Purificación de salmueras de litio mediante el diseño y optimización de un sistema de extracción dual de magnesio y boro

Abstract

La creciente demanda de litio para la fabricación de baterías recargables, que buscan promover la electromovilidad, ha requerido indagar en mejoras a los actuales procesos de extracción, en términos de mejorar su eficiencia y sostenibilidad. Esperando hacer una contribución en el área, la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CChEN) ha propuesto desarrollar un nuevo sistema de extracción por solventes (SX) simultáneo de Mg^{2+} y B^{3+}, con el fin de optimizar la purificación de litio en su proceso de extracción desde salmueras naturales, generando así una salmuera de alta pureza para una producción flexible, dando lugar a la producción de más productos derivados de este metal. Con esta premisa, la presente investigación se enfocó en el estudio de un sistema de extracción dual, compuesto por un líquido iónico dialquilfosfato y 2-etilhexanol como extractantes de magnesio y boro, respectivamente. El objetivo consistió en la optimización de las condiciones de operación para el uso de este sistema de extracción y un posterior escalamiento de los equipos relacionados con la etapa de SX, utilizando muestras de salmuera del Salar de Atacama.

En primer lugar, se estandarizó el proceso de síntesis del extractante, para luego evaluarlo mediante ensayos experimentales. El diseño experimental se desarrolló mediante la aplicación de un método matemático y estadístico conocido como Metodología de Superficie de Respuesta (RSM), a través del cual se comprobó un comportamiento no lineal e interdependencias entre las variables del sistema. Los resultados se analizaron con el programa STATGRAPHICS, obteniendo un modelo basado en una ecuación cuadrática, que permitió calcular los valores óptimos correspondientes a 10,88 equivalentes molares de líquido iónico respecto a la cantidad de Mg en la salmuera, 3,8 de razón O/A y 5 contactos, para alcanzar la máxima eficiencia de extracción simultánea de Mg^{2+} y B^{3+}, en función de una configuración de flujos cruzados. Se confirmó la capacidad predictiva del modelo a través de experimentos adicionales, demostrando un error máximo de 2% para la eficiencia.

Para el escalamiento del proceso, a través de la construcción de diagramas de McCabe-Thiele se determinó el requerimiento de 5 etapas en serie para operar bajo una configuración de flujos en contra-corriente, siendo esta la más común para aplicaciones industriales. Posterior a ello se validó este sistema, simulando el proceso de manera batch, obteniendo eficiencias de 98,72% Mg^{2+}, 96,99% B^{3+} y 43,15% Li^{+}. Esto, además, determinó como necesaria la inclusión de una posterior etapa de scrubbing para la recuperación del litio coextraído. Finalmente, se dimensionaron y diseñaron los equipos mixer-settler, donde para el procesamiento de un caso base de 100 litros de salmuera, considerando una operación batch, las celdas requeridas poseen forma de paralelepípedo de tamaño 60 x 20 x 20 cm^3, de acuerdo con los requisitos estudiados.