Extracción de salmuera

La extracción de salmuera consiste en la obtención de materiales útiles ( elementos o compuestos químicos ) que se encuentran disueltos de forma natural en salmuera . Esta salmuera puede ser agua de mar , otras aguas superficiales , aguas subterráneas o soluciones hipersalinas procedentes de diversas industrias (por ejemplo, la industria textil). ^{[ 1 ]} Se diferencia de la extracción por disolución o la lixiviación in situ en que estos métodos inyectan agua o productos químicos para disolver materiales que se encuentran en estado sólido; en la extracción de salmuera, los materiales ya están disueltos.

Las salmueras son fuentes importantes de sal común ( NaCl ), calcio , yodo , litio , magnesio , potasio , bromo y otros materiales, y potencialmente fuentes importantes de muchos otros. La extracción de salmueras apoya los esfuerzos de minimización de residuos y recuperación de recursos. ^{[ 2 ]}

Alrededor del año 500 a. C., los antiguos chinos excavaron cientos de pozos de salmuera, algunos de los cuales tenían más de 100 metros (330 pies) de profundidad. Se perforaron grandes depósitos de salmuera bajo la superficie terrestre mediante pozos. ^{[ 3 ]} Se erigieron torres de bambú, de estilo similar a las torres de perforación petrolífera actuales. ^{[ 4 ]} El bambú se usaba para cuerdas, revestimientos y torres de perforación, ya que era resistente a la sal. ^{[ 5 ]} Se colgaban cuñas de hierro de un cable de bambú conectado a una palanca en una plataforma construida en la parte superior de la torre. Las torres de perforación requerían de dos a tres hombres que subían y bajaban de la palanca que movía la cuña de hierro clavada en el suelo para excavar un agujero lo suficientemente profundo como para alcanzar la salmuera. ^{[ 5 ] [ 4 ]}

Las salmueras comerciales incluyen tanto aguas superficiales (agua de mar y lagos salinos) como aguas subterráneas (salmueras superficiales bajo lagos salinos o secos, y salmueras profundas en cuencas sedimentarias). La salmuera que aflora a la superficie mediante pozos de energía geotérmica suele contener altas concentraciones de minerales, pero actualmente no se utiliza para la extracción comercial de minerales.

El agua de mar se ha utilizado como fuente de sal marina desde tiempos prehistóricos, y más recientemente de magnesio y bromo. En ocasiones, se recupera potasio de la salmuera que queda tras la precipitación de la sal. Los océanos suelen describirse como un recurso inagotable.

There are many saline lakes with salinity greater than seawater, making them appealing for mineral extraction. Examples are the Dead Sea and the Great Salt Lake. In addition, some saline lakes, such as Lake Natron in East Africa, have chemistry very different than seawater, making them potential sources of sodium carbonate.

The groundwater beneath saline or dry lakes often has brines with chemistry similar to that of the lakes or former lakes.

The chemistry of shallow brines used for mineral extraction is sometimes influenced by geothermal waters. This is true of a number of shallow brines in the western United States, such as at Searles Lake, California.

Geothermal power plants often bring brine to the surface as part of the operation. This brine is usually re-injected into the ground, but some experiments have been made to extract minerals before re-injection. Brine brought to the surface by geothermal energy plants has been used in pilot plants as a source of colloidal silica (Wairakei, New Zealand, and Mammoth Lakes, California), and as a source of zinc (Salton Sea, California).^[6] Boron was recovered circa 1900 from geothermal steam at Larderello, Italy. Lithium recovery has also been investigated.^[7] But as of 2015, there is no sustained commercial-scale mineral recovery from geothermal brine.^[8]

The concentration of dissolved solids in deep connate water varies from much less than seawater to ten times the total dissolved solids of seawater. In general, total dissolved solids (TDS) concentrations increase with depth. Most deep groundwaters classified as brines (having total dissolved solids equal to or greater than that of seawater) are predominantly sodium chloride type. However, the predominance of chloride usually increases with increasing TDS, at the expense of sulfate. The ratio of calcium to sodium usually increases with depth.^[9]

La presencia de agua subterránea con un TDS superior al del agua de mar se debe, en algunos casos, al contacto con lechos de sal. Sin embargo, con mayor frecuencia, se cree que el mayor TDS de los sedimentos profundos es el resultado de que estos actúen como membranas semipermeables. A medida que los sedimentos se compactan bajo la presión de enterramiento, las especies disueltas son menos móviles que el agua, lo que resulta en concentraciones de TDS más elevadas que las del agua de mar. Las especies bivalentes, como el calcio (Ca²⁺ ⁾ , son menos móviles que las especies monovalentes, como el sodio (Na⁺ ⁾ , lo que produce un enriquecimiento de calcio. La relación potasio/sodio (K/Na) puede aumentar o disminuir con la profundidad, lo que se cree que es el resultado del intercambio iónico con los sedimentos. ^{[ 9 ]}

Varias industrias generan salmueras como subproductos. Entre ellas se encuentran la industria láctea, textil, del cuero, petrolera, etc. Por lo tanto, se pueden extraer y reutilizar materiales útiles. ^{[ 2 ]} Sin embargo, en la salmuera industrial, otros productos químicos e inhibidores pueden limitar la capacidad de extraer estos materiales útiles.

