UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTA FACULTAD D DE TECNOLOGÍA TECNOLOG ÍA QUÍMICA INDUSTRIAL
PERFIL DE PROYECTO DE GRADO “OBTENCIÓN DE EXTRACTO LÍQUIDO DE MANGANESO M ANGANESO MEDIANTE EL PROCESO DE LIXIVIACIÓN A PARTIR DE LA PIROLUSITA”
Postu!"t#$ U"%&' X%(#"! P!u)!*! M!(!"% Tuto*$ I"+' C#s!* Ru%, L! P!, - Bo%&%! ./01
“OBTENCIÓN DE EXTRACTO LÍQUIDO DE MANGANESO MEDIANTE EL PROCESO DE LIXIVIACIÓN A PARTIR DE LA PIROLUSITA” 0' INTRODUCCION El mineral de manganeso pirolusita se encuentra disponible como mineral de bajo grado, asociado a minerales de hierro como la hematita. Mediante procesos de lixiviación se lograra elevar el porcentaje de manganeso en el extracto líquido obtenido se realizara el estudio de variables óptimas para el proceso como el tamaño de partícula, relación ácido sul!rico"mineral, tiempo de lixiviación, concentración de ácido sul!rico, posteriormente mediante otros procesos que no son de inter#s en el pro$ecto se lograra obtener Mn% & de alta pureza para ser utilizado en la producción de baterías de litio principalmente.
.' ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN 'enemos las siguientes investigaciones que son de inter#s para el presentepro$ecto(
.'0 ESTUDIO B2SICO DEL PROCESO DE PURIFICACIÓN DE LA PIROLUSITA El estudio de investigación desarrollado en el pasado,nos da a conocerque esposible elevar la le$ del manganeso, a partir de una materia prima de baja le$, por el proceso de lixiviación acida hasta un )*+ Manganeso. Este producto no es suiciente para lograr ingresar en mercados competitivos, $a que ello es considerado como mineral con semi valor agregado. En dicha tesis se logróobtener un producto de-,*+ en Mn%&./0
.'. EFECTO DE LA TEMPERATURA Y LA CONCENTRACION DE 2CIDO SULF3RICO EN LA LIXIVIACIÓN DE MINERALES DE PIROLUSITA DE BA4O GRADO 1a lixiviación del mineral de pirolusita2hematita de bajo grado, constituido principalmente de &3+ de Mn% & $ ))+ de 4e &%*, ue investigada desde un punto de vista cin#tico. El mineral previamente reducido, se lixivio con 5 &6%- diluido. 6e estudió el eecto de la temperatura $ la concentración de ácido sul!rico en la cin#tica de lixiviación. 7asados en las observaciones experimentales, se propuso un mecanismo de lixiviación. 6e encontró que conorme a la reacción procede, se
orme una densa capa de sulatos sobre la supericie del mineral. Ello conduce a establecer la etapa controlante de la velocidad, como una diusión atreves de la capa de producto. 6e propone que la diusión de manganeso divalentes atreves de una capa de sulatos de hierro $ de manganeso, es la determinante de la velocidad. 1as energías aparentes de activación son /88.& $ //.9:;"mol a temperatura inerior $ superior a 93<= respectivamente. &0
1' PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1'0 IDENTIFICACION DEL PROBLEMA >?u# m#todo es másóptimopara obtener una solución rica con alto contenido de manganeso $ así ser destinado para la abricación de baterías de ion 2 litio@
1'. FORMULACION DEL PROBLEMA >?u# actores inlu$en en el proceso de lixiviaciónpara obtener un extracto líquido con alto contenido de manganeso@
5' OB4ETIVOS 5'0 OB4ETIVO GENERAL %btener un extracto líquidode manganeso mediante proceso de lixiviaciónácida en medio reductor a partir del mineral de manganeso pirolusita0.
5'. OB4ETIVOS ESPECÍFICOS
Aeterminar las variables del proceso de lixiviación como el tamaño de
partícula del mineral mediante el proceso de tamizado. Aeterminar mediante pruebas experimentales la relación optima de BCcido
sul!rico"mineral de manganesoD Aeterminar mediante pruebas experimentales la concentración de ácido
sul!rico. =aracterizar el mineral $ el producto obtenido mediante absorción atómica ME'MF'0.
6' 4USTIFICACIÓN 6'0 4USTIFICACIÓN TÉCNICA 1os procesos de separación conllevan a seguir un procedimiento detallado para cada elemento, así para la separación, sedimentación química del manganeso es actible, $ ácilmente soluble.
