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ESTUDIO DEL PROCESO DE TRANSFERENCIA MASA EN MEMBRANAS

LÍQUIDAS SOPORTADAS

Abril 16, 2013

Mario Avila-RodríguezDiana Fabiola Cholico GonzálezMaría del Pilar González MuñozMireya Edith Martínez PérezJosé Antonio Reyes Aguilera

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

OBJETIVO

• 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

PLAN DE LA PRESENTACIÓN

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

o MEMBRANAS LÍQUIDAS

EMULSIONADAS

ALIMENTACIALIMENTACIÓÓNN DESPOJODESPOJO

FASE EXTERNAFASE EXTERNA

FASE MEMBRANAFASE MEMBRANAFASE INTERNAFASE 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

ALIMENTACIALIMENTACIÓÓNN

DESPOJODESPOJO

MEMBRANA LIQUIDAMEMBRANA LIQUIDA

1122

3344

55

66

Transporte a través de una MLS

1.- Difusión del ión metálico M(III) a través de la capa límite de difusión en interfase soln. Alimentación-membrana.

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.

Proceso global de transferencia de masa

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 HIDRÓFILO72.9º

PVDF HIDRÓFOBO143.1º

PTFE111.7º

ANGULO DE CONTACTO DE MLS ANTES DE LA TRANSFERENCIA

PVDF HIDRÓFILO33.4º (32.6)

PVDF HIDRÓFOBO36.5º (31.8)

PTFE33.9º

Membranas impregnadas con Cyphos IL 101

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

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

0

50

100

150

200

250

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660

min

[Sb(

III)]

ppm

Vdx kaXt

ln XXo

ka tV

3.00E-084.00E-085.00E-086.00E-087.00E-08

8.00E-089.00E-081.00E-071.10E-07

200 700 1200 1700

Vel agl. rpm

ka (m

/s)*

m2

difusión

Cinéticaquímica

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

Aspectos QuímicosNaturaleza de la solución de despojo

TRANSPORTE DE H+

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

14%

Marták y col. 2007

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

PERMEABILIDAD

y = -0.2060x

y = -0.2351xy = -0.2479x

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

00 1 2 3 4 5 6 7

t(Q/V) min/cmln

[B

i(III)

]t / [

Bi(I

II)]0

HCl 0.2 mol L-1

HCl 0.5 mol L-1

HCl 1 mol L-1

tVQP

)]III(Bi[)]III(Bi[ln

0

t

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

PERMEABILIDAD

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

t

VQP

IIIFeIIIFe t

0][][ln

PERMEABILIDAD

y = -0.139xR2 = 0.969

y = -0.393xR2 = 0.949

y = -0.138x – 0.37965R2 = 0.994

y = -0.057x – 0.939R2 = 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

2dxCD

dtC MC

MCMC

Segunda Ley de Fick

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