Extracción solido-liquido

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