Universidad del Valle de México Coyoacán

Separación por Extracción

Un sistema simple de extracción líquido-líquido está compuesto por un soluto y dos líquidos inmiscibles entre sí. En la práctica, algunos otros componentes se encuentran presentes, tales como: extractantes, modificadores y agentes sinérgicos; cuya función es favorecer el coeficiente de distribución del soluto de una fase a la otra. Se conoce el uso de extractantes que contienen en su molécula átomos de azufre y/o oxígeno para la separación selectiva de metales valiosos o de importancia ambiental. De hecho, una línea de investigación novedosa es la síntesis de extractantes para su aplicación en separaciones específicas y selectivas.

La recuperación de metales tóxicos o de valor comercial con la extracción con solventes es un método de separación de aplicación actual. Otra alternativa para la separación de especies metálicas es el empleo de membranas poliméricas. Este sistema consiste de dos fases separadas por la membrana. De un lado de la membrana se tiene la fase de alimentación, que contiene el analito a separar, mientras que del otro lado de la membrana se encuentra la fase de reextracción. Usualmente ambas fases son soluciones acuosas, lo cuál es una gran ventaja. La membrana debe ser permeable al analito que se desea que migre a través de la membrana. La optimización de este sistema continuo de extracción-reextracción se realiza a través del estudio de la permeabilidad, selectividad y estabilidad de la membrana.

Coeficiente de Reparto

Cuando una sustancia se distribuye entre dos líquidos miscibles entre sí o ligeramente miscibles, la relación de las concentraciones de dicha sustancia en las dos fases será constante, independientemente de la cantidad de soluto que se disuelva o del volumen de líquido empleado.
Esta distribución está sujeta a las siguientes condiciones:
a) El reparto se debe efectuar a temperatura constante durante todo el proceso, puesto que la temperatura influye sobre la cantidad de soluto disuelta en cada líquido, de forma que para cada temperatura de trabajo el equilibrio de distribución del soluto en los distintos disolventes será distinto.
b) No debe producirse ninguna reacción química entre ninguno de los componentes del sistema, ya que si se forma un nuevo producto, esto falsearía los datos referidos a las concentraciones del soluto inicial.
c) Las disoluciones deben ser diluidas. A altas concentraciones aparecen interacciones entre soluto y disolventes que interfieren en la proporción en la que el soluto se distribuye en las distintas fases.

Bajo estas condicionantes podemos formular la siguiente ley de distribución que podemos considerar un caso particular de la Ley de Henry:

A efectos prácticos, esta ley permitiría predecir la concentración final de soluto en las distintas fases, siempre y cuando conozcamos el valor del Coeficiente de Reparto para un sistema determinado y estemos trabajando bajo las condicionantes en las cuales se cumple esta ley de distribución. En la bibliografía podemos encontrar tablas en las que se listan valores de Coeficientes de Reparto para distintos solutos, distintos disolventes y condiciones; sin embargo, podemos necesitar valores de dicha constante que no se encuentren en la bibliografía. Es importante mencionar que la realidad es que cuando se realizan sucesivamente una serie de determinaciones con concentraciones diferentes, pocas veces se encuentra que la relación C1/C2 permanece constante. Uno de los ensayos clásicos, donde se cumple la ley anterior en un margen relativamente grande, es el reparto de ácido acético entre agua y éter

LEY DE DISTRIBUCIÓN DE NERNTS (Relaciones de Distribución)

La ley de distribución de Nernst o ley de reparto es una generalización que gobierna la distribución de un soluto entre dos solventes inmiscibles. La ley fue propuesta en 1931 por Walther Nernst, que estudió la distribución de numerosos solutos en diversos disolventes.
En su enunciado más general afirma que cuando se reparte una cantidad determinada de soluto entre dos disolventes inmiscibles, se alcanza un estado de equilibrio en el que tanto el potencial químico como la fugacidad del soluto es el mismo en las dos fases.
Por lo tanto, si considerados dos disolventes «A» y «B» que forman dos fases separadas cuando están en contacto y suponemos que una pequeña cantidad de soluto «i» se disuelven en ambas fases formando dos disoluciones ideales en equilibrio, el cociente de fracciones molares del soluto en las dos fases se puede expresar así:



Donde x es la fracción molar del soluto en cada disolvente, μ la fugacidad, R la constante universal de los gases ideales y N el coeficiente de distribución o de reparto, que depende de T, la temperatura y de P, la presión. Por otra parte, si las disoluciones son lo suficientemente diluidas, este coeficiente puede hallarse a partir de las constantes de la ley de Henry para «i» en los disolventes «A» y «B», simbolizadas por K. Se demuestra que:



En el caso ideal en el que las actividades (a) del soluto en ambas fases sean muy similares, por lo que podemos suponerlas equivalentes a las concentraciones c, llegamos a una única constante, Kv, que, como hemos visto, depende de la temperatura y la presión:



En términos de fugacidad el razonamiento es similar con la misma aproximación.

