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Lixiviación (química)

La lixiviación es el proceso por el cual un soluto se separa o extrae de su sustancia portadora mediante un disolvente . [ 1 ] La lixiviación es un proceso natural que los cient...

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La lixiviación es el proceso por el cual un soluto se separa o extrae de su sustancia portadora mediante un disolvente . [ 1 ]

La lixiviación es un proceso natural que los científicos han adaptado para diversas aplicaciones con una variedad de métodos. Los métodos de extracción específicos dependen de las características de solubilidad relativas al material adsorbente , como la concentración, la distribución, la naturaleza y el tamaño. [ 1 ] La lixiviación puede ocurrir de forma natural, como se observa en sustancias vegetales (inorgánicas y orgánicas), [ 2 ] [ 3 ] la lixiviación de solutos en el suelo, [ 4 ] y en la descomposición de materiales orgánicos . [ 5 ] La lixiviación también puede aplicarse eficazmente para mejorar la calidad del agua y la eliminación de contaminantes, [ 1 ] [ 6 ] así como para la eliminación de residuos peligrosos como cenizas volantes , [ 7 ] o elementos de tierras raras (REE). [ 8 ] Comprender las características de la lixiviación es importante para prevenir o fomentar el proceso de lixiviación y prepararse para él en caso de que sea inevitable. [ 2 ]

En una etapa ideal de equilibrio de lixiviación, todo el soluto se disuelve en el disolvente, dejando el portador del soluto inalterado. [ 1 ] Sin embargo, el proceso de lixiviación no siempre es ideal y puede ser bastante complejo de comprender y replicar, [ 6 ] y a menudo diferentes metodologías producirán resultados diferentes. [ 9 ]

Lixiviación que se produce en un muro de cemento debido a fenómenos naturales de meteorización.

procesos de lixiviación

Existen muchos tipos de escenarios de lixiviación; por lo tanto, la extensión de este tema es vasta. [ 1 ] [ 3 ] [ 9 ] En general, sin embargo, las tres sustancias se pueden describir como:

  • un portador, sustancia A;
  • un soluto, sustancia B;
  • y un disolvente, sustancia C. [ 1 ] [ 8 ]

Las sustancias A y B son relativamente homogéneas en un sistema antes de la introducción de la sustancia C. [ 10 ] Al comienzo del proceso de lixiviación, la sustancia C disuelve la sustancia B superficial a una velocidad bastante alta. [ 1 ] La velocidad de disolución disminuye sustancialmente una vez que necesita penetrar a través de los poros de la sustancia A para continuar actuando sobre la sustancia B. [ 1 ] Esta penetración a menudo puede conducir a la disolución de la sustancia A, [ 1 ] o al producto de más de un soluto, [ 10 ] ambos insatisfactorios si se desea una lixiviación específica. Las propiedades fisicoquímicas y biológicas del portador y del soluto deben considerarse al observar el proceso de lixiviación , y ciertas propiedades pueden ser más importantes dependiendo del material, el disolvente y su disponibilidad. [ 9 ] Estas propiedades específicas pueden incluir, entre otras:

El proceso general se divide y resume típicamente en tres partes: [ 1 ]

  1. Disolución del soluto superficial por el disolvente
  2. Difusión del soluto interno a través de los poros del portador para alcanzar el solvente.
  3. Transferencia del soluto disuelto fuera del sistema

