EXTRACCIÓN SÓLIDO - LÍQUIDO. Se le llama también: Lixiviación. Lavado. Percolación Infusión. Decantación por sedimentación

Transcripción

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3 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.

4 EXTRACCIÓN SÓLIDO - LÍQUIDO Se le llama también: Lixiviación. Lavado. Percolación Infusión. Decantación por sedimentación

5 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. LIXIVIACIÓN

6 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.

7 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.

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9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

13 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.

14 MECANISMO DE LIXIVIACIÓN PARTÍCULA SÓLIDA POROS O INTERSTICIOS SOLUTO IMPORTANTE

15 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 5 SOLUCION LIXIVIADA SOLUTO IMPORTANTE

16 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 5 SOLUCION LIXIVIADA SOLUTO IMPORTANTE

17 MECANISMO REACTIVO LIXIVIANTE 5 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.

18 MECANISMO SOLUTO IMPORTANTE PARTÍCULA SÓLIDA POROS El proceso de extracción se subdivide en dos categorías de acuerdo al mecanismo responsable por la etapa de disolución: 1) Aquellas operaciones que ocurren debido a la solubilidad del soluto con el solvente. En este caso la velocidad de extracción es controlada por el fenómeno de difusión. Ej: extracción del azúcar de la remolacha.

19 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. SOLUTO IMPORTANTE PARTÍCULA SÓLIDA POROS

20 VELOCIDAD DE LIXIVIACIÓN Si el sólido está constituido por una estructura inerte porosa, con el soluto y el disolvente localizados en los poros del sólido, la difusión a través del sólido poroso se puede describir como una difusividad efectiva. SOLUTO IMPORTANTE PARTÍCULA SÓLIDA POROS O INTERSTICIOS

21 TRANSFERENCIA DE MASA Las velocidades de extracción para partículas individuales son díficiles de aseverar debido a la imposibilidad de definir las formas de los poros o canales a través de los cuales ocurre la transferencia de masa. Sin embargo la naturaleza del proceso difusional en un sólido poroso puede ser ilustrada por considerar la difusión del soluto a través de un poro. REACTIVO LIXIVIANTE 5 SOLUCION LIXIVIADA SOLUTO IMPORTANTE

22 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: N A A k L c AS c A

23 RAPIDEZ DE LIXIVIACIÓN N A A N A son los kmoles de A que se disuelven en la solución por segundo. A es el área superficial de las partículas en m 2. k L Donde k L es el coeficiente de transferencia de masa en m/s. c AS es la concentración de saturación del soluto A en la solución. c A es la concentración de A en la solución en el tiempo t c AS c A

24 RAPIDEZ DE LIXIVIACIÓN Por balance de materia igualamos la rapidez de acumulación con la velocidad de transferencia de masa: Vdc dt A N A Ak L c AS c A Se integra y se tiene la siguiente ecuación: c c AS AS c c A Ao e k L A V t La solución tiende de manera exponencial a condiciones de saturación.

25 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE LIXIVIACIÓN Tamaño de partícula Solvente. Temperatura. Agitación

26 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.

27 El solvente debe ser muy selectivo del soluto a extraer y su viscosidad debe ser suficientemente baja para que pueda circular libremente. SOLVENTE

28 En muchos casos la solubilidad del soluto a extraer se incrementa con la temperatura dando una alta velocidad de extracción. TEMPERATURA

29 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. AGITACIÓN

30 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.

31 EXTRACCIÓN SÓLIDO - LÍQUIDO

32 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.

33 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: x kg. de. C kg. de. A kg. de. C En la suspensión o flujo inferior kg. soluto kg. solución kg. de. C kg. soluto y kg. de. A kg. de. C kg. solución

34 CONCENTRACIONES N N E1 E 1 E 2 N M1 M 1 M 2 R 2 0 R 1 1.x,y

35 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO Flujo inferior N N vs y Línea de unión Derrame N vs x 0.x,y 1

36 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.