Muchas salmueras contienen más de un producto recuperado. Por ejemplo, la salmuera poco profunda que se encuentra debajo del lago Searles , en California , es o ha sido una fuente de bórax , potasa , bromo , litio , fosfato , carbonato de sodio y sulfato de sodio .

La sal ( cloruro de sodio ) ha sido un bien preciado desde la prehistoria, y su extracción del agua de mar también se remonta a tiempos prehistóricos. Si bien en muchos países del mundo se extrae sal del agua de mar, la mayor parte de la sal que se comercializa hoy en día se obtiene de depósitos de evaporitas sólidas .

La sal se produce como subproducto de la extracción de potasa de la salmuera del Mar Muerto en una planta en Israel ( Dead Sea Works ) y en otra en Jordania (Arab Salt Works). La cantidad total de sal precipitada por evaporación solar en las plantas del Mar Muerto asciende a decenas de millones de toneladas anuales, pero se comercializa muy poca.

Actualmente, la sal procedente de salmueras subterráneas suele ser un subproducto del proceso de extracción de otras sustancias disueltas en dichas salmueras y constituye solo una pequeña parte de la producción mundial de sal. En Estados Unidos, la sal se extrae de la salmuera superficial del Gran Lago Salado (Utah) y de una salmuera subterránea poco profunda en el lago Searles (California).

En 1997, aproximadamente dos tercios de la producción mundial de sulfato de sodio se recuperaban de la salmuera. Dos plantas en Estados Unidos, en Searles Lake, California, y Seagraves, Texas , recuperaban sulfato de sodio de salmueras poco profundas situadas bajo lagos secos.

La ceniza de sosa ( carbonato de sodio ) se recupera de salmueras subterráneas poco profundas en el lago Searles, California. Anteriormente, la ceniza de sosa se extraía en El Caracol, Ecatepec , en la Ciudad de México , del remanente del lago Texcoco .

Las salmueras extraídas a la superficie por la producción de energía geotérmica suelen contener concentraciones de sílice disuelta de aproximadamente 500 partes por millón. Varias plantas geotérmicas han realizado pruebas piloto para la recuperación de sílice coloidal , incluidas las de Wairakei (Nueva Zelanda), Mammoth Lakes (California) y el Mar de Salton (California). Hasta la fecha, la sílice coloidal procedente de salmueras no ha alcanzado la producción comercial. ^{[ 6 ]}

La potasa se extrae de la salmuera superficial del Mar Muerto en plantas de Israel y Jordania. En 2013, la salmuera del Mar Muerto proporcionó el 9,2 % de la producción mundial de potasa. ^{[ 14 ]} En 1996, se estimaba que el Mar Muerto contenía 2,05 millones de toneladas de cloruro de potasio, la mayor reserva de potasio en salmuera fuera del océano. ^{[ 13 ]}

En 2015, las salmueras subterráneas produjeron aproximadamente la mitad de la producción mundial de litio . Mientras que el agua de mar contiene alrededor de 0,17 mg/L (0,00017 g/L), las salmueras subterráneas pueden contener hasta 4000 mg/L (4,0 g/L), más de cuatro órdenes de magnitud superior a la del agua de mar. Las concentraciones típicas de litio en el mercado comercial oscilan entre 200 y 1400 mg/L (1,4 g/L).

Las operaciones más importantes se realizan en la salmuera poco profunda bajo el lecho seco del Salar de Atacama en Chile , que en 2015 producía aproximadamente un tercio del suministro mundial. Las operaciones de salmuera se centran principalmente en el potasio; la extracción de litio como subproducto comenzó en 1997. ^{[ 20 ]}

Se cree que la salmuera superficial bajo el Salar de Uyuni en Bolivia contiene la mayor reserva de litio del mundo, estimada a menudo en la mitad o más de las reservas mundiales. Hasta 2015, no se había realizado ninguna extracción comercial, salvo una planta piloto.

