Lixiviación con Acido Sulfúrico a Presión del Mineral de Níquel de Loma de Hierro

LatinAmerican [ournal o/ Metallurgy and Materials, Vol 4, N° 1, 1984

Lixiviación con Acido Sulfúrico a Presión del Mineral de Níquel de Loma de Hierro Elizabetta Orlandoni M.y Sergio Miranda C.

Escuela de Ingeniería Química, Universidad de Los Andes, Mérida-Venezuela

Se lixivia lateritas niquelíferas de Loma de Hierro (Estados Aragua, Miranda, Venezuela) con ácido sulfúrico a presión. la com-posición media de las muestras procesadas es: Ni 1.6%, Fe 38,6%, Co 0.15%, Mg 1.7%, Mn 0.7%, SiO. 13%. Se emplea un reac-tor discontinuo de 2 litros que se carga con una pulpa de 45% de mineral y 55% de ácido sulfúrico diluido. La relación ácido a mineral se determina expresando el ácido diluido como su equivalente en H,S04 100%. Se determina Ni, Co, Mg, Mn y Fe extraídos para relaciones ácido sulfúrico puro/mineral, 0.1,0.2 Y0.3 Ypara temperaturas de 200, 230, 250 Y270 "c.El proceso se controla analizando los cationes presentes en el licor de lixiviación y en el residuo sólido, por espeetrofotometría de absor-ción atómica. El Ni, Co y Mn extraídos aumentan con la relación ácido sulfúrico puro a mineral. Para la relación ácido puro/ mineraldeO.3 se tiene una recuperaeióndel70% de Ni, 80% de Co y 75% de Mn. El po rce ntaje de ácido consumido por el Ni, Co

yMn para una relación ácido puro a mineral superior aO.1 e.s, aproximadamente, 17% del ácido alimentado. Los sulfatos inso-lubles consumen cerca delSO% del ácido, independientemente de la relación ácido puro a mineral. El resto del ácido es consu-mido por los sulfatos solubles de hierro ymagnesia. Para tiempos de reacción mayores de 15 minutos y temperaturas de 200 a 270 "C, el porcentaje de extracción del Ni, Co y Mn es función de la relación ácido puro a mineral, pero no de la tem-peratura.

Pressure Leaching of Nickel Mineral of Loma de Hierro by Sulfuric Acid

The experimentalleaching process of the nickel- ferrous la terites from Loma de Hierro (Aragua Sta te, Venezuela) with sulphu-rie acid under pressure is studied. The ehemical analysis of the processed sa mplcs gave: Ni 1.6%, Fe 38.6%, CoO.1S%, Mg 1.7%, Mn 0.7% and SiO, 13%. The temperature and the reactíon time are changed mantaining a pulp of 45% ore and )5% diluited sulphuric acid. The extracted quantities ofNi, Co and Mn increase with the H,SO-j-ore ratio. With a 0.3 ratio the recovery is 70% Ni, 80% Co and 75% Mn. From the feed sulphu ric acid, for acid-ore rat ios greater than 0.1, a \7% is consumed by Ni, Co and Mn and 50% by prccipitation ()f basic sulphates, independently from thc acíd-ore ratio .•Berween 200 and 270 nC, when rea ctio n times are greatcr than 15 minutes, the extracted amount ofNi, Co and Mn are function of the acid-ore ratio and they are temperature independent.

1. GENERALIDADES

El mineral de Loma de Hierro (Estados Aragua-Miranda, Venezuela), consiste, básicamente, en óxi-dos o mineral de lateritas niquelíferas, producto típico de la meteorización tropical a consecuencia de lahídrólisís progresiva de los minerales de la roca. Estas tienen un elevado contenido de óxido de hierro [1-5, 9, 10, 12, 13]. La exracción del níquel se ha resuelto por dos caminos: la pirometalurgia y la hidrometalurgia, teniendo ventajas la segunda sobre la primera, ya que elimina el problema de contamina-ción ambiental. La hidrometalurgia consiste en el calentamiento del mineral o concentrado con un lixi-viante apropiado, de manera que se lixivien las meta-les deseados. El proceso debe ser selectivoypara ello es necesario, también, trabajar

a

elevadas ternperatu-rasy presiones. La lixiviación con ácido sulfúrico a elevadas presiones y temperaturas presenta las si-guientes ventajas: selectividad máxima, reducción.de consumo de ácido, licor delixiviación con bajo con-tenido en hierro, con la consecuente sencillez en la recuperación del níquel [5, 6,8, 14].

