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ARTÍCULOS CIENTÍFICOS ISSN 1992 4194

INFOMIN VOL. 3, NO. 1, ABRIL-JUNIO, 2011 35

SORCIÓN DE NÍQUEL Y COBALTO CON RESINA DE INTERCAMBIO IÓNICO DE PULPAS CARBONATO-AMONIACALES.

Esteban Alfonso Olmo (1), Zayli Pérez Massó (1), María de Fátima Bugallo Davis (1),

Pág.35-44 RESUMEN El tratamiento de minerales serpentínicos por las tecnologías carbonato- amoniacales y ácidas a presión implementadas en el país ha estado limitado fundamentalmente por el alto contenido de Magnesio y las malas características de sedimentación de las pulpas lixiviadas. El CIPIMM ha desarrollado una tecnología para el tratamiento de minerales serpentínicos, en particular de los yacimientos de Moa Oriental y de Nicaro, con el empleo del proceso de resina en pulpa (RIP) para la recuperación de (Ni, Co). El trabajo en cuestión se basa en el desarrollo de una tecnología para el aprovechamiento racional de estos minerales. El proyecto contempla en su ejecución una recopilación y análisis sobre la temática en cuestión, la caracterización física del mineral, y ejecución de pruebas de laboratorio para la obtención de los distintos compuestos para las pruebas de laboratorio, pruebas de laboratorios más amplios y pruebas a escala de banco. Se exponen los resultados de la desorción de estos metales de la resina saturada con las diferentes soluciones desorbedoras empleadas, en los cuales se demostró la baja eficiencia de desorción de la solución desorbedora de carbonato de amonio, La extracción de (Ni, Co) en las pruebas realizadas permite alcanzar extracciones de 77,0 % y 55,0 %, del mineral reducido, respectivamente, en 7 etapa de contacto de resina y pulpa. Además, se presentará una evaluación preliminar estrictamente orientada a la tecnología de sorción. Palabras cable: Resinas de intercambio iónico, recuperación de níquel y cobalto, pulpas carbonato-amoniacales ABSTRACT: The treatment of serpentinitic minerals by the carbonate-ammoniacal and pressure acid technologies implemented in the country has been limited mainly by the high Magnesium content and the bad settling characteristics of the leached pulps. CIPIMM has developed a technology for the serpentinitic minerals treatment, particularly, of the Oriental Moa and Nicaro deposits, by using the resin in pulp process (RIP) for Ni and Co. recovery. The work is based in the development of technologies for the rational exploitation of these minerals. The project has in its execution, a gathering and an analysis of the literature published about the subject, the physic-chemical characterization of the mineral, the design and the carrying out of the lab tests to obtain the different compounds, wider laboratory tests and bench tests. The results of desorption of these metals from the saturated resin with the different desorbent solutions used are shown. They demonstrate the low desorption efficiency of the desorbing solution of ammonium carbonate. The Ni and Co extraction in the tests carried out permits to get extractions of 77.0% and 55.0% of the reduced mineral respectively, in the 7

th stage of resine

and pulp contact. Besides, a preliminary evaluation strictly oriented to the sorption technology will be presented. Key words: Ionic exchange resins, nickel and cobalt recovery, carbonate-ammoniacal pulps.

Recibido: 1 de noviembre del 2010 Aprobado en su forma original: 21 de febrero del 2011 _____________________________________________________________________ (1)

Centro de Investigaciones ara la Industria Minero-Metalúrgica (CIPIMM), Carretera Varona

No. 12028, km 1½, Boyeros, Ciudad Habana, Cuba. Correo electró[email protected]

mailto:[email protected]



INTRODUCCIÓN:

La tecnología carbonato amoniacal desarrollada hace más de 60 años para el tratamiento de lateritas consiste básicamente en la reducción a altas temperaturas (700 – 800 ºC) del níquel y cobalto del mineral y su posterior lixiviación con solución carbonato amoniacal con la formación de complejos aminados de estos metales.