Procesos de lixiviación para sustancias biológicas

Las sustancias biológicas pueden experimentar lixiviación por sí mismas, [ 2 ] así como ser utilizadas para lixiviación como parte de la sustancia solvente para recuperar metales pesados . [ 6 ] Muchas plantas experimentan lixiviación de fenoles, carbohidratos y aminoácidos , y pueden experimentar hasta un 30% de pérdida de masa por lixiviación, [ 5 ] solo de fuentes de agua como lluvia , rocío , bruma y niebla . [ 2 ] Estas fuentes de agua se considerarían el solvente en el proceso de lixiviación y también pueden conducir a la lixiviación de nutrientes orgánicos de las plantas como azúcares libres , sustancias pécticas y alcoholes de azúcar . [ 2 ] Esto a su vez puede conducir a una mayor diversidad en especies de plantas que pueden experimentar un acceso más directo al agua. [ 2 ] Este tipo de lixiviación a menudo puede conducir a la eliminación de un componente indeseable del sólido por el agua, este proceso se llama lavado. [ 11 ] Una preocupación importante para la lixiviación de plantas es si los plaguicidas se lixivian y son arrastrados por la escorrentía de aguas pluviales ; [ 3 ] esto no solo es necesario para la salud de las plantas, sino que es importante controlarlo porque los plaguicidas pueden ser tóxicos para la salud humana y animal. [ 3 ]

La biolixiviación es un término que describe la eliminación de cationes metálicos de minerales insolubles mediante procesos biológicos de oxidación y complejación . [ 6 ] Este proceso se realiza principalmente para extraer cobre , cobalto , níquel , zinc y uranio de sulfuros u óxidos insolubles . [ 6 ] Los procesos de biolixiviación también pueden utilizarse para la reutilización de cenizas volantes mediante la recuperación de aluminio con ácido sulfúrico . [ 7 ]

Procesos de lixiviación para cenizas volantes

Las cenizas volantes de carbón son un producto que experimenta grandes cantidades de lixiviación durante su eliminación. [ 7 ] Aunque se fomenta la reutilización de las cenizas volantes en otros materiales como hormigón y ladrillos, gran parte de ellas en Estados Unidos se elimina en estanques de retención, lagunas , vertederos y pilas de escoria. [ 7 ] Todos estos sitios de eliminación contienen agua donde los efectos de lavado pueden causar la lixiviación de muchos elementos principales diferentes , dependiendo del tipo de cenizas volantes y el lugar donde se originaron. [ 7 ] La lixiviación de cenizas volantes solo es preocupante si las cenizas volantes no se han eliminado adecuadamente, como en el caso de la planta de combustibles fósiles de Kingston en el condado de Roane , Tennessee. [ 12 ] La falla estructural de la planta de combustibles fósiles de Kingston de la Autoridad del Valle de Tennessee provocó una destrucción masiva en toda el área y graves niveles de contaminación aguas abajo tanto en el río Emory como en el río Clinch . [ 12 ]

Procesos de lixiviación en el suelo

La lixiviación en el suelo depende en gran medida de las características del suelo, lo que dificulta los esfuerzos de modelado. [ 4 ] La mayor parte de la lixiviación proviene de la infiltración de agua, un efecto de lavado muy similar al descrito para el proceso de lixiviación de sustancias biológicas. [ 4 ] [ 11 ] La lixiviación se describe típicamente mediante modelos de transporte de solutos, como la Ley de Darcy , expresiones de flujo másico y entendimientos de difusión -dispersión. [ 4 ] La lixiviación está controlada en gran medida por la conductividad hidráulica del suelo, que depende del tamaño de partícula y la densidad relativa a la que el suelo se ha consolidado mediante tensión. [ 4 ] La difusión está controlada por otros factores como el tamaño de poro y el esqueleto del suelo, la tortuosidad de la trayectoria del flujo y la distribución del solvente (agua) y los solutos. [ 4 ]

Lixiviación para la extracción de minerales

La lixiviación puede utilizarse en ocasiones para extraer materiales valiosos de aguas residuales o materias primas. En el campo de la mineralogía, la lixiviación ácida es común para extraer metales como vanadio, cobalto, níquel, manganeso, hierro, etc., de materias primas o materiales reutilizados. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] En los últimos años, se ha prestado mayor atención a la lixiviación de metales para recuperar metales preciosos de materiales de desecho. Por ejemplo, la extracción de metales valiosos de aguas residuales. [ 15 ]