37 DIAGRAMAS DE N EQUILIBRIO C es infinitamente Flujo inferior soluble en el disolvente N vs y El sólido B es parcialmente soluble en el disolvente o se ha separado un líquido Derrame incompletament N vs x e sedimentado 0 1.x,y

38 DIAGRAMAS DE N EQUILIBRIO N vs y Flujo inferior constante La solución lixiviada no contiene B ni disuelta ni suspendida N vs x 0.x,y 1

39 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO N Línea de unión N vs y N vs x Soluto C tiene una solubilidad limitada en el disolvente A 0.x,y 1

40 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 N vs y Línea de unión Derrame N vs x 0.x,y 1

41 LIXIVIACIÓN EN UNA SOLA ETAPA Sólido a lixiviar B masa insoluble F masa(a+c) y F masa C/(masa(A+C) N F masa B/masa (A+C) Disolvente R 0 masa(a+c) x 0 masa C/(masa(A+C) Sólido lixiviado B masa insoluble E 1 masa(a+c) y 1 masa C/(masa(A+C) N 1 masa B/masa(A+C) 1 Solución lixiviada R 1 masa(a+c) X 1 masa C/(masa(A+C)

42 LIXIVIACIÓN EN UNA SOLA ETAPA Balance de soluto C: F y F + R 0 x 0 =M y M Balance de solución (soluto + disolvente): N M F + R 0 = M B F R 0 B M y M y F F F R R 0 0 x 0

43 LIXIVIACIÓN EN UNA SOLA ETAPA N N F N vs y E 1 M Línea de unión N vs x R 0 0 x 0 R 1 x F 1.x,y

44 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. Resolviendo finalmente: B = N F F = E 1 N 1 M 1 = E 1 + R 1

45 EJEMPLO 500 kg de un mineral de cobre, de composición 12% en peso de CuSO 4, 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.

46 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO A : agua B: sólido inerte o insoluble. C: CuSO 4 A 0.03x kg B 0.85x kg C 0.12x kg El flujo inferior es constante por lo que: kg. sólido. inerte 1 N 1.25 kg. solución 0.8

47 DIAGRAMA DE EQUILIBRIO N Flujo inferior constante 1.25 Línea de unión vertical 0 1.x,y

48 Sólido a lixiviar B =425 kg F (A+C) =75 kg y F (C/(A+C)) = 60 / 75 = 0.80 N F (B/(A+C))= 425 /75 = Sólido lixiviado B masa insoluble E 1 masa(a+c) y 1 masa C/(masa(A+C) N 1 masa B/masa(A+C) Disolvente R 0 (A+C) = 3000 kg x 0 (C/(A+C)) = Solución lixiviada R 1 masa(a+c) x 1 masa C/(masa(A+C)

49 N M F B R F (0.8,5.67) y M N y F F F R R 0 x 0.8x75 0x N M M S y M 1.x,y

50 F (0.8,5.67) N 1.25 E 1 M S R 1 1.x,y

51 M RESULTADOS Sale y 1 = x 1 = B 425 E 340kg 1 N E R R 1 R kg 1

52 LIXIVIACIÓN EN VARIAS ETAPAS EN CORRIENTE CRUZADA Soluciones lixiviadas Sólido a lixiviar F y F R 1 x 1 R 2 R 3 x 2 x 3 1 E 1,y 1 2 E 2,y 2 3 B B Sólido lixiviado E 3,y 3 B R o1 x o1 R o2 x o2 R 03 x o3 Disolvente de lixiviación

53 Balance de soluto C en la etapa n: E n-1 y n-1 + R on x on =M n y Mn = E n y n + R n x n Balance de solución (soluto + disolvente) en la etapa n: E n-1 + R on = M n = E n + R n n o n M M B R E B N n 1 o n o o n n M R E x R E y y n 1 1 1

54 Balance de soluto C en la etapa 1: F y F + R 0 x 0 =M 1 y M1 Balance de solución (soluto + disolvente) en la primera etapa: F + R 0 = M 1 y M y F R F 1 F R 0 0 x 0 N M B 1 F R M 0 B 1