Separación por Intercambio Iónico

La adsorción y el intercambio iónico son procesos de separación sólido-líquido con características muy particulares que los diferencian entre sí. Sin embargo, las técnicas utilizadas en ingeniería química para la adsorción y el intercambio iónico son tan parecidas que se estudian simultáneamente.

La adsorción es un proceso de separación, en el cual algunos de los componentes presentes en una mezcla gaseosa o líquida son selectivamente transferidos a la superficie de un sólido, donde los componentes son mantenidos reversiblemente o irreversiblemente. La sustancia en cuya superficie se produce la adsorción se llama adsorbente, y la sustancia extraída de la mezcla gaseosa o líquida se llama adsorbato.

Las operaciones de adsorción dependen de su reversibilidad para recuperar el adsorbente y de la recuperación de la sustancia adsorbida, pues el objetivo es la separación de la mezcla, por lo tanto, si la adsorción se va a utilizar como un proceso de separación, necesariamente estamos hablando de adsorción física, para que el proceso sea reversible. La adsorción física, o adsorción de Van der Waals resulta de las fuerzas secundarias de atracción (dipolo-dipolo y dipolos inducidos) entre las moléculas del sólido y la sustancia adsorbida, y es similar en naturaleza a la condensación de moléculas de vapor en un líquido de la misma composición.

El intercambio iónico es un proceso por medio del cual un sólido insoluble remueve iones de cargas positivas o negativas de una solución electrolítica y transfiere otros iones de carga similar a la solución en una cantidad equivalente. Este proceso ocurre sin que existan cambios estructurales en el sólido. Si los sólidos intercambian iones positivos (cationes) se denominan intercambiadores catiónicos e intercambiadores aniónicos si intercambian iones negativos (aniones). Por ejemplo, la dureza del agua se puede eliminar reemplazando los iones calcio (Ca++) por iones sodio (Na+) utilizando una resina cambiadora de cationes (zeolita), según la siguiente reacción de cambio:

Ca++ + zeolita sódica ----> 2 Na++ + zeolita cálcica

En el diseño de equipos para operaciones de adsorción o intercambio iónico en forma continua, es necesario conocer la capacidad adsorbente o de intercambio del sólido a utilizar, y esta no es otra cosa que la cantidad de soluto que se puede retener por cantidad de sólido. En el caso de la resina intercambiadora de iones la unidad más utilizada comercialmente es el miliequivalente por gramo de resina.

Resinas de Intercambio Iónico

detalles de esferas de resina de intercambio iónico, tamaño real 0.2 mm

Las resinas de intercambio iónico están destinadas a varios usos, descalcificación, desnitratación, desionización, desnitratación. Dependiendo de la aplicación a la que se destinen existen diferentes tipos.
Resinas catiónicas de ácido fuerte:
Intercambian iones positivos (cationes).
Funcionan a cualquier pH.
Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).

Resinas catiónicas de ácido débil:
Tienen menor capacidad de intercambio.
No son funcionales a pH bajos.
Elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las perdidas de carga o provocar roturas en las botellas cuando no cuentan con suficiente espacio en su interior.
Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de las de ácido fuerte

Resina catiónica

Resinas aniónicas de base fuerte:
Intercambian iones negativos (aniones).
Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como segunda columna de desionización en los desmineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los aniones del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente sosa (hidróxidosódico - NaOH).

Resina Monoesférica (tamaño regular de las esferas)

Resina No Monoesférica (tamaño irregular de las esferas)

Resinas aniónicas de base débil:
Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos sosa para su regeneración.
No se puede utilizar a pH altos.
pueden sufrir problemas de oxidación o ensuciamiento.

En la imagen se muestran tres tipos de resina:

A la izquierda resina catiónica, a la derecha resina para lecho mixto y en la parte inferior resina aniónica. Se puede observar como en la resina de lecho mixto existen diferentes tamaños y colores. Las resinas aniónica y catiónica son monoesfera y de color uniforme
En la figura de la izquiera de ejemplifica el uso de éstas resinas de intercambio en una cromatrografía de intercambio, las partículas negras con sigo positovo pasan por la resina sin ser capturadas seprando así a los aniones de arga negativa los cuales son adsorvidos para evitar su paso.

 

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