Entre las mayores deficiencias de la tecnología carbonato-amoniacal, implementada en las empresas René Ramos Latour (Nicaro) y Ernesto Che Guevara, se pueden citar las siguientes: Baja extracción de níquel del mineral reducido (74 -76 %) y sobre todo del cobalto (20 - 25 %) debido a la incompleta reducción de estos metales en la calcinación, su coprecipitación con el hidróxido férrico y el lavado incompleto de los metales en el proceso de lavado a contracorriente. Problemas frecuentes con las características reológicas de las pulpas lixiviadas como son bajos índices de espesamiento, rebosos sucios, etc. El tiempo prolongado de tratamiento de las pulpas (cerca de 72 horas) y junto con esto un gran volumen de equipos de los procesos empleados de espesamiento de pulpas en las operaciones de lixiviación y lavados. Las resinas de intercambio iónico se han utilizado industrialmente por más de 50 años en varias industrias, incluyendo la hidrometalurgia(2).Dado el creciente desarrollo de las resinas y la optimización de los procesos de adsorción, las industrias de la minería y el galvanizado, disponen de nuevas y mejores herramientas. Existe un número de estudios realizados sobre el uso de resinas iminodiacéticas para la recuperación de níquel y cobalto de colas lixiviadas de

lateritas y soluciones lixiviadas. Las resinas queláticas iminodiacéticas han sido estudiadas ampliamente por distintos autores mostrando selectividad a la sorción de níquel con relación al magnesio, por lo que tienen perspectivas de aplicación en el tratamiento de minerales con altos contenidos relativos de magnesio., esta resina alcanza una recuperación eficaz del níquel y el cobalto en el procesamiento de las pulpas amoniacales de las serpentinas niquelíferas lixiviadas.

MATERIALES Y MÉTODOS Materiales Resina de intercambio iónico en

forma (NH4)+ Purolite.

Pulpa carbonato amoniacal mineral reducido del tanque de contacto de la empresa René Ramos Latour.

Solución de carbonato de amonio. Solución de H2SO4 1.5 M. Solución ácido clorhídrico (1:1). Agua destilada. Métodos Preparación de la pulpa.

La pulpa de contacto traída de la planta de lixiviación de la empresa René Ramos Latour, manteniendo la concentración de NH3 en el mismo nivel aproximado con una densidad igual a 1,40g/L y 38 % de sólidos fue aireada en un reactor durante 2 horas con flujo de aire de 150 L/kg de mineral y posteriormente el sólido fue molido en molinos de bolas a -0.074 mm (-200 mesh). La pulpa aireada simulando una etapa de lixiviación se aprecia en la siguiente tabla.



Tabla 1. Contenido de metales en las fases líquidas y sólidas de la pulpa de contacto y de la pulpa de contacto aireada, empleada en el proceso de sorción.

CONTENIDO DE METALES

Ni Co Mg NH3 CO2

PULPA DE CONTACTO

Fase líquida (g/L) 3,95 0,11 0,025 58,0 29,0

Fase sólida (%) 0,80 0,082 4,38 - -

PULPA DE CONTACTO AIREADA

Fase líquida (g/L) 4,95 0,15 0,030 50,0 25,0

Fase sólida (%) 0,46 0,075 4,35 - -

Cinética de sorción Para determinar la cinética de sorción se procedió a tomar de la resina a estudiar, porciones de 30 mL en 5 frascos plásticos de 500 mL de capacidad, añadiéndose a cada uno 150 mL de la pulpa carbonato amoniacal lixiviada preparada. Los 5 frascos con las mezclas de resina y pulpa se agitaron en agitador de bandeja o zaranda vibratoria retirándose consecutivamente cada frasco a los 30, 60, 120, 180 y 300 minutos, posteriormente se separó la resina de la pulpa de cada frasco mediante una malla, se lavó con agua para eliminar el sólido embebido y se le determinó el contenido de níquel adsorbido en la misma. Determinación de la isoterma de

Sorción Se tomaron diferentes volúmenes de resina a estudiar y se pusieron en contacto con volúmenes iguales de pulpas lixiviadas en pomos plásticos de 500 mL agitándose en agitador de bandeja durante 4 horas. Después de contactadas las pulpas, las resinas fueron separadas por medio de una malla ajustada de 1.00mm a los pomos que retenía la resina y permitía el paso de la pulpa. Las pulpas eran filtradas y las resinas lavadas con agua para eliminar la pulpa embebida en las mismas.