2. ESTUDIO EXPERIMENTAL

Luego de la búsqueda del mineral, éste se seca, mueley.cuartea hasta obtener una muestra total uni-forme de grano entre 80-180 mallas. El mineral se somete al proceso de lixiviación con ácido sulfúrico diluido en proporción determinada, colocando la mezcla en un reactor Parr de2 litros. Las experien-cias se hacen a diversas temperaturas y presiones, dis-tintas proporciones de ácido sulfúrico y diferentes tiempos de reacción, para estudiar la evolución de la extracción del níquel. Una vez terminada la reacción, se abre el reactor y se saca la masa lixiviada, lavándose con agua y separándose, por decantación y filtración posterior, el licor y el minerallixiviado, anotándose el peso de ambos.Se analizan el licoryel minerallixi-viado por espectrofotometría de absorción atómica, determinándose níquel, hierro, cobalto, magnesio y manganeso.

Se realizaron 31 experiencias, variando:

- Relación ácido sulfúrico puro/mineral, en peso.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 4,N° 1, 1984

- Tiempo de reacción. - Temperatura,

y dejando constante la densidad de la carga del re ac-tor en:

45% en peso de mineral seco.

55% en peso de ácido sulfúrico diluido.

La Tabla 1 resume las condiciones experimenta-les para cada ensayo.

La sílice se determina en el mineral original por ataque con ácido nítrico concentrado.

TABLA N° 1

LIXIVIACIONES PARARELACIONES ACIDO SULFURICO PURO A MINERAL

0.1,0.2Y 0.3

CARGA DEL REACTOR: Mineral seco 350gr.

. Acido Sulfúrico diluido 427.6gr.

Experiencia N° Temperatura °e Tiempo Min. Presión Psig. H2S02 100% aMINERAL0.1 17 230 15 500 18 230 30 500 19 230 60 500 20 230 90 500 21 250 15 620 22 250 30 620 23 250 60 620 24 250 90 620 25 270 15 800 26 270 30 800 27 270 60 800 28 270 90 800 H,SO. 100% a MINERAL0.2 1 250 30 620 2 250 60 620 3 250 90 620 4 250 15 620 5 200 15 220 6 200 30 220 7 200 60 220 8 200 90 220 9 230 15 500 10 230 30 500 11 230 60 500 12 230 90 500 13 270 15 800 14 270 30 800 15 270 60 800 16 270 90 800 H2S04 100% a MINERAL0.3 29 30 31 230 230 230 30 15 90 500 500 500 3. RESULTADOS

El mineral original contiene, según análisis: 1.62% de Ni; 38.57% de Fe; 0.15% de Co; 1.74% de Mg;0.71% de Mn y 13%de Si02• LasFigs. 1,2 Y3 pre

-sentan los porcentajes en peso de extracción de los cationes vs. tiempo de reacción a diferentes tempera-turas, manteniendo la relación ácido sulfúrico puro/

mineral ~n 0.1. Las Figs. 4, 5, 6 Y 7 representan los porcentajes de extracción de los cationes vs.tiempo de reacción a diferentes temperaturas, manteniendo

la relación ácido sulfúrico puro/mineral en 0.2. La

Fig.8 presenta losporcentajes en peso de extracción de los cationes vs.tiempo de reacción a 230°C ycon relación ácido sulfúrico puro/mineral de 0.3. La Fig.

9 COmpara los porcentajes de Ni, Fe extraídos con relación ácido sulfúrico puro/mineral de 0.1 y 0.2 a 270°C. La Fig. 10 compara los porcentajes de Ni, Fe extraídos con relación ácido puro/mineral de0.1; 0.2 Y0.3 a 230°C. La Fig. 11 muestra los porcentajes de Ni extraídos vs. temperatura, manteniendo como parámetro la relación ácido sulfúrico puro/ mineral a un tiempo de reacción de 30 minutos.

4. DISCUSION

4.1. Extracción

a. De las Figs. 1 a 3seobserva que el porcentaje

máximo de extracción de níquel es del

37.31%, que corresponde a un tiempo de reacción de 30 minutos, T= 270°C y re la-ción ácido puro, mineral de 0.1. A ese máximo de extracción corresponde un pro -medio mínimo de extracción de hierro (0.96%). Debe notarse que la extracción má -xima de hierro (1.49%, t = 30 min, T = 250°C) corresponde a lamáxima extracción de cobalto (67.06%) y manganeso (75.57%),

mientras que el níquel se mantiene en un promedio del 33.22%.

b. De las Figs. 4 a 7 se observa un porcentaje máximo de extracción de níquel (59.28%) a

t= 90 min, T= 250 °Cyrelación ácido puro/

mineral de 0.2. El máximo porcentaje de

extracción de hierro (9.12%, t= 30 min y T= 250°C) corresponde al máximo de mag

-nesio (45.22%) y manganeso (82,23%), mientras que el cobalto se aproxima al máximo (80.73%) y el níquel se mantiene en un promedio del 57.27% de extracción. c. La Fig. 8 muestra el porcentaje máximo de

extracción de níquel (70.55% t= 15 min,

T = 230°C yrelación ácido puro/ VIÍneral de 0.3) al que corresponde una extracción del 6.8% de hierro.

