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 amineral se determina expresando el ácido diluido como su equivalente en H,S04 100%. Se determina Ni, Co, Mg, Mn y Feextraídos para relaciones ácido sulfúrico puro/mineral, 0.1,0.2 Y0.3 Ypara temperaturas de 200, 230, 250 Y270 "c. El procesose 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, Coy Mn 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 y magnesia. Para tiempos de reacción mayores de 15 minutos y temperaturas de 200 a270 "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% diluitedsulphuric acid. The extracted quantities ofNi, Co and Mn increase with the H,SO-j-ore ratio. With a 0.3 ratio the recovery is70% 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, Coand Mn and 50% by prccipitation ()f basic sulphates, independently from thc acíd-ore ratio .•Berween 200 and 270 nC, whenrea ctio n times are greatcr than 15 minutes, the extracted amount ofNi, Co and Mn are function of the acid-ore ratio and theyare temperature independent.

1. GENERALIDADES

El mineral de Loma de Hierro (Estados Aragua-Miranda, Venezuela), consiste, básicamente, en óxi-dos o mineral de lateritas niquelíferas, productotípico de la meteorización tropical a consecuencia dela hídrólisís 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 haresuelto por dos caminos: la pirometalurgia y lahidrometalurgia, teniendo ventajas la segunda sobrelaprimera, ya que elimina el problema de contamina-ción ambiental. La hidrometalurgia consiste en elcalentamiento del mineral o concentrado con un lixi-viante apropiado, de manera que se lixivien las meta-les deseados. El proceso debe ser selectivo y para elloes necesario, también, trabajar a elevadas ternperatu-ras y presiones. La lixiviación con ácido sulfúrico aelevadas presiones y temperaturas presenta las si-guientes ventajas: selectividad máxima, reducción. deconsumo de ácido, licor de lixiviación con bajo con-tenido en hierro, con la consecuente sencillez en larecuperación del níquel [5, 6, 8, 14].

2. ESTUDIO EXPERIMENTAL

Luego de la búsqueda del mineral, éste se seca,muele y. cuartea hasta obtener una muestra total uni-forme de grano entre 80-180 mallas. El mineral sesomete al proceso de lixiviación con ácido sulfúricodiluido en proporción determinada, colocando lamezcla en un reactor Parr de 2 litros. Las experien-cias se hacen a diversas temperaturas y presiones, dis-tintas proporciones de ácido sulfúrico y diferentestiempos de reacción, para estudiar la evolución de laextracción del níquel. Una vez terminada la reacción,se abre el reactor yse saca lamasa lixiviada, lavándosecon agua y separándose, por decantación y filtraciónposterior, el licor y el minerallixiviado, anotándoseel peso de ambos. Se analizan el licor y el minerallixi-viado por espectrofotometría de absorción atómica,determinándose níquel, hierro, cobalto, magnesioy manganeso.

Se realizaron 31 experiencias, variando:- Relación ácido sulfúrico puro/mineral, en

peso.

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

- Tiempo de reacción.- Temperatura,

y dejando constante la densidad de la carga del reac-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 PARA RELACIONESACIDO SULFURICO PURO A MINERAL

0.1,0.2Y 0.3CARGA DEL REACTOR: Mineral seco 350 gr.

. Acido Sulfúrico diluido 427.6 gr.

ExperienciaN°

Temperatura°e

TiempoMin.

PresiónPsig.