Se tomaron 5 mL de resina de cada una de las porciones empleadas y se eluyó con solución de HCl, obtenida esta de la dilución con volúmenes iguales de HCl concentrado y agua. Los eluatos y lavados de las resinas se recogen en frascos volumétricos de 100 mL. A ambos licores: los filtrados de las pulpas y los eluatos se le determinaba el contenido de níquel. Las concentraciones de níquel en equilibrio de la resina y de las soluciones filtradas se colocaban en el eje de las ordenadas y abscisas respectivamente, construyéndose después la isoterma de sorción y mediante la línea de trabajo se determinaba el número de etapas teóricas de sorción. (Anexo 2). Pruebas de sorción de níquel y

cobalto de las pulpas carbonato amoniacales

Las pruebas se realizaron con la pulpa preparada en sistema a contracorriente pulpa-resina en 7 etapas. La relación de flujos pulpa-resina era de 5 y el tiempo de contacto en cada etapa de 35 minutos. Después de alcanzado el sistema estable del proceso de Sorción se detenían las pruebas (corte) y se analizaba el contenido de metales en las fases líquida y sólida de la pulpa así como de la resina en cada etapa.



RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Cinética de Sorción Como se puede apreciar en la Figura 1, donde se refleja el resultado de la cinética de sorción realizada, después

de 200 minutos, aproximadamente, el sistema ha alcanzado la estabilidad, es decir ya se ha establecido un equilibrio de los metales en ambas fases: licor y resina. Este dato es importante para establecer el tiempo de residencia para cada etapa en la prueba de sorción.

Fig. 1.- Cinética de Sorción

Determinación de la isoterma de Sorción La isoterma de Sorción obtenida en las condiciones dadas con la resina Purolite empleada se puede observar que asumiendo un 92% del empleo de la capacidad de trabajo de dicha resina y un mínimo de concentración de níquel en la pulpa agotada (0,007 g/L) se obtiene la línea de trabajo AB, de ahí que el número de etapas teóricas según la Figura es 6, por lo que se diseña la prueba de Sorción a contracorriente con una etapa más.

Pruebas de sorción de níquel y cobalto de las pulpas carbonato amoniacales preparadas En la Tabla 2 se muestran los resultados obtenidos de la concentración de metales en el sistema estabilizado de sorción a contracorriente de resina y pulpa. Con relación al comportamiento del níquel en la fase sólida de la pulpa, se observa una disminución gradual de la concentración del níquel desde 0,38 % hasta 0,29 %, lo mismo ocurre para el cobalto, desde 0,070 hasta 0,040 %. Menos acentuada es la del magnesio

0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400

Tiempo de contacto (min)

Ni

en

resin

a (g/L)



Fig. 2 Concentración de metales en la fase sólida durante las etapas de Sorción.

Tabla 2. Concentración de metales por etapas de Sorción en el proceso de resina en pulpa en sistema estable.

FASE SÓLIDA (%) ETAPAS DE SORCIÓN

1 2 3 4 5 6 7

Ni 0,38 0,34 0,32 0,30 0,30 0,29 0,29

Co 0,070 0,065 0,059 0,049 0,045 0,041 0,040

Mg 4,30 4,29 4,20 4,00 4,00 3,98 3,98

FASE LÍQUIDA (g/L)

Ni 4,90 4,00 3,50 3,00 1,00 0,080 0,005

Co 0,15 0,14 0,14 0,10 0,050 0,050 0,010

Mg 0,030 0,030 0,025 0,020 0,020 0,015 0,015

FASE RESINA (g/L)