d. La Tabla 2 compara los porcentajes de

extracción de ruquel y hierro para relaciones

tempe-Latin/imerican [ournal o/ Metallurgy and Materials, Vol.4, N° 1, 1984

ratura máxima de operación (270°C). Con la duplicación de la cantidad de ácido sulfúrico puro utílízado, hay un aumento promedio de extracción del 24% en níquel y del 3.5% en hierro.

e. La tabla 3 compara los porcentajes de extrac-ción de níquel yhierro a diferentes relacio-nes de ácido puro/mineral (Fig. 10) a230°C. Con la triplicación de la cantidad de ácido sulfúrico puro utilizado, la extracción del níquel aumenta el 36% en promedio, mie n-tras queel aumento promedio de extracción de hierro es del 6.71%; al variar la relación ácido/mineral de 0.2 a 0.3 hay un aumento del 12% en extracción de níquel, y un au-mento del 3.21% de extracción de hierro. f. La Hg. 11 representa los porcentajes de

extracción de níquel y hierro vs. tempera-tura con"t ~ 30 min y parámetro la relación ácido sulfúrico puro/mineral.

Se

observa que resultan líneas rectas de pendiente apro-ximadamente constante, cuyos valores son: 0.044% de extracción de Ni/oC y 0,01% de extracción de Fe/oC, las pendientes de las rectas son bastante pequeñas, de donde se deduceque la extracción depende de la rela-ción ácido sulfúrico puro/mineral y es bas-tante independiente de la temperatura ydel tiempo dereacción, enel rango de tempera-turasy tiempos de experimentación.

TABl.A N°2

EXTRAeeION DE NIQUEL y HIERRO A270 "e

Aojo 0.1 mineral t,min Ni Fe 15 29.53 0.95 30 37.31 0.96 60 34.99 0.97 90 35.80 0.97 0.2

Lo anterior debe considerarse tomando en cuenta las siguientes condiciones de ope-ración:

- Los tiempos de reaccion se midieron desde el momento en que el reactor al-canzó la temperatura de trabajo hasta que se desconectó el sistema de calenta-miento.

- Desdequese inicia el calentamiento hasta que se alcanza la temperatura de trabajo transcurren cerca de 45 min,

- Desde que se desconecta la calefacción hasta que la temperatura baja a 120°C, transcurren cerca de 90 minutos.

Relación H2S04/minera I :=0.1 T=230 o

e

Mn

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15 30 60 90 Ni Fe ~tJmin

58.95 4.51 _Fig.l

-t:

Extracción Ni, Fe,Mg,Mn,

56.23 4.72

57.76 5.05 Co vs.Tiempo

56.64 5.08

TABl.A N° 3

EXTRAeeION DE NIQUEL y HIERRO A230 "e

Acido 0.1 0.2 _0.3 Mineral 1,min Ni Fe Ni Fe Ni Fe 15 34.59 1.07 52.87 4.54 70.5.5 6.80 30 34.53 1.36 56.32 4.90 69.36 7.34 60 30.63 1.30 59.08 5.00 90 30.24 1.36 57.80 4.59 64.38 9.44

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 4, N° 1, 1984 20 Relación H2S04/mineral =0.1 T=250°C I I ! Mn

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15 30 60 90

Fig.2

~ t,min

-t;

Extracción Ni, Fe,Mg, Mn, Co vs. Tiempo u u ni '-Relación _~S04 Imineral = 0.2 T = 200°C ./ ('~

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15 30 60 'X, ~ t.rnin 90

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Extraccion:Ni,FeJMgJMn, Co vs. Tiempo 100 Relación H2S04 Imineral =0.1 T=270°C Mn

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15 30 60 - trnin 90

Fig.6 010 Ext racción: Ni,FeJMgJMnJ Co vs Tiempo Relación H2S04 1mineral =0.3 T= 230°C Co ~ _~ ~ & _Ni /'7 I , 1 ~ , 1

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Fig.8

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Extracción Ni,Fe,MgJMn, Co vs Ti empo Relación H2S04 Imineral =0.2 T=270°C Co

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15 30 60 90 - t,min % Extracción: Ni,Fe,Mg,Mn, Co vs Tiempo T = 270°C R =Relación H2S04 Imineral

I

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I Ni R = 0.2 ,,¡... I

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Fig.9 30 60 90 15 ~ t,min

% ExtracciónNi,Fe con diferentes Relaciones H2S04/mineral

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 4, N' 1, 1984 T,. 230°C R = Relación HZS04/mineral

-

-

Ni, R=0.3 ". ,

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I _{Ni R=0.2} I ,

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-I _I I // I I I Fe R=0.2 Fe,R 0.1 I Fe,R FO.3 L I / I