H2S02 100% a MINERAL 0.1

17 230 15 50018 230 30 50019 230 60 50020 230 90 500

21 250 15 62022 250 30 62023 250 60 62024 250 90 620

25 270 15 80026 270 30 80027 270 60 80028 270 90 800

H,SO. 100% a MINERAL 0.2

1 250 30 6202 250 60 6203 250 90 6204 250 15 620

5 200 15 2206 200 30 2207 200 60 2208 200 90 220

9 230 15 50010 230 30 50011 230 60 50012 230 90 500

13 270 15 80014 270 30 80015 270 60 80016 270 90 800

H2S04 100% a MINERAL 0.3

293031

230230230

301590

500500500

3. RESULTADOS

El mineral original contiene, según análisis:1.62% de Ni; 38.57% de Fe; 0.15% de Co; 1.74% deMg; 0.71% de Mn y 13% de Si02• Las Figs. 1,2 Y3 pre-sentan los porcentajes en peso de extracción de loscationes 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 losporcentajes de extracción de los cationes vs. tiempode reacción a diferentes temperaturas, manteniendola relación ácido sulfúrico puro/mineral en 0.2. LaFig.8 presenta los porcentajes en peso de extracciónde los cationes vs. tiempo de reacción a 230°C y conrelación ácido sulfúrico puro/mineral de 0.3. La Fig.9 COmpara los porcentajes de Ni, Fe extraídos conrelación ácido sulfúrico puro/mineral de 0.1 y 0.2 a270°C. La Fig. 10 compara los porcentajes de Ni, Feextraídos con relación ácido puro/mineral de 0.1; 0.2Y0.3 a 230°C. La Fig. 11 muestra los porcentajes deNi extraídos vs. temperatura, manteniendo comoparámetro la relación ácido sulfúrico puro/ mineral aun tiempo de reacción de 30 minutos.

4. DISCUSION

4.1. Extracción

a. De las Figs. 1 a 3 se observa que el porcentajemáximo de extracción de níquel es del37.31%, que corresponde a un tiempo dereacción de 30 minutos, T= 270°C y rela-ción ácido puro, mineral de 0.1. A esemáximo 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 la máxima extracciónde cobalto (67.06%) y manganeso (75.57%),mientras que el níquel se mantiene en unpromedio del 33.22%.

b. De las Figs. 4 a 7 se observa un porcentajemáximo de extracción de níquel (59.28%) at = 90 min, T = 250 °C y relación ácido puro/mineral de 0.2. El máximo porcentaje deextracción de hierro (9.12%, t= 30 min yT= 250°C) corresponde al máximo de mag-

nesio (45.22%) y manganeso (82,23%),mientras que el cobalto se aproxima almáximo (80.73%) y el níquel se mantiene enun promedio del 57.27% de extracción.

c. La Fig. 8 muestra el porcentaje máximo deextracción de níquel (70.55% t= 15 min,T = 230°C y relación ácido puro/ VIÍneral de0.3) al que corresponde una extracción del6.8% de hierro.

d. La Tabla 2 compara los porcentajes deextracción de ruquel y hierro para relacionesácido/ mineral de 9.1 y 0.2 {Fig. 9) a la tempe-

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

ratura máxima de operación (270°C). Con laduplicación de la cantidad de ácido sulfúricopuro utílízado, hayun aumento promedio deextracción del 24% en níquel y del 3.5%en hierro.

e. Latabla 3compara los porcentajes de extrac-ción de níquel y hierro a diferentes relacio-nes de ácido puro/mineral (Fig. 10) a230°C.Con la triplicación de la cantidad de ácidosulfúrico puro utilizado, la extracción delníquel aumenta el 36% en promedio, mien-tras que el aumento promedio de extracciónde hierro es del 6.71%; al variar la relaciónácido/mineral de 0.2 a 0.3 hay un aumentodel 12% en extracción de níquel, y un au-mento del 3.21% de extracción de hierro.

f. La Hg. 11 representa los porcentajes deextracción de níquel y hierro vs. tempera-tura con "t ~ 30 min y parámetro la relaciónácido sulfúrico puro/mineral. Se observaque resultan líneas rectas de pendiente apro-ximadamente constante, cuyos valores son:0.044% de extracción de Ni/oC y 0,01% deextracción de Fe/oC, las pendientes de lasrectas son bastante pequeñas, de donde sededuce que la extracción depende de la rela-ción ácido sulfúrico puro/mineral y es bas-tante independiente de la temperatura y deltiempo de reacción, en el rango de tempera-turas y tiempos de experimentación.

