ESTUDIO DEL PROCESO DE TRANSFERENCIA MASA EN MEMBRANAS LÍQUIDAS SOPORTADAS Mario Avila-Rodríguez Diana Fabiola Cholico González María del Pilar González Muñoz Mireya Edith Martínez Pérez José Antonio Reyes Aguilera Abril 16, 2013

OBJETIVO

MOSTRAR LOS DIFERENTES ASPECTOS QUE DEBEN SER CONSIDERADOS EN EL ÁNALISIS DEL PROCESO DE TRANSFERENCIA DE MASA DE IONES METÁLICOS A TRAVÉS DE MEMBRANAS LÍQUIDAS SOPORTADAS

PLAN DE LA PRESENTACIÓN • Breve introducción sobre las membranas líquidas • Aspectos fundamentales del proceso de transferencia de masa • Ejemplos • Sistemas de extracción con extractantes solvatantes • Sistemas de extracción con líquidos iónicos

TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE IONES METÁLICOS • PRECIPITACIÓN ALCALINA • EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO • EXTRACCIÓN LÍQUIDO-SÓLIDO • MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS • TÉCNICAS DE MEMBRANA (SÓLIDAS) • MEMBRANAS LÍQUIDAS

TIPOS DE MEMBRANAS LÍQUIDAS o MEMBRANAS DE BULTO

o MEMBRANAS LÍQUIDAS SOPORTADAS ALIMENTACIÓ ALIMENTACIÓN

DESPOJO

FASE EXTERNA

o MEMBRANAS LÍQUIDAS EMULSIONADAS FASE MEMBRANA FASE INTERNA

VENTAJAS DE LAS MEMBRANAS LÍQUIDAS

o El proceso de extracción y desextracción es llevado a cabo de manera simultánea. o No se requiere alcanzar el equilibrio. o La transferencia entre dos líquidos es mas rápida. o El volumen de frase orgánica es mucho menor que en extracción líquido-líquido.

METODOLOGÍA MLS Impregnado por 60 min

Escurrimiento por 30 min

Medidas de ángulo de contacto y Determinación de la concentración del ione metálico por AA

Transporte a través de una MLS ALIMENTACIÓ N

DESPOJO

3

4 5

2 1 6 MEMBRANA LIQUIDA

Proceso global de transferencia de masa 1.- Difusión del ión metálico M(III) a través de la capa límite de difusión en interfase soln. Alimentaciónmembrana. 2.- Reacción química entre M(III) y extractante en la fase orgánica. 3.- Difusión del complejo M(III)-Cyanex 921 a través de la MLS. 4.- Reacción de desextracción de M(III). 5.- Difusión de M(III) a través de la capa límite de difusión en interfase membrana-soln. despojo.

Mecanismos propuestos 1.- Cotransporte en el que tanto el ion metálico como el contraion son transportados desde la solución de alimentación, a través de la MLS a la solución de despojo. 2.- Contratransporte: en la cual el acarreador ácido HC, pierde un protón y forma un complejo MC con el ion metálico en la interface entre la solución de alimentación y la MLS.

Aspectos básicos a considerar * Aspectos químicos (datos de extracción líquido-líquido) * Afinidad del extractante por la especie a extraer * Afinidad de la especie a extraer por la fase de desextracción * Impregnación efciente del extractante en la membrana •Aspectos hidrodinámicos • Viscosidad • Velocidad de agitación

CARACTERIZACIÓN DEL SOPORTE Y DE LA MLS ANGULO DE CONTACTO DEL SOPORTE

PVDF HIDRÓFILO 72.9º

PVDF HIDRÓFOBO 143.1º

PTFE 111.7º

ANGULO DE CONTACTO DE MLS ANTES DE LA TRANSFERENCIA

PVDF HIDRÓFILO 33.4º (32.6)

PVDF HIDRÓFOBO 36.5º (31.8)