Guestro país, actualmente inauguró una planta piloto para la producción de baterías de litio en que el dióxido de manganeso puro es uno de los componentes para la abricación de las mencionadas baterías, razón por la que el pro$ecto de Hobtención de extracto liquido de manganeso mediante el proceso de lixiviación apartir de la pirolusitaI este extracto con alto contenido de manganeso es una alternativa para la obtención de dióxido de manganeso. En consecuencia, el análisis de variables operacionales a nivel de laboratorio permitirá adquirir conocimientos teóricos $ prácticos para una eiciente obtención de manganeso de grado apropiado para su uso en baterías de litio, además los resultados obtenidos podrán ser utilizados para pruebas de escalamiento a nivel de planta piloto.
6'.4USTIFICACIÓN ECONÓMICA Jermitirá obtener un potencial económico mu$ importante para el Jaís $a que la obtención de productos beneiciados con le$es establecidas grado metal!rgico, grado batería $ grado electrolítico0 pueden satisacer las expectativas del mercado nacional e internacional.
7' FUNDAMENTO TEÓRICO 7'0 EXTRACCIÓN Extracción es un m#todo empleado tanto comercialmente como en el laboratorio para separar una sustancia de una mezcla o disolución. En general se lleva a cabo utilizando un disolvente en el que la sustancia que queremos separar es mu$ soluble, siendo el resto de los materiales de la mezcla o disolución insolubles en #l. Es un extracto la sustancia que en orma concentrada se extraerá de otra de la cual conservará sus propiedades esenciales $ constitutivas '*0
7'.MINERALES DE MANGANESO El manganeso se encuentra en unos *33 minerales dierentes, de los cuales unos /& son importantes comercialmente. Existe en depósitos primarios asociado al oxígeno, en orma de silicatos. 6in embargo desde un punto de vista comercial son más importantes los depósitos secundarios de óxidos $ carbonatos, como los ormados por los minerales pirolusita Mn%&0 que es el más com!n,
hausmanitaMn*%-0 $ redocrosita Mn=%*0. El principal componente de los mismos es el propio manganeso entre un /) $ un *3 +0. -0
7'.'0 PROPIEDADES FISICO QUÍMICAS DEL MANGANESO
=olor blanco Jlateado parecido al hierro
Es un metal duro $ mu$ rágil
Junto de usión /&-) <=
Junto de ebullición &/)3<=
Keractario $ ácilmente oxidable
El Manganeso metal puede ser 4erromagn#tico
6e corroe con aire h!medo $ se disuelve en ácidos.
7'1PROCESO DELIXIVIACIÓN 7'1'0 LIXIVIACIÓN 1a lixiviación,
o
extracción
sólido2líquido,
es
un
proceso
en
el
que
un disolvente líquido pasa a trav#s de un sólido pulverizado para que se produzca la disolución de uno o más de los componentes solubles del sólido. 1a lixiviación es un proceso por el cual se extrae uno o varios solutos de un sólido, mediante la utilización de un disolvente líquido. Fmbas ases entran en contacto íntimo $ el soluto o los solutos pueden diundirse desde el sólido a la ase líquida, lo que produce una separación de los componentes originales del sólido.
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7'5 MÉTODOS DELIXIVIACIÓN 1os m#todos de lixiviación corresponde a la orma en que se contactan las soluciones lixiviantes con las menas con contenidos metálicos de inter#s. 1os m#todos más conocidos son(
1ixiviación por agitación
1ixiviación n 6itu, lixiviación en botaderos dumpleaching0, lixiviación en pilas heapleaching0.
1ixiviación por percolación o en 7ateas vatleaching
1ixiviación a presión.
Fnalizando los m#todos de lixiviación, en este trabajo por las características solo mencionaremos la lixiviación por agitación. 90
7'5'0 LIXIVIACIÓN POR AGITACIÓN 1a lixiviación por agitación se aplica a minerales de le$es más altas, cuando los minerales generan un alto contenido de inos en la etapa de chancado, o cuando el mineral deseado está tan bien diseminado que es necesario molerlo para liberar sus valores $ exponerlos a la solución lixiviante. Es tambi#n el tipo de t#cnica que se emplea para lixiviar calcinas de tostación $ concentrados.6e recurre a la agitación mediante burbujeo o bien a la agitación mecánica para mantener la pulpa en suspensión hasta que se logra la disolución completa, siendo el tiempo de contacto de los sólidos con la solución del orden de horas. 1os agitadores mecánicos son simplemente impulsores colocados en el interior del tanque 4ig. 9.-./ a0, mientras que los tanques agitados con aire son a menudo tanques de tipo LJachucaL 4ig. 9.-.& b0.90
Fu#"t#$M#todos de 1ixiviaciónor 5idrometalurgia %. 7enavente 2 6cribd 4ig. 9.-./ Equipos de lixiviación por agitación 6us ventajas comparativas con otros m#todos de lixiviación son(
Flta extracción del elemento a recuperar
'iempos cortos de procesamiento horas0
Jroceso continuo que permite una gran automatización
4acilidad para tratar menas alteradas o generadoras de inos
6us desventajas son(
n ma$or costo de inversión $ operación
Gecesita una etapa de molienda $ una etapa de separación sólido2líquido espesamiento $ iltración0.
