01Por qué existe SX
El PLS de una pila sudamericana típica trae unos 3 g/L de cobre y casi el doble de hierro. Si se electrolizara así, el cátodo saldría lento, impuro y con mucho gasto de energía. La electroobtención trabaja con un electrolito de 36 a 48 g/L de cobre y muy poco de lo demás.
SX resuelve las dos cosas a la vez: concentra el cobre unas quince veces y lo separa del hierro, el manganeso, el cloruro y los sólidos. Lo hace con un líquido orgánico (un extractante disuelto en un diluyente parecido a la parafina) que no se mezcla con el agua y que toma el cobre de una solución para entregarlo en otra.
02La reacción: el pH decide para dónde va el cobre
RH es el extractante. Hacia la derecha es la extracción: con poca acidez (el PLS, pH cercano a 2), el orgánico toma el cobre y suelta protones. Hacia la izquierda es la reextracción: con mucha acidez (el electrolito pobre que vuelve de EW, unos 180 g/L de ácido), el orgánico entrega el cobre y recupera los protones.
Hay un efecto que los eléctricos solemos pasar por alto: por cada kilo de cobre extraído se generan 1,54 kg de ácido sulfúrico en el refino (por estequiometría, 98,08 / 63,55). Ese ácido vuelve a la pila. SX no solo mueve cobre, también recicla el ácido.
03McCabe-Thiele: cuántas etapas hacen falta
Una etapa de SX es un mezclador (donde se agitan las dos fases unos 3 minutos) y un decantador (donde se separan por densidad). Una sola etapa no basta, porque el orgánico se satura y el ácido que se libera frena la reacción. Por eso se ponen etapas en contracorriente: el PLS entra por la etapa 1 y el orgánico descargado por la última.
El diagrama de McCabe-Thiele lo muestra con dos curvas. La isoterma (cobre) es el equilibrio químico: cuánto cobre puede tener el orgánico para cada concentración del acuoso. La línea de operación (azul) es el balance de masa: lo que pierde el acuoso lo gana el orgánico, con pendiente A/O. Cada escalón entre las dos es una etapa.
Laboratorio 1 · El diagrama de McCabe-ThieleValores iniciales: promedios sudamericanos de la encuesta de Sole y otros (PLS de 3,2 g/L y pH 1,9; extractante al 15,4 % vol). El equilibrio es un modelo didáctico.
Prueba tres cosas. Baja a una etapa y mira cómo el refino se queda con mucho cobre. Baja el pH del PLS: la isoterma se aplana, porque el ácido empuja la reacción hacia atrás. Y sube el cobre del orgánico descargado: la línea de operación sube, queda poco espacio para los escalones y la extracción cae. Ese último valor lo fija la reextracción. Según la encuesta, más ácido en el electrolito descarga mejor el orgánico, pero también degrada el extractante, así que siempre es un compromiso.
Modelo del laboratorio: equilibrio K = [R₂Cu]·[H⁺]² / ([Cu²⁺]·[RH]²) con K = 4, capacidad máxima de 0,6 g/L de cobre por cada 1 % vol de extractante y el ácido liberado en cada etapa. Es una simplificación con orden de magnitud realista; las isotermas de diseño se miden en laboratorio para cada extractante y cada PLS.
04Lo que se cuela: hierro, cloruro y sangrado
El extractante prefiere el cobre por mucho, pero algo de hierro se coextrae químicamente. Además, el orgánico cargado arrastra gotitas de PLS que no alcanzaron a decantar (arrastre acuoso en orgánico), y con ellas pasan hierro y cloruro tal cual. En el electrolito, el hierro baja la eficiencia de corriente de EW y el cloruro ataca las placas de acero inoxidable.
Lo que entra al electrolito y no sale en el cátodo se acumula. La única salida es un sangrado: se saca un poco de electrolito y se devuelve al refino. En el norte de Chile, donde la atacamita aporta mucho cloruro, la encuesta reporta que lo habitual es agregar una etapa de lavado del orgánico antes de la reextracción.
Laboratorio 2 · El aislamiento del transformadorPLS sudamericano promedio (Cu 3,2 g/L, Fe 5,8 g/L, Cl 0,87 g/L) y salto de cobre del electrolito de 37,0 a 47,9 g/L, de la encuesta. Arrastre y selectividad son supuestos ajustables.
Sube el cloruro a 20 g/L, como en un PLS con mucha atacamita, y mira el cloruro del electrolito. Después activa el lavado. Ahí se ve por qué en Chile casi todas las plantas lo tienen y en otras regiones no.
05El electrolito real
Promedios de la encuesta de 2012. El electrolito varía muy poco entre regiones porque la electroobtención exige casi lo mismo en todas partes.
| Región | Pobre: Cu (g/L) | Pobre: H₂SO₄ (g/L) | Pobre: Co (mg/L) | Rico: Cu (g/L) | Rico: Fe (mg/L) | Rico: Mn (mg/L) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Sudamérica | 37,0 | 183 | 169 | 47,9 | 793 | 125 |
| Norteamérica | 36,1 | 182 | 125 | 46,3 | 1.780 | 57 |
| África | 35,3 | 187 | 1.890 | 50,9 | 407 | 91 |
Fuente: Sole y otros, tabla 2. "Pobre" es el electrolito que vuelve de EW; "rico" (advance) el que va hacia EW. El promedio global sube de 36,1 a 48,0 g/L de cobre en la reextracción, con 183 g/L de ácido. En América el cobalto se agrega a propósito para proteger los ánodos (capítulo 5); en África llega por arrastre desde un PLS con cobalto.
Lo que vas a encontrar instrumentado
Fuentes
- Sole, K. C., Zárate, G., Steeples, J., Tinkler, O. y Robinson, T. G. Global survey of copper solvent extraction operations and practices (datos de plantas de 2012). ResearchGate. Tablas 1 a 3, extracción promedio de 94,2 %, configuraciones 2E+2S y 2E+1S, extractante de 3 a 35 % vol, tiempos de mezcla, decantadores y lavado en Chile.
- Schlesinger, M. E. y otros, Extractive Metallurgy of Copper, Elsevier: química de la extracción con oximas y método de McCabe-Thiele.
- La constante de equilibrio, la capacidad del extractante, el arrastre y la selectividad del laboratorio son supuestos didácticos, no datos de un extractante comercial.