PTFE 33.9º

Membranas impregnadas con Cyphos IL 101

Pérfiles de extracción Extracción de As(V). Membrana PVDF impregnada con Cyanex 921 0.1 mol/I. Solución de alimentación H2SO4 2 mol/L. Solución de despojo H2SO4 2 mol/L

Pérfiles de extracción Extracción de Fe(III). Membrana PVDF impregnada con Cyphos IL 101

Pérfiles de extracción Extracción de Sb(III) y Cu(II). Membrana PVDF impregnada con Cyanex 921

[S b (III)] p p m

250 200 150 100 50 0 0

60

120

180

240

300

360

min

420

480

540

600

660

Para la determinación del régimen de transferencia se calcula el producto ka (coef. de transferencia de masa por el área) partiendo de un balance de materia de As(V)

Vdx  kaXt 2

1.00E-07 ka (m/s)*m

t X  ka ln V Xo

1.10E-07

Cinética química

9.00E-08 8.00E-08 7.00E-08

difusión

6.00E-08 5.00E-08 4.00E-08 3.00E-08 200

700

1200

Vel agl. rpm

1700

Aspectos Químicos Naturaleza de la solución de despojo

TRANSPORTE DE H+

TRANSPORTE DE H2O

14%

Marták y col. 2007

Fortunato y col. 2005 • Transporte soluto • Transporte de H2O

180 min

Variación de la concentración de agua en función del tiempo. FO: Cyphos IL 101 1.6 mol L-1 FA: HCl 2 mol L-1

PERMEABILIDAD 0

1

2

t(Q/V) min/cm 3 4

5

6

0

ln [Bi(III)]t / [Bi(III)]0

-0.2 -0.4 -0.6 y = -0.2060x

-0.8 -1 -1.2

HCl 0.2 mol L-1 HCl 0.5 mol L-1

-1.4 HCl 1 mol L-1 -1.6 -1.8

ln

[Bi(III)] t Q  P t [Bi(III)]0 V

Donde: P Permeabilidad de la MLS Q Área efectiva de contacto MLS (cm2) V Volumen solución (cm3) t tiempo (min)

y = -0.2351x y = -0.2479x

7

PERMEABILIDAD

[ FeIII ]t Q ln  P t [ FeIII ]0 V

Variación de ln [Fe(III)]t/[Fe(III)]0 en función de (Q/V)t. Alimentación: [Fe(III)] = 10 mg L-1 en HCl 2 mol L-1. Despojo: H2SO4 0.2 mol L-1(), Na2SO4 0.01 mol L-1 (), Na2SO4 0.2 mol L-1 (). MLS: Soporte PVDF Hidrófobo impregnado con Cyphos IL 101 1.6 mol L-1

PERMEABILIDAD

y = -0.139x R2 = 0.969

y = -0.393x R2 = 0.949 y = -0.138x – 0.37965 R2 = 0.994 y = -0.057x – 0.939 R2 = 0.961

Variación de ln [Fe(III)]t/[Fe(III)]0 en función de (Q/V)t. Alimentación: [Fe(III)] = 10 mg L-1 en HCl 2 mol L-1. Despojo: H2SO4 0.2 mol L-1. MLS: Soporte PVDF hidrófobo impregnado con Cyphos IL 101 1.6 mol L-1. Primer experimento (), Segundo experimento ()

EFECTO DE LA TEMPERATURA

La variación de la temperatura tiene un efecto sobre la viscosidad del líquido impregnado en la membrana, afectando el flujo viscoso y por consecuencia la permeabilidad

Transferencia de masa Primera Ley de Fick

Segunda Ley de Fick

CMC CMC  DMC 2 dt dx

CONCLUSIONES

El proceso de transferencia de masa de una especie a través de una MLS implica una serie de fenómenos tanto químicos como hidrodinámicos que deben de ser considerados en el estudio de los sistemas, los cuales pueden ser en algunos casos de complejidad elevada.

GRACIAS