Ni 26,00 25,00 24,00 20,00 10,96 1,70 0,10

Co 0,60 0,58 0,50 0,35 0,25 0,15 0,15

Mg 0,60 0,58 0,50 0,45 0,32 0,25 0,15

El siguiente esquema refleja la prueba de Sorción a contra corriente de resina y pulpa.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

1 2 3 4 5 6 7

No DE ETAPAS

CO

NC

EN

TR

AC

IÓN

DE

Ni

y C

o %

3,8

3,9

4

4,1

4,2

4,3

4,4

CO

NC

EN

TR

AC

IÓN

DE

Mg %

Co

Ni

Mg



La concentración de metales en la fase líquida de la pulpa se refleja en el Figura 3 (Ver Anexo 3), en este caso la disminución de la concentración de equilibrio de los metales (Ni, Co) nos permite aseverar que la sorción del (Ni, Co) aumenta gradualmente por etapas, no así para el Mg que comienza a adsorberse en la resina a partir de la segunda etapa en mucho menor grado relativamente. Las concentraciones de (Ni, Co) y Mg alcanzadas en la etapa 7 (pulpa agotada) son de 0,005; 0,010 y 0,0159 respectivamente. Por último, se refleja

en el Figura 4 (Ver Anexo 4) la concentración de metales en la fase resina. En este caso, debe observarse que la máxima concentración de Ni en resina es de 26 g/L, muy superior a la capacidad de Ni obtenida en las pruebas con la resina experimental Purolite) realizadas en trabajos anteriores en iguales condiciones, la cual adsorbía hasta 14 g/L para el cobalto y el magnesio la máxima concentración en resina es de 0,6 g/L.

Desorción de metales de la resina saturada con solución de carbonato de amonio

.

Fig. 5.- Curva de desorción diferencial para él Ni empleando como solución

desorbedora carbonato de amonio.

Analizando la Figura 5, se observa la baja eficiencia de desorción de esta solución, pues solamente se alcanza 3.1 g/L de Ni cómo máxima concentración al pasar 0,389 Vs/Vr.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 2 4 6 8 10 12

Vs/Vr

Concentr

ació

n d

e m

eta

les

(g/L)



Fig. 6.- Curva de desorción integral para él Ni empleando como solución desorbedora carbonato de amonio. En la Figura 6 se aprecia que con esta solución desorbedora sólo se extrae, como máximo, el 27 % del Ni total adsorbido en la resina al pasar 10,8 Vs/Vr.

Desorción de metales de la resina saturada con H2SO4 1,5 M Como se puede observar en la Figura 7 el níquel adsorbido en la resina es fácilmente desorbido con solución de H2SO4 1,5 M. La máxima concentración de níquel (19,6 g/L) se alcanza al pasar 0,83 Vs/Vr. La totalidad del metal adsorbido en la resina se desorbe al

pasar 3,5 Vs/Vr según se aprecia en el Figura 8. El cobalto, por su parte, alcanza la desorción de su máxima concentración (0,6 g/L) al pasar 1,5 Vs/Vr y para lograr la total desorción de dicho metal se requiere pasar 2,77 Vs/Vr. El comportamiento del magnesio en la desorción es similar a la del cobalto.

Fig. 7.- Curva de desorción diferencial para el Ni empleando como solución desorbedora H2SO4 1,5 M.

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

0 2 4 6 8 10 12

Vs/Vr

DE

SO

RC

IÓN

(%

)

-5

0

5

10

15

20

25

0,00 2,00 4,00 6,00

Vs/Vr

Con

cen

tració

n d

e N

i (g

/L)

Ni

Co



Fig. 8.- Curva de desorción integral empleando como solución desorbedora H2SO4 1,5 M. CONCLUSIONES 1. Se ha comprobado la posibilidad

del empleo eficiente de la resina iminodiacética Purolite para la sorción de níquel y cobalto de pulpas carbonato amoniacales de mineral reducido por lo que la etapa de separación de las fases líquidas y sólidas por el proceso de sedimentación no es necesaria.

