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Lixiviación (química)

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

La lixiviación es un proceso natural que los científicos han adaptado para una variedad de aplicaciones con una variedad de métodos. Los métodos de extracción específicos dependen de las características solubles relativas al material absorbente , como la concentración, la distribución, la naturaleza y el tamaño. [1] La lixiviación puede ocurrir de forma natural a partir de 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 se puede aplicar de forma eficaz para mejorar la calidad del agua y la eliminación de contaminantes, [1] [6] así como para la eliminación de productos de desecho 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 de equilibrio de lixiviación ideal, todo el soluto se disuelve en el solvente, dejando inalterado el portador del soluto. [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 ocurre en una pared de cemento debido a eventos meteorológicos naturales.

Procesos de lixiviación

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

Las sustancias A y B son algo homogéneas en un sistema antes de la introducción de la sustancia C. [10] Al comienzo del proceso de lixiviación, la sustancia C trabajará para disolver la sustancia superficial B a una velocidad bastante alta. [1] La velocidad de disolución disminuirá sustancialmente una vez que necesite penetrar a través de los poros de la sustancia A para continuar apuntando a la sustancia B. [1] Esta penetración a menudo puede conducir a la disolución de la sustancia A, [1] o el producto de más de un soluto, [10] ambos insatisfactorios si se desea una lixiviación específica. Las propiedades fisicoquímicas y biológicas del portador y el soluto deben considerarse al observar el proceso de lixiviación , y ciertas propiedades pueden ser más importantes dependiendo del material, el solvente y su disponibilidad. [9] Estas propiedades específicas pueden incluir, pero no se limitan a:

El proceso general suele dividirse y resumirse en tres partes: [1]

  1. Disolución del soluto superficial por el disolvente
  2. Difusión del soluto interno a través de los poros del soporte para llegar al disolvente.
  3. Transferencia de soluto disuelto fuera del sistema.

Procesos de lixiviación de sustancias biológicas

Las sustancias biológicas pueden experimentar lixiviación por sí mismas, [2] así como usarse para la lixiviación como parte de la sustancia solvente para recuperar metales pesados . [6] Muchas plantas experimentan lixiviación de fenólicos, carbohidratos y aminoácidos , y pueden experimentar hasta un 30% de pérdida de masa por lixiviación, [5] solo de fuentes de agua como lluvia , rocío , niebla y neblina . [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 las 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 agua, este proceso se llama lavado. [11] Una de las principales preocupaciones por la lixiviación de las plantas es si los pesticidas se lixivian y se transportan a través de la escorrentía de aguas pluviales ; [3] Esto no sólo es necesario para la salud de las plantas, sino que es importante controlarlo porque los pesticidas 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 de oxidación biológica y formación de complejos . [6] Este proceso se realiza en su mayor parte para extraer cobre , cobalto , níquel , zinc y uranio de sulfuros u óxidos insolubles . [6] Los procesos de biolixiviación también se pueden utilizar en la reutilización de cenizas volantes mediante la recuperación de aluminio utilizando ácido sulfúrico . [7]

Procesos de lixiviación de 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 el hormigón y los ladrillos, todavía gran parte de ellas en los Estados Unidos se eliminan en estanques de retención, lagunas , vertederos y montones de escoria. [7] Todos estos sitios de eliminación contienen agua donde los efectos del lavado pueden causar la lixiviación de muchos elementos principales diferentes , dependiendo del tipo de ceniza volante y el lugar donde se originó. [7] La ​​lixiviación de cenizas volantes solo es preocupante si no se han eliminado adecuadamente, como en el caso de la planta de fósiles de Kingston en el condado de Roane , Tennessee. [12] La falla estructural de la planta de fósiles de Kingston de la Autoridad del Valle de Tennessee provocó una destrucción masiva en toda el área y graves niveles de contaminación río 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 de masa y conceptos 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 se ha consolidado el suelo a través del estrés. [4] La difusión está controlada por otros factores como el tamaño de los poros y el esqueleto del suelo, la tortuosidad de la trayectoria del flujo y la distribución del disolvente (agua) y los solutos. [4]

Lixiviación para extracción de minerales

La lixiviación a veces se puede utilizar para extraer materiales valiosos de un producto de aguas residuales/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/materiales reutilizados. [13] [14] [15] En los últimos años, se ha prestado más 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 deben recopilar mediante métodos de laboratorio y modelos, 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 en sí. Por ejemplo, el enfoque podría dirigirse hacia los mecanismos que causan la lixiviación, la mineralogía como grupo o individualmente, o el solvente que causa la lixiviación. [10] La mayoría de las pruebas se realizan evaluando la pérdida de masa debido a un reactivo , calor o simplemente lavado con agua. [1] En la siguiente tabla se puede ver un resumen de varios procesos de lixiviación y sus respectivas pruebas de laboratorio:

Lixiviación respetuosa con el medio ambiente

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

4 LiCoO2 ( sólido) + 12 C4H6O5 ( líquido ) → 4 LiC4H5O5 ( líquido ) + 4 Co( C4H6O5 ) 2 ( líquido) + 6 H2O ( líquido ) + O2 ( gas )

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

Véase también

Referencias

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  2. ^ abcdef Tukey, HB (1970). "La lixiviación de sustancias de las plantas". Revista anual de fisiología vegetal . 21 (1): 305–324. doi :10.1146/annurev.pp.21.060170.001513. ISSN  0066-4294.
  3. ^ abcd Dubus, IG; Beulke, S.; Brown, CD (2002). "Calibración de modelos de lixiviación de pesticidas: revisión crítica y orientación para la elaboración de informes". Pest Management Science . 58 (8): 745–758. doi :10.1002/ps.526. ISSN  1526-4998. PMID  12192898.
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