Los depósitos comerciales de salmueras de litio poco profundas bajo lechos de lagos secos tienen las siguientes características en común: ^{[ 21 ]}

• Clima árido
• Cuenca cerrada con un lago seco o estacional.
• Hundimiento impulsado por procesos tectónicos
• Actividad ígnea o geotérmica
• Roca madre rica en litio
• Acuíferos permeables
• Tiempo suficiente para concentrar la salmuera

En 2010, Simbol Materials recibió una subvención de 3 millones de dólares del Departamento de Energía de Estados Unidos para un proyecto piloto destinado a demostrar la viabilidad financiera de extraer litio de alta calidad de la salmuera geotérmica . Utiliza la salmuera de la central geotérmica Featherstone de 49,9 megavatios en el Valle Imperial de California . Simbol hace pasar el fluido extraído de la central a través de una serie de membranas, filtros y materiales de adsorción para extraer el litio. ^{[ 22 ]}

En 2016, MGX Minerals desarrolló un proceso de diseño patentado (Patente Provisional de EE. UU. n.° 62/419,011) para recuperar potencialmente litio y otros minerales valiosos de la salmuera altamente mineralizada de yacimientos petrolíferos. La empresa ha adquirido derechos de desarrollo sobre aproximadamente 1,7 millones de acres de formaciones con salmuera en Canadá y Utah. Según MGX, el Consejo de Investigación de Saskatchewan , un laboratorio independiente, verificó la tecnología de extracción de petrolitio de MGX Minerals en abril de 2017. ^{[ 23 ]}

La extracción de litio de pozos geotérmicos es un proyecto en auge en Europa. Los sitios potenciales son Cornualles (Reino Unido), ^{[ 16 ]} la Fosa del Rin (Francia, Alemania) ^{[ 24 ]} y Cesano (Italia). ^{[ 25 ]} Todos estos sitios tienen una concentración de litio de 200 mg/L o superior. Su origen se debe a la interacción con minerales de mica en el granito y/o en las rocas del basamento local. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

Searles Valley Minerals extrae boro de las salmueras poco profundas que se encuentran bajo el lago Searles, en California. Si bien el boro es el producto principal, también se extraen potasio y otras sales como subproductos.

La salmuera que se encuentra debajo del Salar de Olaroz, Argentina, es una fuente comercial de boro, litio y potasio. ^{[ 12 ]}

Hacia 1900, se recuperó boro del vapor geotérmico en Larderello, Italia. ^{[ 7 ]}

Las salmueras son una fuente importante de suministro de yodo a nivel mundial. Los principales yacimientos se encuentran en Japón y Estados Unidos . El yodo se recupera de salmueras profundas que se bombean a la superficie como subproducto de la producción de petróleo y gas natural. El agua de mar contiene aproximadamente 0,06 mg/L (6,0 ^× 10⁻⁵ g  /L) de yodo, mientras que las salmueras subterráneas contienen hasta 1560 mg/L (1,56 g/L), más de cinco órdenes de magnitud superior a la del agua de mar. Se cree que la fuente del yodo es la materia orgánica presente en las lutitas , que también constituyen la roca madre de los hidrocarburos asociados. ^{[ 29 ]}

La principal fuente de yodo procedente de salmueras es Japón, donde el agua rica en yodo se produce conjuntamente con el gas natural. La extracción de yodo comenzó en 1934. En 2013, se informó que siete empresas extraían yodo. ^{[ 30 ]} Las salmueras de yodo japonesas se producen principalmente a partir de sedimentos marinos con edades comprendidas entre el Plioceno y el Pleistoceno . La principal zona productora es el yacimiento de gas del sur de Kanto, en la costa centro-oriental de Honshu . El contenido de yodo de la salmuera puede alcanzar hasta 160  ppm. ^{[ 31 ]}

Desde 1977, se ha extraído yodo de la salmuera de la arenisca de Morrow, de edad pensilvánica , en yacimientos de la cuenca de Anadarko , en el noroeste de Oklahoma. La salmuera se encuentra a profundidades de entre 6000 y 10 000 pies y contiene aproximadamente 300  ppm de yodo. ^{[ 32 ]}

Toda la producción mundial de bromo proviene de la salmuera. La mayor parte se recupera de la salmuera del Mar Muerto en plantas de Israel y Jordania, donde el bromo es un subproducto de la extracción de potasa. Las plantas de Estados Unidos ( véase: Producción de bromo en Estados Unidos ), China, Turkmenistán y Ucrania recuperan bromo de salmueras subterráneas. En India y Japón, el bromo se recupera como subproducto de la producción de sal marina.

La primera producción comercial de magnesio a partir de agua de mar se registró en 1923, cuando algunas plantas de sal solar en los alrededores de la bahía de San Francisco, California, extrajeron magnesio de los residuos salinos que quedaban tras la precipitación de la sal.