2. La extracción de (Ni, Co) en las pruebas realizadas permite alcanzar extracciones de 77,0 % y 55,0 %, del mineral reducido, respectivamente, en un proceso de sorción de 7 etapas con una cinética de sorción de 200 minutos.

3. El níquel y cobalto adsorbidos en la resina son fácilmente desorbidos con el empleo de soluciones de H2SO4 1,5 M lográndose la completa desorción de estos metales al pasar 4,0 volúmenes de solución desorbedora por volumen de resina (Vs/Vr). La máxima concentración de níquel (19,6 g/L) se alcanza al pasar 0,83 Vs/Vr.

BIBLIOGRÁFÍA Alfonso, E. 1980. Mejoras en la lixiviación ácida de lateritas para la recuperación de níquel y cobalto. Patente Cubana No. 20731 Alfonso, E. 1980. Método de separación de níquel y cobalto. Patente Cubana No. 20827. Alfonso, Esteban. 1976. Manual Uso de resinas de intercambio iónico en la hidrometalurgia. CIPIMM Beregovski, V. y Kistiakovski, B. 1974. Metalurgia del cobre y del níquel. Editorial MIR, URSS Carbonatación de minerales lateríticos reducidos para la recuperación de níquel y cobalto. 1980. Patente Cubana No. 20798 Cullity, B. D. 1980. Elements of X-ray difraction. Editorial Pueblo y educación. Cuba. Gabin Freeman, Sherritt metals, Calgary Alberta. Literatura review for a resin-in-pulp process for recovery of nickel and cobalt from laterite leach tailings. Cánada, 2003. Granda, O., Gutiérrez, J., Alfonso, E. 1979.

Separación de Ni, Co y Cu de soluciones

sulfato-amoniacales con el empleo del

método de extracción por solventes.

Revista La Minería en Cuba Vol. XV, No. 4

Hernández Estrada, Sergio, Castellanos, José y otros. 1974. Metalurgia extractiva de los minerales oxidados de níquel. Editorial Organismos, Cuba.

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

Vs/Vr

Desorc

ión

de N

i %

Ni

Co



ANEXOSANEXO 1. CARACTERÍSTICAS DE LA RESINA PUROLITE Polymer Structure: Macroporous crosslinked polymer Appearance: Spherical beads Functional Group: Iminodiacetic Ionic form as shipped: Na Mean Size Typical: 0.60-0.85 mm Uniformity Coefficient: (max.) 1.5 Specific Gravity: 1.13 g/ml Shipping Weight: (approx.) 710-745 g/l pH Range (operating) H+ Form : 2-6 Na+ Form: 6-11 Moisture Retention: Na+ 55-65 % Swelling (max.): H+ Na+ : 20 Total Exchange Capacity, H+ Form (wet, volumetric): 1.1 eq/L, min. Na+ Form: 0.94 eq/L, min. Max. Operating Temperature, H+ Form: 70 ºC

ANEXO 2. ISOTERMA DE SORCIÓN EMPLEANDO LA RESINA PUROLITE

ANEXO 3. Fig. 3. CONCENTRACIÓN DE METALES EN LA FASE ACUOSA DURANTE LAS ETAPAS DE SORCIÓN.

0

5

10

15

20

25

30

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Solución Ni (g/L)

Resin

a N

i (g

/L)



ANEXO 4. Fig. 4.- CONCENTRACIÓN DE METALES EN LA FASE RESINA DURANTE LAS ETAPAS DE SORCIÓN

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

1 2 3 4 5 6 7

No DE ETAPAS

CO

NC

EN

TR

AC

IÓN

DE

Ni

g/L

-1

0

1

2

3

4

5

6C

ON

CE

NT

RA

CIÓ

N D

E C

o Y

Mg g

/L

Co

Mg

Ni

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

1 2 3 4 5 6 7

No DE ETAPAS

CO

NC

EN

TR

AC

IÓN

DE

Ni

y C

o %

3,8

3,9

4

4,1

4,2

4,3

4,4

CO

NC

EN

TR

AC

IÓN

DE

Mg %

Co

Ni

Mg

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