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V-I ,.,._-IY LJ"';::::' -100 e 'o u 80 ~ •.... -+-" x W ;f 60 20

o

15 30 60 90 Fig.lO

---,.;>

t,min % Ext racción Ni,Fe con diferentes Relaciones HZS04/ mineral

4.2. Consumo de ácido

Se titula el licor de lixiviación para de termi-nar el ácido residual luego de la extracción, esta titulación indica que elí 00% del ácido sulfúrico se ha consumido: el licor de lixiviación está a un pH aproximadamente neutro. Elequivalente en ácido sulfúrico de los sulfatos en el licor de lixi-viación, es inferior al ácido alimentado al reac-tor, es decir, parte de los sulfatos han perma-necido insolubles en el residuo sólido. Laforma -ción de sulfatos insolubles en soluciones neu-tras, se menciona en trabajos sobre la extracción de níquel (15), ycomo principal componente se

cita el Fe(OH)S04' que se formaría de acuerdo a

la ecuación:

Fe2(S04)3 +H20 +MeO ---. 2Fe(OH)S04 +

+

MeS04

donde Me= Ni, ce, Mn, Mg.

En la Tabla4 pueden observarse los porcen-tajes promedios de ácido sulfúrico que consu-men los: sulfatos insolubles ysulfatos de hierro, níquel, cobalto, manganeso ymagnesio, para las

relaciones ácido sulfúrico puro! mineral de 0.1;

0.2 Y0.3 Y temperaturas de 200,230,250 Y 270 grados centígrados, calculados a partir de los balances en sulfato.

Tiempo de reacción, t= 30 min

1 R =Relación HZS04 / miner 1

I

I -

-I

, NI,I"<=U.L I 1 Ni, R=O.l ! ----~'--"-"" ._--- 1- -Fe, R=0.2 Fe R=O.l 100 ,~ 80 u u ~

-

x w 60 ;f 40 20

o

200 230 250 270 ---T,oC % Extracción Ni,Fe vs

Temperatu-ra con tiempo de reacción de 30min Fig .11

TABLA N° 4

CONSUMO DE ACIDO

ACIDO A MINr.RAL 0.1

T,°C 200 230 2;0 270 % % % (Ni, Co;Mn¡S04 22 35 30 Fel(S04)¡ 12 12.5 10 Mg(S04) 9 10.5 ₉ Sulfatos insolubles 57 42 51 ACIDO AMINERAL 0.2 (Ni, Co, Mn)S04 17 17 18 17 Fe,(S04)' 20 24 44 24 Mg(S04) 7 ₉ 14 8 Sulfatos insolubles 56 50 24 51

ACIDO A MINERAL 0.3

(Ni, Co, Mn)SO.¡ 16

Fe,(S04); 24

Mg(S04) 5

Sulfatos

LatinAmcrican [ourna! of Metli!lllrgy and Materials, Vol. 4, N° 1, 1984

La formación de sulfatos insolubles compite directamente con la formación de los sulfatos solubles de hierro y magnesio, mientras que el porcentaje deácido consumido en la extracción de los sulfatos deníquel, cobalto y manganeso se mantiene aproximadamente constante. La for-maciónde sulfatos insolubles se favorece cuando el ácido reaccionante está en cantidad limitada, ya que la solución se neutraliza rápidamente y hay competencia con la formación de sulfatos solubles. También debe influir el tiempo que transcurre entre la descarga del reactor y la filtra-ción y lavado del residuo sólido. Al dejar en contacto la solución de lixiviación conel residuo sólido atemperatura ambiente, el ácido residual reacciona conparte del óxido dehierro, pasando asulfato de hierro solubles; al agotarse el ácido, en ambiente neutro, entra a actuar el equi-librio:

lo que se traduciría como paso desulfato de la fase soluble ala insoluble.

CONCLUSIONES

a) El níquel, cobalto y manganeso extraídos, aumentan con la relación ácido sulfúrico puro! mineral.

Para una relación ácido puro! mineral de 0.3, se recupera un 70% del níquel, un 80% de cobalto y un 75% de manganeso.

El porcentaje de ácido consumido por el níquel, cobalto y manganeso, cuando la rela-ción ácido! mineral es superior a 0.1, es de aproximadamente el 17% del ácido ali-mentado.

Los sulfatos insolubles consumen cerca del 50% del ácido alimentado, independiente-mente de la relación ácido!mineral.

Entre 200°C y 270°C, para tiempos de reac-ción mayores de 15 minutos, el porcentaje extraído de níquel, cobalto ymanganeso es función de la relación ácido! mineral, pero no de la temperatura.

En un reactor por cochadas, el tiempo de reacción estaría determinado por los perío-dos de calentamiento y enfriamiento. En caso de un reactor continuo, él no superaría'

los 15 minutos. b) c) d) e) f) BIBLIOGRAFIA

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