7'6CINÉTICA DELIXIVIACIÓN 7ajo condiciones apropiadas unas sustancias pueden transormarse en otras que constitu$en dierentes especies químicas. 6i ocurre esto solamente por reordenamiento o redistribución de los átomos para ormar nuevas mol#culas, decimos que se ha eectuado una reacción químicaN en química se estudian estas reacciones considerando su modo $ su mecanismo, los cambios ísicos $ energ#ticos que tienen lugar, $ la velocidad con que se orman los productos. O0 6e sabe que la velocidad de reacción química H2r FI es( Mn%& P 5&6%- P 5&=&%-Mn6%- P & =%& P & 5&% 2r FQd="dt Q:R=n
Aónde( 2r FQ velocidad de reacción = Q=oncentración 'Q 'iempo :Q=onstante de Selocidad nQ%rden de 1a Keacción
7'7 ESTUDIO DE LA ETAPA DE LIXIVIACIÓN DE MINERALES DE MANGANESO CON 2CIDO SULF3RICO EN PRESENCIA DE REDUCTOR PARA ELEVAR LA LEY DEL MANGANESO' Esta alternativa de lixiviación del mineral de manganeso con ácido sul!rico en presencia de un reductor como es el ácido oxálico $a que el ácido oxálico tiene uerte eecto en la extracción del Manganeso a temperaturas moderadas, mientras que a temperaturas ma$ores a 9)T= $ el tiempos más largos tienen ma$or eecto en la extracción del 4e $ Fl que impuriican al mineral, cu$a reacción de lixiviación se representa mediante la siguiente reacción( Mn%& P 5&6%- P 5&=&%-
Mn6%- P & =%& P & 5&%
∆ H °=−62.9684 Kcal / mol
Es una reacción exot#rmica por lo que desprende calor durante la reacción. 1a reacción global nos indica la generación de =% &, sin embargo esta etapa debe ser viable siempre que el gas producido se utilice de materia prima para la producción sint#tica de ácido oxálico. =omo esta reacción es oxidación U reducción lo más conveniente es expresarlo de la siguiente manera( +2
+¿+ Mn O 2 → Mn
0
+ 2 H 2 O E1=+ 1.23 volts ¿
2e+4 H −2
0
C 2 O 4 → 2 C O 2+ 2 e E 2=+ 0.49 volts
5allando el potencial tenemos( ∆ E =0.74 volts
6e pudo veriicar que la reacción de oxidación Ureducción es espontánea la cual indica que ocurre la reacción.
7': DIAGRAMA DE FLU4O DEL PROCESO Mineral deMn Molino de bolas
Tamizad
Fcido oxálico H2C2O4
Ccido sul!rico H2SO4
Extracto líquido
4uente( Elaboración Jropia
:'CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN DE VARIABLES
1as variables del proceso en hidrometalurgia son varias como las que se citan a continuación(
'amaño de partícula.
1a velocidad de disolución está en relación directa con el tamaño de partícula del mineral, cuantas más pequeñas sean las partículas, la disolución aumentará, este hecho se debe a la gran área supericial de contacto.
'iempo de residencia '
El tiempo de contacto íntimo entre el luido $ partícula es importante para que ocurra la disolución, este puede variar de minutos hasta horas dependiendo las características del reactor $ reactivos.
Eecto de 'emperatura
1a solubilidad es unción directa de la temperatura, a ma$or temperatura la disolución será ma$or $ hasta completa. Eleecto de la temperaturasobre la extracción demanganesoaumenta lavelocidad de lixiviacióndemanganeso. Jorcentaje de sólidos' 1a relación se sólido"luido es importante, este debe estar en relación equimolar para que ocurra la disolución completa.
=oncentración de los reactivos
1a concentración de los reactivos deben están en equilibrio molar para que exista una adecuada disolución de partícula.