Mecanismos de lixiviación

Debido a la variedad de procesos de lixiviación, existen muchas variaciones en los datos que se recopilan mediante métodos de laboratorio y modelado, lo que dificulta la interpretación de los datos en sí. [ 10 ] No solo es importante el proceso de lixiviación especificado, sino también el enfoque de la experimentación. Por ejemplo, el enfoque podría dirigirse a los mecanismos que causan la lixiviación, la mineralogía en su conjunto o individualmente, o el disolvente que la provoca. [ 10 ] La mayoría de las pruebas se realizan evaluando la pérdida de masa debida a un reactivo , al calor o simplemente al lavado con agua. [ 1 ] En la siguiente tabla se puede consultar un resumen de varios procesos de lixiviación y sus respectivas pruebas de laboratorio:

Lixiviación respetuosa con el medio ambiente

Recientemente se han realizado algunos estudios para determinar si los ácidos orgánicos pueden utilizarse para extraer litio y cobalto de baterías usadas, con cierto éxito. Los experimentos realizados con diferentes temperaturas y concentraciones de ácido málico muestran que las condiciones óptimas son 2,0 ml/L de ácido orgánico a una temperatura de 90  °C. [ 16 ] La reacción tuvo una eficiencia global superior al 90 % sin generar subproductos nocivos.

4 LiCoO 2 (sólido) + 12 C 4 H 6 O 5 (líquido) → 4 LiC 4 H 5 O 5 (líquido) + 4 Co(C 4 H 6 O 5 ) 2 (líquido) + 6 H 2 O(líquido) + O 2 (gas)

El mismo análisis con ácido cítrico mostró resultados similares con una temperatura y concentración óptimas de 90  °C y una solución de ácido cítrico de 1,5 molar. [ 17 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Richardson, JF; Harker, JH; Backhurst, JR (2002), "CAPÍTULO 10 - Lixiviación" , en Richardson, JF; Harker, JH; Backhurst, JR (eds.), Ingeniería Química (Quinta Edición) , Serie de Ingeniería Química, Butterworth-Heinemann, pp. 502–541 , doi : 10.1016/b978-0-08-049064-9.50021-7 , ISBN  978-0-08-049064-9
  2. 1 2 3 4 5 6 Tukey, HB (1970). "La lixiviación de sustancias de las plantas". Annual Review of Plant Physiology . 21 (1): 305– 324. doi : 10.1146/annurev.pp.21.060170.001513 . ISSN 0066-4294 . 
  3. 1 2 3 4 Dubus, IG; Beulke, S.; Brown, CD (2002). "Calibración de modelos de lixiviación de plaguicidas: revisión crítica y guía para la presentación de informes". Pest Management Science . 58 (8): 745– 758. doi : 10.1002/ps.526 . ISSN 1526-4998 . PMID 12192898 .  
  4. 1 2 3 4 5 6 Addiscott, TM; Wagenet, RJ (1985). "Conceptos de lixiviación de solutos en suelos: una revisión de enfoques de modelado". Journal of Soil Science . 36 (3): 411– 424. doi : 10.1111/j.1365-2389.1985.tb00347.x . ISSN 1365-2389 . 
  5. 1 2 3 Bärlocher, Felix (2005), "CAPÍTULO 5 - Lixiviación", en Graça, MAS; Bärlocher, Felix; Gessner, MO (eds.), Métodos para estudiar la descomposición de la hojarasca: una guía práctica , Springer Netherlands, pp. 33–36 , doi : 10.1007/1-4020-3466-0_5 , ISBN  978-1-4020-3466-4
  6. 1 2 3 4 5 6 Rohwerder, T.; Gehrke, T.; Kinzler, K.; Sand, W. (2003). "Revisión de biolixiviación parte A: Avances en biolixiviación: Fundamentos y mecanismos de oxidación bacteriana de sulfuro de metales". Microbiología Aplicada y Biotecnología . 63 (3): 239– 248. doi : 10.1007/s00253-003-1448-7 . ISSN 1432-0614 . PMID 14566432 . S2CID 25547087 .   
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