La Dow Chemical Company comenzó a producir magnesio a pequeña escala en 1916, a partir de salmuera subterránea profunda en la cuenca de Michigan . En 1933, Dow comenzó a utilizar un proceso de intercambio iónico para concentrar el magnesio en su salmuera. En 1941, impulsada por la necesidad de magnesio para aeronaves durante la Segunda Guerra Mundial, Dow inauguró una gran planta en Freeport, Texas , para extraer magnesio del mar. Se construyeron varias otras plantas para extraer magnesio de la salmuera en los EE. UU., incluida una cerca de la planta de Freeport en Velasco . Al final de la Segunda Guerra Mundial, todas cerraron excepto la planta de Freeport, Texas, aunque la planta de Velasco se reactivó durante la Guerra de Corea. ^{[ 33 ]} La planta de magnesio en Freeport operó hasta 1998, cuando Dow anunció que no reconstruiría la unidad tras los daños causados ​​por un huracán. ^{[ 34 ]}

Debido a que el magnesio metálico se extrae de la salmuera mediante un proceso electrolítico, su rentabilidad depende en gran medida del costo de la electricidad. Dow ubicó su planta en la costa de Texas para aprovechar el gas natural barato para la generación de electricidad. En 1951, Norsk Hydro puso en marcha una planta de magnesio a partir de agua de mar en Heroya, Noruega, alimentada por energía hidroeléctrica de bajo costo. Estas dos plantas, una en Texas y otra en Noruega, suministraron más de la mitad del magnesio primario mundial durante las décadas de 1950 y 1960.

En 2014, el único productor de magnesio metálico primario en Estados Unidos era US Magnesium LLC, que extraía el metal de la salmuera superficial del Gran Lago Salado en su planta de Rowley, Utah .

La planta Dead Sea Works en Israel produce magnesio como subproducto de la extracción de potasa.

A partir de 2002, CalEnergy extrajo zinc de las salmueras en sus plantas de energía geotérmica en el Mar de Salton, California. A plena producción, la empresa esperaba producir 30 000 toneladas métricas de zinc con una pureza del 99,99 % al año, lo que generaría aproximadamente el mismo beneficio que obtenía de la energía geotérmica. Sin embargo, la unidad de recuperación de zinc no funcionó como se esperaba y la recuperación de zinc se detuvo en 2004. ^{[ 6 ] [ 35 ]}

Algunas salmueras superficiales en el oeste de Estados Unidos contienen concentraciones anómalamente altas de tungsteno disuelto . Si su recuperación resultara económicamente viable, algunas salmueras podrían ser fuentes importantes de tungsteno. Por ejemplo, las salmueras bajo el lago Searles, California, con concentraciones de aproximadamente 56 mg/L (0,056 g/L) de tungsteno (70 mg/L (0,070 g/L) de WO₃ ₎ , contienen alrededor de 8,5 millones de toneladas cortas de tungsteno. Si bien el 90 % del tungsteno disuelto es técnicamente recuperable mediante resinas de intercambio iónico , su recuperación no es económicamente viable. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

En 2012, una investigación para el Departamento de Energía de EE. UU., basada en investigaciones japonesas de la década de 1990, probó un método para extraer uranio del agua de mar , que, concluyeron, podría extraer uranio a un costo de US$660/kg. Si bien esto seguía siendo cinco veces el costo del uranio del mineral, la cantidad de uranio disuelto en el agua de mar sería suficiente para proporcionar combustible nuclear durante miles de años a las tasas de consumo actuales. ^{[ 39 ]} Bernard L. Cohen demostró que todos los requisitos energéticos del mundo durante 5 mil millones de años podrían ser proporcionados por reactores reproductores alimentados con uranio extraído del agua de mar sin que el costo de la electricidad aumentara hasta un 1% debido a los costos del combustible. (Considerando que los ríos rellenan los océanos continuamente y la extracción reduciría ligeramente la concentración y, por lo tanto, la tasa perdida en los depósitos) ^{[ 40 ]}

Los intentos de extraer oro del agua de mar eran comunes a principios del siglo XX. Varias personas afirmaron poder recuperar oro del agua de mar de forma rentable, pero todas estaban equivocadas o actuaban con intención de engañar. Prescott Jernegan llevó a cabo una estafa de extracción de oro del agua de mar en Estados Unidos en la década de 1890. Un estafador británico realizó la misma estafa en Inglaterra a principios del siglo XX. ^{[ 41 ]}

Fritz Haber (el inventor alemán del proceso Haber ) investigó la extracción de oro del agua de mar con el fin de contribuir al pago de las reparaciones de guerra de Alemania tras la Primera Guerra Mundial . ^{[ 42 ]} Basándose en valores publicados de 2 a 64  ppb de oro en el agua de mar, parecía posible una extracción comercialmente viable. Tras analizar 4000 muestras de agua con un promedio de 0,004  ppb, Haber comprendió que la extracción no sería viable y abandonó el proyecto. ^{[ 43 ]}