Fgitación
1a agitación es importante para evitar las concentraciones acuoso local, lo cual inhibe la disolución. :'.'0V!*%!;#s %"<#=#"<%#"t#s
'amaño de partícula. =oncentración del lixiviante ácido sul!rico, recta de reparto. Kelación BCcido sul!rico"mineral de manganesoD o sólido "líquido Givel de agitación potencia empleada en la agitación0. 'iempo de residencia
:'.'. V!*%!;#s <#=#"<%#"t#s
+ de extracción de Manganeso. =omposición del extracto obtenido.
>' DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EN ESTUDIO >'0 M#to
>'0'0 C!*!)t#*%,!)%" <# (%"#*! 1a determinación de la composición química $ morología de la muestra integral del mineral de manganeso será sometida a los siguientes análisis(
Fnálisis ?uímico
Fnálisis granulom#trico
Fnálisis mineralógico,
Fnálisis de diracción de ra$os V
>'. P!"%%)!)%" <# #"s!os
Jara el desarrollo experimental, en base al objetivo trazado, se diseñó el siguiente programa de trabajo(
%btención de una muestra representativa, en una cantidad aproximada de )3 :g, en el $acimiento de mineral de manganeso de propiedad de la =orporación Minera de 7olivia =%M7%10.
=aracterización ísica, química $ mineralógica de la muestra.
6e trabajara con el mineral de manganeso, con el cual se realizaran pruebas exploratorias para hallar las condiciones de trabajo óptimas para el proceso $ así llegar a obtener un extracto con alto contenido de manganeso.
' DESARROLLO EXPERIMENTAL '0 P*o)#<%(%#"to #=#*%(#"t!
El mineral se reducirá de tamaño en una chancadora luego en el molino bolas, inalmente se hará un tamizado a dierentes mallas. 6e tomará una muestra representativa $ homog#nea para realizar el proceso de lixiviación.
6e medirá un volumen de ácido de concentración dada en cada experiencia en un reactor adicionando el ácido oxálico para que exista una mezcla perecta.
6e trabajara a temperatura ambiente, se añadirá la muestra previamente pesadaentonces se registra el tiempo a partir de este instante.
=ada tiempo de /3 minutos, se extraerá del reactor una alícuota de volumen medido con una pipeta Mohr accionado por una perilla de succión $ sellevará a un vaso precipitado que contenga agua.
6e iltra, $ el extracto iltrado se lleva a un matraz aorado seg!n las diluciones que se necesite.
1a solución diluida se lleva al equipo de Fbsorción Ftómica para eectuar las lecturas correspondientes para cada caso.
1as Jruebas experimentales de lixiviación, programadas para tal eecto, se extienden hasta un tiempo determinado en la cual se observan niveles de extracción constante.
'. FLU4OGRAMA DEL PROCESO
4uente( Elaboración Jropia
'1 MATERIALES A UTILIAR
Equipos de laboratorio - Equipo Espectrootómetro de Fbsorción Ftómica, Modelo FFnal$st &33 - 1ámpara de cátodo hueco de Mn - 1ámpara de cátodo hueco de 4e - Equipo Espectrootómetro S, Modelo S /93 - Fgitador magn#tico con control digital de temperatura $ velocidad de agitación - 7omba de vacio - p52 metro digital m!ltiple - 'ermómetros. - 7alanza Electrónica - =uarteador de riles - =ronómetros digitales - Aensito Materiales de laboratorio - Saso precipitado de &1t, /1t, 933 ml, -33 ml, &)3 ml, /33 ml $ )3 ml0
-
Matraces aorados de( )33 ml, &)3ml, &33 ml, /33 ml, )3 ml, &) ml Jipetas graduadas de(/3 ml, ) ml, & ml, / ml Jipetas volum#tricas de &) ml, &3 ml, /3 ml, ) ml, / ml Mortero de porcelana $ agata Embudos de vidrio Jropipetas Sidrios de reloj 'ubos de Ensa$o /9x/)3 mm 'ubos =entriuga Mangueras de latex Jizetas $ varillas de vidrio Envases de plástico de / lt, 3,) lt, 3,&) lt, 3,/ lt, 3,3) lt 6oporte para pipetas Materiales imprevistos
'5 REACTIVOS A UTILIAR -
Estándares para minerales oxidados de Mn U 4e
- Ccido6ul!rico ?.J. - Ccido6ul!rico J.a. - Ccido%xálico ndustrial
0/' CONCLUSIONES =on el presente trabajo se pretende obtener un extracto con alto contenido de manganeso por el m#todo de lixiviación ácido en medio reductor para ser destinada a posteriores procesos hasta la obtención de dióxido de manganeso grado batería para ser utilizado en la abricación de baterías de ion2litio.