TABl.A N° 2

EXTRAeeION DE NIQUEL y HIERRO A 270 "e

Aojo0.1

mineral

t, min Ni Fe

15 29.53 0.9530 37.31 0.9660 34.99 0.9790 35.80 0.97

0.2

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

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

- Desde que se inicia el calentamiento hastaque se alcanza la temperatura de trabajotranscurren cerca de 45 min,

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

Relación H2S04/minera I := 0.1T =230 o e

Mn- -, -- Co'" .;.-.--

/,

11

"" \

"," Ni~

v .....-'"I /

/1 1 MgI -,-, ',

'1 Fe---

100

c80-ouu{1j'--;;60w

20

o 15 30 60 90Ni Fe ~tJmin

58.95 4.51 Fig.l -t: Extracción Ni, Fe,Mg,Mn,56.23 4.7257.76 5.05 Co vs. Tiempo56.64 5.08

TABl.A N° 3

EXTRAeeION DE NIQUEL y HIERRO A 230 "e

Acido0.1 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 6.8030 34.53 1.36 56.32 4.90 69.36 7.3460 30.63 1.30 59.08 5.0090 30.24 1.36 57.80 4.59 64.38 9.44

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20

Relación H2S04/mineral =0.1

T=250°CII

!Mn-- -

" Co/ •..-I 1.-••••.,.

I I, I

, 1I

I ,

I Ni" •..--"

,'"

" I

/

"Mg,,' - --•.., ,•..

',. .•Fe!.. -

100

e 80ouuni'-•...w50

o 30 60 9015

Fig.2~ t,min

-t; Extracción Ni, Fe,Mg, Mn,

Co vs. Tiempo

uuni'-

Relación ~S04 Imineral =0.2

T = 200°C ./

('~-, ., ,, Mn

I ,,I,,

Ni, ,I ' ••.•

"I I

, """'",,' Mq,,' ..-

,/ ,,,"/,~

1,·Fe,

I -.., .

100

xw 50

20

o 15 30 60'X,

~ t.rnin90

-t: Extraccion:Ni,FeJMgJMn,

Co vs. Tiempo

100 Relación H2S04 Imineral =0.1

T=270°C

Mn -,,

Co,I,

1 I

II, ,, , i

""

I~,,- -, I ,•.." "" I, I, I

1'

/ Mg

,/ " --'1 "," Fe-

80e'ouuni.:: 6 Oxw

20

O 15 30 60 90t.rnin

% Extracción NiJ FeJMgJMnJ

Co vs.Tiempo

e,'ouu(!S~x

W

Relación H2S04 1m ineral = 0.2

T=230°C

Co,~-.•..----

""'/,/,,',

" "".,

" "I'

... ,"

,,/1,

" Il' I

l' Mgtn ... ,.,, , ,~' ,1,

,.," I

"1,

'1 FeI --- ..'

100

80

60

o~

1 20

O 15 30 60 90- tJ min

Fig.5 % Extracción: Ni JFeJMgJMn,Co vs Tiempo

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Latin American f ourna] o/ Meta/!urgy and Materia/s, Vol 4, N" 1, 1')84

o;;-

Relación H2S04/mi neral =0.2

T = 250° C

l Mn

1, Co1,

""'1 tI., ., --'1 ,.

", IMg,1,

l' : ,----" ,v¡ /

1/ 1 I1

,,1,, ,,1

"" Fe" _1---- ---,~..•.•. .",. .....

100

80e

. 'o'(3uru~ 60xw

) 40

20

o 15 30 60- trnin

90

Fig.6 010 Ext racción: Ni,FeJMgJMnJCo vs Tiempo

Relación H2S04 1m ineral =0.3T= 230°C

Co

~ ~~

& Ni/'7 I, 1

~, 1

: ' ..--<,,""

~",,.I,,,,, !, ¡ Fe

.>~

100

e'o

~ 80~+'xW

~ 60

20

o 15 30 60__ t.rnin 90

Fig.8 -t: Extracción Ni,Fe,MgJMn,Co vs Ti empo

Relación H2S04 Imineral =0.2

T=270°C

Co..1 Mn, ,

, I,

,/1 Ni., ,

" ," I,,,,

MgI --'It ,. ",1

'11 1

/ I,,1 I11.1 I

,//,, Fe, - -, , ,

100

e~~80uu~

20

o 9030 6015- t,min

% Extracción: Ni,Fe,Mg,Mn,Co vs Tiempo

T = 270°C

R =Relación H2S04 Imineral

I

II Ni R = 0.2

,,¡...

