investigadores están estudiando su uso para la eliminación de metales
pesados (Jusoh, 2007; Kang, 2008). Aditivos de alginato (Park, 2007), surfactantes de
ácido tánico (UCER, 2006), y magnesio (Yanagisawa, 2010; Ahn, 2009) pueden ser
eficaces adsorbentes de metales pesados.
Los nanotubos de carbono (CNT) descubiertos por Iijima en 1991, han sido
ampliamente estudiados por sus excelentes propiedades y aplicaciones. Como
adsorbentes relativamente nuevos, los nanotubos de carbono han demostrado poseer un
gran potencial para la eliminación de iones de metales pesados como el plomo (Wang,