55 N LIXIVIACIÓN EN VARIAS ETAPAS N F EN CORRIENTE CRUZADA N vs y F N vs x R x 0 x F.x,y

56 N N F y M y F 1 F R N vs y F R 0 0 x 0 N M B F 0 B 1 F R M 1 N M1 M 1 N vs x R x 0 y M1 x F.x,y

57 N N F E 1 F M 1 Líneas de unión R 0 0 x 0 R 1 x F 1.x,y

58 R 2 x 2 N N F E 1, y 1 R o2 2 B x o2 E 2, y 2 F E 1 M 1 Líneas de unión R 0 0 x 0 R 1 x F 1.x,y

59 N N F y M y E R E R x 02 E 1 N M 1 F B 02 B 2 E R M 2 M 2 M 1 Líneas de unión R 0 0 x 0 R 1 x F 1.x,y

60 N N F E 2 E 1 F M 2 M 1 Líneas de unión R 0 0 x 0 R 2 R 1 x F 1.x,y

61 R 3 x 3 N E 2,y 2 3 B E 3,y 3 N F R o3 E 2 x o3 F E 1 M 2 M 1 Líneas de unión R 0 0 x 0 R 2 R 1 x F 1.x,y

62 N N F y M y E R E R 2 03 E 2 03 x 03 E 1 N M 2 F B 03 B 3 E R M 3 M 3 M 2 M 1 Líneas de unión R 0 0 x 0 R 2 R 1 x F 1.x,y

63 N N F F E 3 E 2 E 1 M 3 M 2 M 1 Líneas de unión R 0 R 3 0 x 0 R 2 R 1 x F 1.x,y

64 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 = N F F = E 1 N 1 =E n N n Donde n es la etapa en la cual se hace el cálculo. Luego se determina R n : M n = E n + R n

65 x % recuperación x R x y R F F Soluciones lixiviadas x R 100 Sólido a lixiviar F y F R 1 x 1 R 2 R 3 x 2 x 3 1 E 1,y 1 2 E 2,y 2 3 B B Sólido lixiviado E 3,y 3 B R o1 x o1 R o2 x o2 R 03 x o3 Disolvente de lixiviación

66 EJEMPLO 500 kg de un mineral de cobre, de composición 12% en peso de CuSO 4, 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.

67 A : agua B: sólido inerte o insoluble. C: CuSO 4 A 0.03x kg B 0.85x kg C 0.12x kg El flujo inferior es constante por lo que: kg. sólido. inerte 1 N 1.25 kg. solución 0.8

68 B =425 kg F (A+C) =75 kg y F (C/(A+C)) = 60 / 75 = 0.80 N F (B/(A+C))= 425 /75 = R 1 x 1 R 2 R 3 x 2 E 1,y E 2,y B B x 3 E 3,y 3 B R o1 =1000 kg X o1 = 0 R o2 = 1000 kg R 03 = 1000 kg X o2 = 0 X o3 = 0

69 B N M 1 F R F (0.8,5.67) y N 1.25 y F R x 0.8x75 0x F M1 F R N M1 M 1 S y M1 = x,y

70 F (0.8,5.67) N 1.25 E 1 M 1 S R 1 1.x,y

71 M PRIMERA ETAPA Sale y 1 = x 1 = 0.06 B 425 E 340kg 1 N E R R 1 R kg 1

72 R 2 x 2 F (0.8,5.67) E 1, y 1 2 B E 2, y 2 R o2 x o2 N 1.25 E 1 N M2 y E R x (0.06)(340) (0)(1000) y M 2 E1 R M 1 N M 1 B R E 0.31 S y M2 R 1 1.x,y

73 R 2 x 2 F (0.8,5.67) E 1, y 1 2 B E 2, y 2 R o2 x o2 N 1.25 E 2 E 1 M 2 M 1 S R 2 R 1 1.x,y

74 SEGUNDA ETAPA Sale y 2 = x 2 = B 425 E 340kg 2 N M E R R 2 R kg 2

75 x R x y F % recuperación x F R 100 F (0.8,5.67) N (0.06)(735) (0.015)(1000) % recuperación x100 (0.8)(75) E 2 E 1 M 2 M 1 S R 2 R 1 1.x,y