I,

1, I,, . '" ".I - "." ·v..--, ,..,,

/, /I

I,

, I,' Fe R=O.lIFe R=0.211 /, - ,-- 11', - -

100

~ 60w

20

oFig.9

30 60 9015~ t,min

% ExtracciónNi,Fe con diferentesRelaciones H2S04/mineral

46

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

T,. 230°C

R = Relación HZS04/mineral

- - Ni, R=0.3".,

"I Ni R=0.2I ,--I ,,-I

/II I

I I

I I Ni, R=O.lII I ,-- -,I II /

/

I I

IFe R=0.2

Fe,R 0.1I

Fe,R FO.3 LI/I --- V-

I ,.,._-IYLJ"';::::' -

100

e'ou 80~•....

-+-"xW

;f 60

20

o 15 60 9030

Fig.lO---,.;> t,min

% Ext racción Ni,Fe con diferentesRelaciones H

ZS04/ mineral

4.2. Consumo de ácido

Se titula el licor de lixiviación para determi-nar el ácido residual luego de la extracción, estatitulación indica que el í 00% del ácido sulfúricose ha consumido: el licor de lixiviación está a unpH aproximadamente neutro. El equivalente enácido 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. La forma-ción de sulfatos insolubles en soluciones neu-tras, se menciona en trabajos sobre la extracciónde níquel (15), y como principal componente secita el Fe(OH)S04' que se formaría de acuerdo ala 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 y sulfatos de hierro,níquel, cobalto, manganeso y magnesio, para lasrelaciones ácido sulfúrico puro! mineral de 0.1;0.2 Y0.3 Y temperaturas de 200,230,250 Y270grados centígrados, calculados a partir de losbalances en sulfato.

Tiempo de reacción, t = 30 min1

R =Relación HZ

S04 / miner 1

II --

I, NI,I"<=U.LI1

Ni, R=O.l

!

---- ~'--"-"" ._-------- 1--

Fe, R=0.2Fe R=O.l

100

,~ 80uu~-xw 60;f

40

20

o200 230 250 270

---T,oC% Extracción Ni,Fe vs Temperatu-

ra con tiempo de reacción de 30minFig .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 30Fel(S04)¡ 12 12.5 10Mg(S04) 9 10.5 9Sulfatosinsolubles 57 42 51

ACIDO A MINERAL 0.2

(Ni, Co, Mn)S04 17 17 18 17Fe,(S04)' 20 24 44 24Mg(S04) 7 9 14 8Sulfatosinsolubles 56 50 24 51

ACIDO A MINERAL 0.3

(Ni, Co, Mn)SO.¡ 16Fe,(S04); 24Mg(S04) 5Sulfatosinsolubles 55

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

La formación de sulfatos insolubles compitedirectamente con la formación de los sulfatossolubles de hierro y magnesio, mientras que elporcentaje de ácido consumido en la extracciónde los sulfatos de níquel, cobalto y manganeso semantiene aproximadamente constante. La for-mación de sulfatos insolubles se favorece cuandoel ácido reaccionante está en cantidad limitada,ya que la solución se neutraliza rápidamente yhay competencia con la formación de sulfatossolubles. También debe influir el tiempo quetranscurre entre la descarga del reactor y la filtra-ción y lavado del residuo sólido. Al dejar encontacto la solución de lixiviación con el residuosólido a temperatura ambiente, el ácido residualreacciona con parte del óxido de hierro, pasandoa sulfato de hierro solubles; al agotarse el ácido,en ambiente neutro, entra a actuar el equi-librio:

lo que se traduciría como paso de sulfato de lafase soluble a la insoluble.

CONCLUSIONES

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

Para una relación ácido puro! mineral de 0.3,se recupera un 70% del níquel, un 80% decobalto y un 75% de manganeso.El porcentaje de ácido consumido por elníquel, cobalto y manganeso, cuando la rela-ción ácido! mineral es superior a 0.1, es deaproximadamente el 17% del ácido ali-mentado.Los sulfatos insolubles consumen cerca del50% 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 porcentajeextraído de níquel, cobalto y manganeso esfunción de la relación ácido! mineral, perono de la temperatura.En un reactor por cochadas, el tiempo dereacción estaría determinado por los perío-dos de calentamiento y enfriamiento. Encaso de un reactor continuo, él no superaría'los 15 minutos.

b)

c)

d)

e)

f)

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