00' RECOMENDACIONES 6e recomienda dar importancia a minerales oxidados como( hematita, pirita, cuprita, magnetita $ otros $a que nuestro país tiene grandes reservas en estos minerales.
0.' CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Jara la culminación del pro$ecto se toma en cuenta la planiicación sobre cu$a base se pone a consideración la conclusión del pro$ecto en un lapso de ) meses lo cual se detalla las siguientes actividades. ACTIVIDADES
Investigación preliminar o revisión debibliografía Planificación del trabajo de investigación (análisis de
MESES
variables) Preparación de equipos, materiales yreactivos químicos Inicio de trabajo en laboratorio Realiación de pruebas !nálisis y diagnóstico de resultados "onclusiones y recomendaciones Redacción del borrador y presentación deltrabajo#
01' BIBLIOGR2FIA
7allester Fntonio. Metalurgia Extractiva Solumen /. Editorial 6íntesis 6.F. Madrid España &333
/0
=alle %scar. Estudio básico del proceso de puriicación de la pirolusita,
'esis2M6F. &3/3
O0
90
*0
&0
1evenspiel %. ngeniería de las Keacciones ?uímicas.
M#todos de 1ixiviaciónor 5idrometalurgia %. 7enavente 2 6cribd Microsot W Encarta W &33O. X /*2&339 Microsot =orporation.
Montero2%campo, F. Martinez 1. 'ecnol. =iencia Ed M?0, 8 /0( **2*O
/&0.
-0
)0
JdtallerIel manganeso en puras de Silla 4rancaI pag. &
http(""es.YiZipedia.org"YiZi"1ixiviaci+=*+7*n
I N D I C E TENTATIVO TITULO$
“OBTENCIÓN DE EXTRACTO LÍQUIDO DE MANGANESO MEDIANTE EL PROCESO DE LIXIVIACIÓN A PARTIR DE LA PIROLUSITA” CAPÍTULO 0 ASPECTOS GENERALES DEL PROYECTO DE GRADO /./ ntroducción /.& Fntecedentes /.&./Estudio básico del proceso de puriicación de la pirolusita /.&.& Eecto de la temperatura $ la concentración de ácido sul!rico en la lixiviación de minerales de pirolusita de bajo grado. /.* planteamiento del problema /.*./ identiicación del problema /.*.& ormulación del problema /.-%bjetivos /.-./. %bjetivos [enerales /.-.&. %bjetivos Especíicos /.) ;ustiicación /.)./ ;ustiicación t#cnica /.).& ;ustiicación económica
CAPÍTULO . MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL DEL PROYECTO
&./ Extracto &.&. Minerales de manganeso &.&./ Jropiedades ísico químicas del manganeso &.*. Jroceso de 1ixiviación &.*./ lixiviación &.*.& agentes oxidantes &.*.* agentes lixiviantes &.- 1ixiviación de minerales de manganeso &.) M#todos de lixiviación de minerales de manganeso &.)./1ixiviación por agitación &.)././Aescripción &.)./.& Sariables del proceso a0 [ranulometría b0 'iempo de lixiviación c0 Mineralogía del mineral d0 %tras variables &.9 =in#tica de lixiviación &.9./ =in#tica química
CAPÍTULO 1 MARCO PR2CTICO DEL PROYECTO *./Metodología de trabajo *.&=aracterización de la muestra *.*Fnálisis de Sariables $ Jarámetros preliminares *.-=lasiicación $ selección de variables *.-./ Sariables ndependientes *.-.& Sariables Aependientes *.)Aiseño 4actorial *.9Jrocedimiento experimental *.OAiagrama de 4lujo, 7alance de Materia $ Energía *.8Aeterminación de parámetros tecnológicos a trav#s de la experimentación *.8./ =aracterización de los resultados obtenidos
*.8.& Jrocesamiento de los resultados obtenidos curvas, modelos, gráicos *.8.&./
Jarámetros operativos del proceso propuesto
*.Aeinición del proceso propuesto *./3
%peraciones secundarias planiicadas
*.//
Aiseño $ construcción de equipos $ prototipos especíicos
CAPÍTULO 5 RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES AN2LISIS DE COSTOS DE PRODUCCIÓN Y OTRAS ACTIVIDADES RELACIONADAS A LA INVESTIGACIÓN -./Fnálisis de costos de producción -.&Kesultados en reerencia al objetivo principal0 -.*=onclusiones en concordancia con todos los objetivos0. -.-Kecomendaciones
BIBLIOGRAFÍA ANEXOS
